計算機硬件基礎課程的思政元素挖掘與融入研究1系統能力培養(yǎng)與計算機組成原理系統能力是依據確定的系統功能，設計與開發(fā)系統結構，實現工程目標的能力。計算機系統能力，要求對計算機系統有深刻理解，在掌握相關計算機基本原理的基礎上，能夠從不同角度去分析計算機的屬性，在計算機系統各層次上分析、設計、實現和優(yōu)化計算機軟硬件。系統觀要求深入掌握計算機系統內部的工作原理、構造方法以及軟硬件的相互協同關系。僅在單門課程教學局部上培養(yǎng)學生的系統觀收效不大，因此要從頂層的專業(yè)培養(yǎng)目標出發(fā)，構建層次遞進的創(chuàng)新人才培養(yǎng)課程體系，統一規(guī)劃各課程教學內容，將各課程有機地銜接起來，構建一個完整的計算機系統知識體系。為此，筆者建立系統能力綜合課程群，由數字邏輯、計算機組成原理、編譯原理、操作系統、計算機系統結構等多門課程相互融合、聯動形成系統知識體系。其中，計算機組成原理課程是計算機系統能力培養(yǎng)課程群中的核心專業(yè)基礎課，具有承上啟下的作用，安排在第4學期開設，其前導課是數字邏輯，其他課程都是其后續(xù)課。有了計算機結構和組成原理基礎，才能從計算機系統整體角度理解操作系統和編譯原理。計算機組成原理全面介紹計算機五大功能部件的組成結構、工作原理以及相互關聯，使學生掌握計算機硬件的基本架構、組成部件和實現機制，是理論性、技術性很強的主干課程。培養(yǎng)學生的計算機系統能力，首先在教學上必須樹立整體系統觀，把計算機組成原理與課程群中的其他課程聯系起來，站在全局角度深入挖掘相關課程的關聯內容和結合點。使學生學會在不同層面把握不同層次的系統，并全面考慮系統各部分與外界的邏輯與聯系，能夠完成一定規(guī)模的系統設計。在五大功能部件硬件的組成結構與工作原理上，計算機組成原理與數字邏輯等硬件課程相關聯，要梳理清楚相關硬件課程體系的相互關系，構建軟/硬件協同的整體系統概念。在與軟件類課程，如程序設計、編譯原理和操作系統的關聯上，要與相關課程互相滲透。計算機組成原理要運用數字邏輯課程中的組合邏輯和時序邏輯電路來設計功能部件、指令集和微指令集。程序設計基礎課程中數據類型與計算機組成原理課程中機器數的表示及存儲關聯，指針與內存地址關聯。操作系統課程中的處理器管理、存儲管理、文件管理、通信和死鎖等均與計算機組成結構中的硬件資源關聯，才能協同完成特定任務。編譯原理課程設計優(yōu)化編譯器，將高級語言轉換為CPU能夠直接識別并執(zhí)行的機器語言，其中指令就是機器語言的一個語句，而指令的格式和設計是計算機組成原理課程中指令系統的內容。計算機體系結構課程從機器語言程序設計者的角度研究邏輯結構和功能特征，確定硬件和軟件的界面，而邏輯實現則由計算機組成原理完成。在具體專業(yè)課教學實施過程中，應根據每門課程在課程體系中的時序、教學內容、教學目標、授課對象及與其他課程之間的關系，探索采用不同的教學方法和手段，挖掘不同的思想政治教育資源。重點培養(yǎng)學生清晰的邏輯思維、抽象思維能力和不畏艱難、不斷追求的科學精神。實現課程思政建設，教師隊伍是“主力軍”，課程建設是“主戰(zhàn)場”，課堂教學是“主渠道”。所有教師和課程都要承擔好育人責任，構建全員全程全方位育人大格局。首先在教學大綱中，明確課程的教學目標和思政教育目標，將思政教育與科學精神的培養(yǎng)結合起來。專業(yè)教學目標應包含知識、能力和素質目標等內容，使學生知識、能力、素質協調發(fā)展。思政教育目標培養(yǎng)學生愛國情懷、社會責任、文化自信、工程倫理、科學精神，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。其次在課程主要內容與學時分配中，除教學內容和能力培養(yǎng)外，還應包含思政映射內容、素質培養(yǎng)等相關的思政元素。最后對照課程教學內容，挖掘思政教育切入點，形成體現課程思政改革的教案。系統能力課程中，計算機組成原理課程側重培養(yǎng)學生計算機硬件的系統級認知能力和計算機系統的設計能力，并與操作系統、編譯原理和微機原理與接口技術等課程融合為計算機系統綜合課程設計，以培養(yǎng)學生的基本創(chuàng)新能力。在計算機組成原理課程教學引入思政教育，對加強培養(yǎng)學生的社會主義核心價值觀和愛國情懷，服務國家戰(zhàn)略，激發(fā)學生學習的內生動力是至關重要的。2計算機組成原理課程的思政元素挖掘計算機組成原理是典型的工科課程，內容枯燥、單調、抽象，在教學過程中遇到極大的挑戰(zhàn)——學生沒有學習目標和內生動力，只求考試及格。這種局面與教學過程中只重視專業(yè)知識傳授有很大關系。計算機組成原理作為工科專業(yè)核心課程，專業(yè)術語多、概念抽象、邏輯性強，要自然而然地融入思政元素有一定的難度。教師首先要有較強的“課程思政”的意識，意識到學生的愛國情懷有利于端正學習態(tài)度，在教學活動中展現出嚴謹的治學精神和積極的人生態(tài)度。其次在課程教學大綱中加入思政工作內容，挖掘專業(yè)課程中固有的思政元素。改革傳統教學方法，堅持知識灌輸與思想滲透相結合，促進大學生通過參與和思考，實現認知、情感、理性和行為認同。在教學過程中，要從整體上把握計算機系統各部件的功能，分析其關系和聯系，形成關于計算機組成的系統論。將學科史、科技史教育融入教學內容。結合計算機的發(fā)展史、國內外名人事跡，引導學生聚焦世界科技前沿，提升學習專注度，引發(fā)知識共鳴、情感共鳴和價值共鳴。結合存儲系統和微處理器的設計過程以及我國在芯片存儲器和CPU芯片上的追趕過程，融入科技工作者的創(chuàng)新、奉獻和合作精神，主動聚焦國家重大戰(zhàn)略需求，為國家和民族的發(fā)展出力爭光。根據課程教學內容和教學對象的專業(yè)認知水平，深入挖掘提煉課程所蘊含的德育元素，把社會主義核心價值觀、科學精神和職業(yè)素養(yǎng)融入課程教學中。2.1計算機系統概論的思政切入點通過介紹計算機界的名人和世界第一臺計算機的誕生過程，培養(yǎng)學生的歷史觀，激發(fā)科學研究意識和愛國情懷。圖靈和馮·諾依曼都具有非凡的數學水平，二戰(zhàn)時期，因各自國家的戰(zhàn)略發(fā)展需要，圖靈提出了計算機的原理和模型，馮·諾依曼在此基礎上做出了硬件完善的二進制計算機。馮·諾依曼提出的“存儲程序通用電子計算機方案”奠定了計算機的5個部分：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備，對世界第一臺電子計算機ENIAC起到關鍵作用，其存儲程序及二進制編碼等對后繼計算機的設計有決定性的影響，至今仍采用。將圖靈和馮·諾依曼的貢獻與計算機發(fā)展簡史聯系起來，使學生理解計算機的硬件組成要素及各部件的關聯，開闊視野，向計算機界的先驅學習，提高對數學知識的理解，激發(fā)勇攀科學高峰的責任感和使命感。2.2存儲系統的思政切入點芯片存儲器已成為人類信息化社會的重要支撐，作為全球最大的電子產品制造國和重要的電子產品消費市場，中國對存儲芯片有著巨大的需求，但是中國存儲芯片幾乎完全依賴進口，自產的存儲器低于5%（美國50%，韓國25%）。從DRAM存儲器歷史，存儲系統的層次結構，芯片存儲器的設計、制造到建立生態(tài)應用，激發(fā)學生創(chuàng)新意識和科技報國的使命擔當。說明中國不能依賴于芯片進口，鼓勵學生立足于國家的集成電路產業(yè)發(fā)展創(chuàng)新戰(zhàn)略，努力學習，補好芯片存儲器短板。存儲領域的發(fā)展取決于制造設備和材料，結合中國科學技術大學郭光燦院士團隊研究組李傳鋒、周宗權研制的“按需式讀取”可集成固態(tài)量子存儲器和中國科學院上海微系統所陶虎課題組實現的基于蠶絲蛋白的高容量生物存儲，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，為實現信息產業(yè)的芯片存儲器底層基礎設施“中國造”努力學習。2.3指令系統的思政切入點在2021年5月28日召開的兩院院士大會和中國科協第十次全國代表大會上，習近平主席強調：科技攻關要堅持問題導向，奔著最緊急、最緊迫的問題去[9]。國產芯片+操作系統是當前緊急、緊迫的方向之一，制約CPU芯片性能的因素，除了制造環(huán)節(jié)外，還有一個基礎且關鍵的環(huán)節(jié)是指令集（架構）。目前市場上的主流指令集有X86、MIPS、ARM、RISC-V。國內廠商中，天津海光、上海兆芯等基于X86架構；龍芯中科先是采用MIPS架構，2021年發(fā)布完全自研的指令集LoongArch；華為鯤鵬、天津飛騰基于ARM架構；申威基于Alpha架構；全志科技的芯片、兆易創(chuàng)新的MCU產品和阿里的早期芯片采用RISC-V架構。2021年5月28日，阿里云峰會上發(fā)布自主研發(fā)的云計算操作系統——飛天操作系統兼容X86、ARM、RISC-V等多種芯片架構，實現“一云多芯”，有望適配不同架構的國產芯片，帶動國內產業(yè)鏈發(fā)展，將遍布全球的百萬級服務器連成一臺超級計算機，以在線公共服務的方式為社會提供計算能力。以上述內容開闊學生的國際視野，培養(yǎng)其精益求精的科學精神，激發(fā)敬業(yè)精神、科技報國的責任感和使命感。2.4中央處理器的思政切入點中央處理器的講解涉及CPU的功能和組成、指令周期、時序產生器、控制方式、微程序控制器的原理以及硬連線控制器的基本思想和工作原理。結合2018年美國制裁中興事件以及自2020年12月以來中國汽車缺芯停產，引出課程思政的內容：核心技術受制于人，造成的影響難以估量。必須科技創(chuàng)新，自主研發(fā)芯片，才有機會與國際巨頭平等對話。半導體領域的投入和研發(fā)是一個長期的過程，從IC設計、芯片生產到芯片商用，重科技、重資產、重人力、回報周期長。以華為海思的麒麟980為例，研發(fā)周期長達3年，投入超過3億美元，10