基于课程思政的计算机组成原理教学实践改革

2022-02-19夏玉勤

教育信息化论坛 2022年11期

夏玉勤

高校教师在传授知识的同时也应该注重强调价值引领，应善于挖掘各类思政元素并将其融入专业课程的教学环节[1]。

计算机组成原理是计算机专业理论性和实践性都很强的核心课程，具有“取之于实践，用之于实践”的课程特点。课程涵盖机器数的表示，运算器、控制器、存储器和输入/输出系统的原理和设计等主要内容。要求学生首先掌握计算机硬件系统各功能部件的工作原理、设计方法和逻辑实现，其次通过指令的执行过程理解各部件联结成整机并协调工作的方法，最后了解当代计算机系统的新技术和新成果。课程着力加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并提升学生对计算机系统的综合设计能力。基于课程的内容和教学目标，聚焦“培养适应国家建设需要的、热爱祖国、遵纪守法、德智体美劳全面发展、具备良好的技术开发能力和敬业精神的计算机技术领域的高级工程人才”的专业培养目标，课程思政重点围绕家国情怀、责任担当、文化自信等多个维度开展课程思政内容的设计和融入[2]。

一、课程思政建设目标

根据教育部提出的全过程思政教育精神以及高校对专业课程的要求，结合计算机专业的人才培养目标和计算机组成原理教学大纲的要求，在对课程内容进行整体设计、对课程知识点所蕴含的思政元素进行整理的基础上，从“理想信念—职业素质—个人修养”三个层面设定课程思政目标。

（一）理想信念

引导学生树立和践行社会主义核心价值观，树立强烈的使命感和崇高的职业理想。“青年兴则国家兴，青年强则国家强。培养青年一代成为有理想、有本领、有担当的人才，这样国家就有前途，民族就有希望。”

（二）职业素质

培养学生诚实守信、团结合作的精神，培养学生理解、宽容、谦让、诚实的待人态度，使学生养成良好的沟通习惯。

（三）个人修养

一个人的人生旅途能够走多远，实现多大的人生抱负，世界观、人生观和价值观的作用是不可小觑的。正确的世界观、人生观和价值观是指明道路的灯塔，其可以引导学生实现良性发展，使之能正确应对和有效解决人生发展中遇到的各种问题。引导学生基于亲身感受，树立勇于挑战的态度，强化攻坚克难的决心，培养责任意识、职业道德和工程素养。

二、课程思政改革中遇到的问题与解决方案

课程思政和专业课程不是简单的累加，而是需要教师在教学中自觉践行课程思政，帮助学生从被动地接受教育到形成自我教育、自我发展、自我提升的意识。因此课程思政教育教学改革，既要求转变教师的教育理念，也要求优化教学内容，改革教学方法。专业课教师具有丰富的专业知识和教学技能，但是对思政教学理念的认识和积累还远远不够，具体表现为：教师对课程思政的认识和教学能力不足、课程思政的案例选取不当、教学方法不能引起学生共鸣等。在专业课程的教学中，如果思政内容不能有效地融入专业知识，会导致整个课程思政的教学出现分化和脱节的现象。这些问题不好好解决，不仅会使思政内容显得空洞、乏味、生硬和呆板，也会影响到专业知识的教学效果。

针对上述问题，以课程思政的教学目标为主线，对计算机组成原理课程的思政教学模式进行实践探索是非常有必要的。教师要尽可能挖掘和选取学生感兴趣的教学案例，深入挖掘计算机组成原理课程中的思政元素，并将社会主义核心价值观、实现中华民族伟大复兴的理想和责任、职业道德和行为规范以及做人做事的基本道理等有机融入教学，在案例分析的过程中实现专业课程教学和思政教育的有机融合。

（一）提升专业课教师对课程思政的认识

大学生正处于思想活跃、求知欲强的时期，教师不仅要具备较高的专业理论水平和教学能力，教授学生专业知识，还要帮助学生形成正确的世界观、人生观和价值观。因此专业课教师应该认识到在专业课程中实施课程思政的重要性，同时提升自身的学习能力，提高思政教学效果，做到以德育人，做好学生的学习榜样。

（二）挖掘优秀的思政素材

首先，教师要提高甄别真假信息的能力。在知识爆炸、网络信息满天飞的今天，教师要对网络中的错误言论进行有力抵制和批判，积极弘扬社会正能量，这不仅能保证专业课教学朝着正确的方向发展，对于促使学生抵制错误思想也具有重要意义。其次，由于思政案例比一般工程案例对教师的要求更高，教师在课前要充分准备，查阅大量的资料，拓宽自己的知识面。计算机专业发展迅速，也要求教师了解计算机行业最新成果，把握发展趋势。好的素材可以激发学生的学习兴趣，提高学生的听课效率。教师在选择素材时要坚持以学生为中心的宗旨，选取学生耳闻目睹的、与学生的生活紧密相连的素材，从而引发学生的好奇心，激起学生的求知欲和学习兴趣。最后，将思政元素有机融入专业课程。案例中所涉及的思政元素与内容并非固定不变的，在讲解案例时要注重思政素材的时效性和准确性，可以通过案例反馈进行再挖掘和再设计，或者在每次备课时进行重新筛选和整理。笔者在课程教学实践中可以感受到，思政案例的引入激发了学生的学习兴趣，发生在身边的实事拉近了师生距离，学生倾听案例时往往表现得全神贯注，较为枯燥的专业课堂变得有趣，学生的学习效率得到显著提升。

（三）完善教学方法

在专业知识要点中融入思政元素，要想达到预期效果以及达成思政教学目标，思政元素的展现形式和方法也很重要。采用线上线下相结合的混合式教学模式可以提升教学效果。教师课前通过学习通App 发送资料，让学生对教学内容有初步认识与了解，培养学生的自主学习能力。因为计算机组成原理课程概念较多，知识点比较抽象，为了让课堂教学“活”起来，避免牵强附会、割裂曲解、生搬硬套，促使学生“亲其师，信其道”，教师可以采用自然贴切的案例教学法，提取思政元素，精心整理典型案例。教师课后可以把相关知识点提取出来发送给学生，鼓励学生自主查阅资料，自主学习，同时教师对学生提出的疑问进行及时解答。通过课前、课中、课后的反馈和改进，形成闭环系统，从而取得最佳的教学效果。

三、课程思政案例设计

本课程旨在使学生能够系统地理解计算机的组成，从整体的角度理解计算机系统各个功能部件的工作原理，分析各个功能部件的协同工作，从而培养学生扎实的计算机硬件分析与设计能力。因此思政教学设计思路如下：紧密结合课程教学目标，适当选取合适的思政教育切入点，形成与计算机组成原理知识体系相契合的思政教学内容体系。

案例1：计算机发展中的科学精神和爱国情怀。

章节名称：计算机系统概述。

课程思政目标：培养学生的科学精神，引导学生树立民族自豪感和社会责任感。

每一项技术的发明和创新，都离不开科学家们勇攀科学高峰的精神。讲解二进制的发明和布尔代数的建立，激发学生的科学探索精神。通过讲解天干地支与二进制的联系，引导学生去了解并传承中华民族的优秀传统文化，弘扬爱国主义精神，增强学生的文化自信。

在被封锁、孤立的国际环境中，我国科技人员自力更生、艰苦奋斗，研制出我国的第一台电子计算机，体现出我国科技工作者的奋斗精神和奉献精神。改革开放以来，我国高性能计算机的研制经历了从无到有、从落后到领先的艰难发展历程，实现了从核心技术的引进到全方位的自主研发创新[2]。教师可以通过芯片“卡脖子”事件，让学生深刻理解“自主创新、核心科技”的意义，从而引导学生树立科技兴国的理想信念。通过讲述“星光中国芯工程”总指挥邓中翰院士、半导体器件和集成电路专家吴德馨院士的事迹，培养学生的社会责任感，引导学生学习老一辈科学家默默奉献的爱国情怀。

案例2：通过计算机CPU 与外设交换信息培养辩证思维。

章节名称：中断与DMA。

课程思政目标：辩证法是人们认识世界、改造世界的有力武器，引导学生辩证地看待问题。

计算机CPU（中央处理器）与外设进行信息交换时，从最基本的无条件传送到程序查询方式、到处理异常的程序中断方式，以及适合大批量数据传输的DMA（直接存储器访问）方式。其主要目的是减轻CPU 处理外设的负担，提高CPU 的工作效率。计算机的性能在逐步提升，但是在发展中又会出现新的问题和瓶颈。教师要引导学生正确看待社会发展过程中不断涌现出的各种新问题。例如数据运算过程中的突发事件等，可采用中断异常处理机制，在计算机发生异常后及时处理，迅速返回主程序继续运行[3]。

CPU 对外设进行信息交换的发展过程就是遇到问题和解决问题的过程，既要允许存在暂时的缺陷，又要直面问题，勇于探索，解决矛盾。让缺陷成为计算机不断向前发展的动力，不断提高计算机的性能。这些都是人们在实践中根据实际情况辩证地思考和处理问题的结果。

案例3：理论与实践相结合，做到知行合一。

章节名称：头歌实训项目—运算器的设计。

课程思政目标：学生对于学到的东西，不能只停留在书本上，不能只装在脑袋里，而是应该落实到行动上，做到知行合一。

在学生学习理论知识时，为了帮助学生完成从理论到实践的转化，使用头歌实践教学平台使学生完成计算机核心部件——运算器的设计。综合实训项目可以帮助学生从使用基本的全加器到进行可控的加减运算、再到使用超前进位全加器、原码一位乘法器和阵列乘法器等，最后逐步设计能够实现加、减、乘、除算术运算和基本与、或、非逻辑运算的32 位的运算器。在实训过程中教师通过专业实践和思政教育的融合，引导学生深刻理解实践是创新之本的道理，同时培养学生服务社会的意识，使学生自觉养成追求卓越、精益求精的精神。

在总结运算器设计方法的同时，教师要让学生明白同一个功能在设计时会存在多种方案，比如乘法器的设计，有原码一位乘法、补码一位乘法、阵列乘法器、乘法流水线等，通过引导学生对不同方案进行评价，发展学生的高阶思维。在此基础上，讲述钱学森“Nothing is final”的故事，通过这个故事培养学生学无止境、追求真理的精神。通过引入实训课程，使学生明白理论和实践的相互作用和相互影响，明白“实践是检验真理的唯一标准”。