海琨职业技术学院

计算机硬件课程研究

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发表时间:2023-03-29 14:23

   将思政元素融入课程,既要求我们的专业教学不仅能够让学生学到最新的计算机技术,而且能做到全程与全方位育人,进而培养出“德育为先、能力为重”的计算机专业人才[1-2]。对如何将思政融入专业课教学,已有学者提出各种方法,包括提升教师的思政素养[3],调整现有的教学策略[2],引入新的教学手段和方法[4-5],在专业知识中进行“思政映射”[1]等。以大数据为载体,人工智能特别是深度学习技术近年来蓬勃发展,全国各大院校分别建立起新的人工智能专业和大数据专业。如何在这些新专业的课程中挖掘和融入思政元素是值得探讨的问题。


   1、计算机硬件基础的课程共性与个性分析

计算机硬件基础(Computer Hardware Foundation)课程是计算机系为数据科学与大数据技术专业的学生设置的计算机专业基础课,主要介绍计算机组成与设计的基本原理、硬件和软件在多个层次上的相互关系。该课程与传统的计算机科学与技术专业基础课计算机组成原理相比,既有相同之处(共性),又有自身鲜明的特点(个性 )。1.1 课程共性分析


1.2 课程个性分析计算机硬件基础课程的个性体现在对硬件知识点的广度讲解与前沿引领上,这与计算机组成原理课程中要求对一些硬件知识进行深入讲解并理解体系结构是有区别的。例如,在讲解中央处理器(CPU)这个知识点时,传统的计算机组成课会将知识细化到微程序控制器和硬件连线控制器的基本思路和工作原理[8] 层面。而在计算机硬件基础中,控制器的基本思路会进行概括讲解,而将重点放在数据通路的设计与扩展上。对数据通路设计的重点讲解有利于引入前沿的智能芯片知识,使大数据的学生产生兴趣,并对后续课程(如智能系统、云计算与数据中心等)做铺垫。


   由以上对计算机硬件基础课程的个性分析可知,在讲授硬件基础知识的时候,思政元素的挖掘和融入有必要体现硬件知识点的个性特征。因此,本课程在思政育人大方面的定位是培养学生的爱国情怀、敬业精神、职业素养、工匠精神、民族使命感和科技兴国的抱负。


   2、计算机硬件基础的课堂教学目标与思政元素挖掘

2.1 课堂教学目标和思政育人目标的对应关系对教学目标进行挖掘,进而可将其分为课堂教学目标和思政育人目标。其中,课堂教学目标以布鲁姆分类为基准进行描述包括6点,思政育人目标即基于上述的6个课堂教学目标制订,见表1。

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在设计教学目标时,我们将课堂目标和思政目标做一一对应,这样设计的优势在于针对每个知识点进行思政元素挖掘与融入时可以直接进行映射,方便思政教学的展开。2.2 思政教学案例中的思政元素本课堂包括6个知识点,可以围绕6个知识点提供两个案例。第1个案例是“中芯国际的芯片制程工艺”,该案例是一个描述中国芯片制造工艺与国际顶级芯片制造工艺之间的差距的案例,其教学目的在于使学生对我国芯片制造的现状更清晰、准确和透彻地理解,引导学生树立精益求精、努力学习科学技术提升国家实力的精神。第2个案例是“华为芯片断供”,该案例是一个描述美国严格限制华为使用美国技术、软件、制造设备来封锁华为获得芯片的案例,其教学目的在于让学生了解华为目前的现状和困境,引导学生培养踏实创新的学习精神、努力投身建设和支撑国家重要企业的民族精神与家国情怀。把这两个案例作为思政融入的载体,从中提炼出相对应的思政元素,完成思政元素的深度挖掘。具体的知识点和挖掘出的思政元素的关系见表2。

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   3、基于双路互引的教学方法与手段

传统的思政课堂教学通常在讲解知识点的时候引出案例和对应的思政元素,完成思政融入。然而,教师在介绍完当前的思政元素之后,继续讲解下一个知识点就显得比较生硬。因此,本文提出一种专业知识点与思政元素互相引导的双路互引教学法,改善知识点与思政元素过渡不自然的现状。具体地,在讲解知识点时,可以通过提问引导、列举例子、情境启发等教学方法自然地导出思政元素;在介绍思政元素的过程中,可以通过扩展总结、延伸讨论、案例扩充等教学方式引导出新的知识点。例如,在介绍CPU实现MIPS的数据通路这个知识点时,启发学生思考并学习研究人员“一丝不苟的职业素养”,激发其“学习高端核心技术的热情”;以这两个思政元素为基础,可以引导学生进行延伸讨论,从指令级别的设计扩展到新的知识点“CPU数据通路的硬件实现”。这种教学上的过渡是自然的,容易让学生接受。具体的双路互引思政教学设计见图1。

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   图1中矩形的模块就是本例子的专业知识点,椭圆形的模块就是思政元素,它们分别形成“知识路径”和“思政路径”。这两条路径间是互相引导的关系,虚线表示由知识点引出思政元素;反之,点虚线则表示由思政元素引出知识点。在双路互引的教学设计中,体现了以“教师为主导,学生为主体”的教学理念,结合硬件特别是芯片知识本身独有的特点,设计了多种教学方法与手段,实现了双路互引的功能。

3.1 提问引导首先以原有的指令知识为基础,提出“MIPS指令如何在CPU上执行/ CPU如何实现MIPS指令”引导学生思考如何将指令和硬件联系起来。从专业知识产生的问题启发并培养学生形成科学精神和敢于探究的品德。然后,以“数据通路有哪几类主要部件?这些部件如何构成数据通路”的问题,启发并培养学生开拓创新的职业素养和专业专注的工程师品格。最后,通过思考“我国芯片行业有哪些短板”的问题来激励学生努力学习高精尖的知识,争取自主研发掌握最新技术,为国家的硬件事业而奋斗的民族自豪感和爱国情怀。

3.2 情境启发情境启发主要采用图片刺激和视频讲解的方式来把学生引入特定的情境中。首先是让学生观察存储芯片的主要生产厂家的分布饼状图,并介绍我国目前存储芯片的发展现状,激发学生自主探究、观察细微的研究素养。其次,让学生观察荷兰ASML公司的光刻机图片,使学生了解光刻机的高精尖技术,培养其形成精益求精的工匠精神。最后,播放“芯片有多难生产,一台7纳米光刻机月产量是多少”的视频,让学生知道高端光刻机的成本和效率,激发学生学习高端核心技术的热情、敢于探索的科学精神、和一丝不苟的职业素养。

3.3 技术剖析首先,通过剖析“CPU的设计与计算机性能的关系”一层一层地说明CPU的设计与实现决定了CPI和时钟周期,从而直接影响计算机的性能,从技术分析的角度培养学生不怕困难和思辨的逻辑思维。其次,通过剖析CPU芯片制造工艺的技术节点标准,来解释每一代芯片之间的“代差”,使学生明白纳米工艺对于面积来说是指两代芯片之间算力翻倍的关系,从而启迪学生形成去除表象的思辨逻辑,引导其形成去伪存真的科学素养。

3.4 案例探究本课堂可使用两个案例与学生进行分享与探究。一是“中芯国际的芯片制程工艺”,该案例详细介绍与研究中芯国际的芯片制造发展历程与当前的技术现状,并将其与台积电的工艺作比较,启迪学生思考团队默契协作的重要性与团队精神的形成过程。二是“华为芯片断供”,该案例以美国国家商务部颁发一系列政策限制华为为背景,研究华为目前面临的困境,启发学生思考如何突破当前困境。引导学生认识到,核心技术是买不来的,只有掌握了核心技术,才能使自己的国家在关键技术上有自主权和话语权。激励学生努力为国家和民族的硬件事业认真学习,做踏实创新的中国人,做能自主研发的中国人并投身到人民骄傲自豪的事业中去。通过以上的四大主要教学手段与方法,在课堂中让学生自主挖掘思政元素,自发地融入思政的情境,从而使专业知识与思政元素水乳交融,达到润物细无声的效果。


   4、思政融入的教学效果与特色

4.1 思政教学效果CPU数据通路概述是计算机硬件基础课程中的一个重要的知识模块,可以将其作为思政元素融入专业知识的一个教学案例。本案例从MIPS指令开始引入,过渡到数据通路的设计,最后介绍CPU的制造与工艺,并讨论中国芯片的发展现状,引入华为芯片事件,激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。整个课堂内容组织逻辑清晰,以芯片的设计制造和工艺为主线,课堂讲授和视频教学相结合,融入了许多思政要素,例如精益求精的工匠精神、技术兴国的爱国情怀等。从总体上来说,该思政案例教学效果良好,学生学习氛围浓烈。

4.2 思政挖掘与融入的特色与创新本案例的教学内容是计算机硬件基础中的一个重要章节,以CPU数据通路知识为主结合介绍前沿的芯片专业知识,同时紧贴时事要闻与热点问题,采用“教师为主导,学生为主体”的教学理念,交叉融入思政要素,主要包括以下特色与创新之处。(1)与传统的思政被动融入相比,本课堂的思政融入是主动的。比如,用中芯国际和华为的案例主动激发学生科技兴国的爱国情怀。具体地,通过提问引导、情境启发、技术剖析和案例探究4种主要的教学手段与方法,在课堂中让学生自主挖掘思政元素,自发地融入思政的情境,从而使专业知识与思政元素水乳交融,达到润物细无声的效果。(2)从专业知识与思政元素的关系来看,本课堂采用了一种新的结合方式。一方面,不仅从专业知识中导出思政元素;另一方面,在融入思政元素的过程中,会引出新的专业知识。这种双路互引的方式使专业知识与思政元素结合得更加协调,构成一个完整的课堂。


5 结 语通过计算机硬件基础课程CPU数据通路概述的课堂实例,提出一种专业知识点与思政元素互相引导的双路互引教学方法与观点,其优势在于使专业知识与思政元素结合得更加协调并互相交融,这种思路的意义在于,对思政元素的隐式融入专业知识进行了有益的尝试。在未来,我们还要将本文的思想与方法运用到大数据专业的其他课程,以期能产生更多更好的课堂思政教学方法。


参考文献:

[1]   陈燕红, 谢卫国. 新疆高校计算机专业课程思政探索与案例分析[J]. 计算机教育, 2020(1): 20-23. [2]   黄俊, 季燎原. 专业课教学中的课程思政实施方法: 以计算机专业课程为例[J]. 教育教学论坛, 2020(9): 32-33. [3]   夏小云, 李绍燕, 朱蓉, 等. 新工科背景下计算机类课程思政教学研究与实践[J]. 计算机教育, 2020(8): 75-78.