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談計算機組成原理課程思政教學

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談計算機組成原理課程思政教學

摘要:計算機組成原理是計算機類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎課。為了落實把思想政治工作貫穿教育教學全過程,實現(xiàn)全程育人、全方位育人的理念,本文分析了在計算機組成原理課程教學中融入思政教育的優(yōu)勢,并從四個方面挖掘課程內(nèi)容中蘊含的思政元素,將思政教育切實地融入到具體的專業(yè)課程教學中。實踐證明,在計算機組成原理課程的教學中,適度融入思政內(nèi)容,不僅不會影響正常教學,而且能夠充分調(diào)動學生的學習熱情,培養(yǎng)學生的學習能力和敬業(yè)精神。

關鍵詞:計算機組成原理;思政教育;實踐

1引言

2016年高校思政教育大會中提出,高校各類課程應該與思政理論課同向而行,在立德樹人環(huán)節(jié)上形成協(xié)同效應[1]。計算機組成原理是計算類專業(yè)中一門重要的基礎課,在整個課程體系中有著承上啟下的作用。在該課程教學中融入思政教育能夠更好地實現(xiàn)全程育人、全方位育人的理念。本文以“計算機組成原理”課程為例,就如何把思政教育貫穿于具體教學內(nèi)容中進行探析。

2課程的地位

計算機組成原理是計算機硬件課程群中至關重要的一個環(huán)節(jié)。它是計算機類專業(yè)的一門核心主干課程,在先導課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下的作用。課程主要講述計算機系統(tǒng)中運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備及總線的原理和設計實現(xiàn)方法,從硬件層次上建立整機系統(tǒng)概念。通過課程的學習,能夠使學生真正理解和掌握計算機的基本組成和工作原理、計算機系統(tǒng)的硬件綜合設計技術。計算機組成原理的課程地位決定了該課程教學中融入思政教育的優(yōu)勢:(1)該課程的授課對象是所有計算機大類相關的專業(yè),故在此課程中融入思政教育能夠影響更多的學生。(2)該課程大綱在工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人與團隊、溝通、項目管理等方面有指明的畢業(yè)要求,與課程思政教育方向一致,因此,在該課程教學中融入思政教育本身就是教學設計的要求。(3)課程的教學內(nèi)容,如我國大型機的發(fā)展現(xiàn)狀、計算機指令系統(tǒng)的發(fā)展演變、I/O控制方式的發(fā)展過程、主存與cache的地址映射方式等,本身就具有顯著的現(xiàn)實教育意義,因此在該課程教學中可以很自然的融入思政內(nèi)容。

3思政實踐

3.1實踐內(nèi)容

(1)巨型機研制現(xiàn)狀巨型機(即超級計算機),是計算機中具有最快速度、最高性能和最大規(guī)模的一類計算機[2]。改革開放以來,我國巨型機的研制經(jīng)歷了從無到有、從落后到領先的艱難歷程,實現(xiàn)了從關鍵技術引進到全方位自主創(chuàng)新[3]。2000年,每秒1萬億次的“銀河-IV”使得中國成為世界上第三個能獨立研制巨型機的國家。2010年,每秒2566萬億次的“天河一號”是我國自主研制的首臺千萬億次巨型機,世界TOP500排名第一,打破了美國在此項目上的長期霸主。2013年,峰值每秒5.49億億次、持續(xù)每秒3.38億億次浮點運算速度的“天河二號”巨型機,世界TOP500排名第一,并以連續(xù)6次奪得冠軍的成績打破超算領域的世界紀錄。2016年,持續(xù)浮點運算速度達每秒9.3億億次的“神威太湖之光”,世界TOP500排名第一,斬獲年度戈登貝爾獎[3]。目前世界上最快的10臺巨型機,中國占兩席,分別是“神威太湖之光”和“天河-2A”,在超算總數(shù)上位居第一[3]。這里自然融入當代大學生的責任和使命?,F(xiàn)今,知識已經(jīng)成為民族富強有力的引導因素。作為新時代的大學生,應該主動扛起時代賦予的重任,在前人已有成績的基礎上,努力學習,勇于開拓,為科技強國建設、中華民族的偉大復興做出應有的貢獻[4]。(2)I/O控制方式早期,CPU對I/O設備的控制采取程序查詢方式,即CPU向?qū)O備發(fā)送I/O指令后,啟動查詢程序檢查設備狀態(tài),直到I/O設備完成數(shù)據(jù)處理。該方式中,CPU與I/O設備串行工作,CPU的利用率非常低。為此,引入了中斷控制方式,即CPU向?qū)O備發(fā)送I/O指令后,處理其它程序(主程序),當設備完成一個數(shù)據(jù)的準備工作后,以中斷的方式報告CPU,若CPU給予響應,則暫停原程序(又稱主程序)的執(zhí)行,為該設備服務(即轉(zhuǎn)去執(zhí)行與設備對應的服務子程序),服務完成后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。在該方式中,CPU與I/O設備并行工作,CPU的利用率得到很大程度提高,但仍以字(字節(jié))為單位進行I/O,而中斷過程涉及斷點信息的保存與恢復,需要額外的時間開銷,故不適合塊設備的數(shù)據(jù)傳送。隨著DMA技術的出現(xiàn),從以字節(jié)為單位改為以數(shù)據(jù)塊為單位進行傳輸,大大地改善了塊設備的I/O性能。I/O通道的出現(xiàn),又使對I/O操作的組織和數(shù)據(jù)的傳送都能獨立進行,而無需CPU的干預。此處可適度融入思政內(nèi)容。I/O控制方式的發(fā)展過程就是遇到問題、解決問題的過程,要用發(fā)展的觀點看待問題,既允許客觀缺陷的暫時存在,也要積極探索,開拓創(chuàng)新,讓缺點成為發(fā)展的支點。貫穿I/O控制方式發(fā)展過程的主線是盡可能減少CPU對I/O控制的干預,充分減輕CPU的I/O負擔,以便CPU更多精力處理其它事務。這里啟發(fā)我們在處事方法上要區(qū)分重點與非重點、主要矛盾與次要矛盾,應該著重抓重點、解決主要矛盾。(3)cache的地址映射計算機系統(tǒng)中,為了解決CPU與主存之間速度不匹配問題,基于程序訪問的局部性原理,引入了高速緩沖存儲器cache。與主存容量相比,cache的容量很小,它保存主存一小部分內(nèi)容的副本,兩者之間以數(shù)據(jù)塊為單位傳輸數(shù)據(jù)。為了把主存數(shù)據(jù)塊復制到cache中,必須采用某種方法把主存地址定位到cache中,稱為地址映射[5]。

在全相聯(lián)映射方式中,主存數(shù)據(jù)塊可以復制到cache的任意行內(nèi),并且將塊號填到cache的行標記中。這種方式的優(yōu)點是cache空間利用率高,但比較電路過于復雜難實現(xiàn)[3]。在直接映射方式中,主存數(shù)據(jù)塊只能復制到cache的特定行中,這種方式的優(yōu)點是比較電路簡單易實現(xiàn),但cache空間利用率很低[5]。通過比較以上兩種映射方式,不難發(fā)現(xiàn),它們的優(yōu)缺點正好互補,可以采用折中方案解決cache空間利用率和比較電路復雜性問題。基于這一思想,引入了組相聯(lián)映射方式,即將cache分組管理,每組包含相同的行數(shù),主存同樣采用分組管理,每組的塊數(shù)與cache中每組的行數(shù)相同,組間采用直接映射,組內(nèi)采用全相聯(lián)映射,如此,cache的空間利用率和比較電路的復雜性都得到了有效解決[5]。在專業(yè)知識教學過程中,教師可以通過啟發(fā)式教學方法引導學生積極思考,盡可能地調(diào)動學生思考的積極性,讓學生們充分意識到科技的發(fā)展就是在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的過程中完成的。(4)指令系統(tǒng)的發(fā)展上世紀70年代末期,隨著VLSI技術的飛速發(fā)展,計算機硬件結構越來越復雜化,指令系統(tǒng)擁有幾百條指令,這類計算機被稱為復雜指令系統(tǒng)計算機(簡稱CISC)[5]。指令系統(tǒng)的龐大不但使計算機的研制周期變長,且由于采用了大量使用頻率很低的復雜指令而造成硬件資源浪費,產(chǎn)生指令集所謂的百分比20:80的規(guī)律,即最常使用的簡單指令僅占指令總數(shù)的20%,但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%。為此,人們又提出了便于VLSI技術實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機(簡稱RISC)[5]。這里可自然融入思政內(nèi)容:辯證唯物主義認為,只有實踐才是檢驗真理的唯一標準,這是由實踐的特點和真理的本性所決定的。CISC追求大而全,RISC最求小而精,是大而全好還是小而精好,都不可妄論,應由實踐來檢驗?,F(xiàn)今,CISC和RISC技術都在發(fā)展,兩者都具有各自的特點。目前兩種技術已經(jīng)開始相互融合,這是因為隨著硬件速度、芯片密度的不斷提高,RISC系統(tǒng)也開始采用CISC的一些設計思想,使得系統(tǒng)日趨復雜;而CISC也在不斷地部分采用RISC的先進技術,其性能也得到了提高[6]。這里可自然融入思政內(nèi)容:每個人都有自身的長處和短處,長處和短處是相對而言的,不要拿自己的長處與別人的短處比,要懂得揚長辟短,多學習別人的長處,如此方能克服自身的短處。

3.2實踐效果

針對2017級計算機1、2班的“計算機組成原理”課程進行了思政實踐,并在期末做了相關調(diào)查。78名學生中,有75人明確表示課程思政對課程的學習和思想教育有幫助,3人表示不反感。此處列舉部分學生的評價內(nèi)容。學生A:“課程思政使我深感生活、學習、工作中應該科學的處理問題。”學生B:“課程思政使我不再覺得課程枯燥乏味,有了更深的學習興趣?!睂W生C:“課程思政提高了我的思想覺悟,深深領悟作為新時代大學生的責任與使命。”以上調(diào)查表明,計算機組成原理課程教學中融入思政教育有助于調(diào)動學生的學習熱情,培養(yǎng)學生的學習能力和敬業(yè)精神。

4結束語

高校專業(yè)課程教學中貫穿思想政治教育是課程教改的趨勢,更是大學立德樹人的重要舉措[7]。計算機組成原理是計算機類專業(yè)的重要專業(yè)基礎課之一,因此,要充分利用該課程的主導地位,挖掘課程內(nèi)容中蘊含的思政元素,將思政教育自然融入到日常教學中。實踐證明,在計算機組成原理課程的教學中,適度融入思政內(nèi)容,不僅不會影響正常教學,而且能夠充分調(diào)動學生的學習熱情,培養(yǎng)學生的學習能力和敬業(yè)精神。

參考文獻

[1].把思想政治工作貫穿教育教學全過程開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面.光明日報,2016,12,09

[2]金怡濂.巨型機研究帶給我的體會中國工程院院士.光明日報,2003,06,06

[3]夏麗萍,張立杰.從中國超級計算機看科技強國建設.求賢,2020(10):50-52

[4]張春暉.基于“中國夢”的大學生思想政治教育.長春工程學院學報(社會科學版),2013,14(4):24-26

[5]白中英,戴志濤.計算機組成原理.北京:科學出版社,2013

[6]張功萱,顧一禾,鄒建偉,王曉峰.計算機組成原理.北京:清華大學出版社,2005

[7]張玉琢,肖飛,向宇.計算機操作系統(tǒng)“課程思政”教學實踐探索.科學咨詢/科技管理,2020(32):71-72

作者:花小朋 單位:鹽城工學院