“计算机系统结构”课程思政教学设计研究

方娟 蔡旻 高明霞 苏醒

[摘 要] 通过充分挖掘“计算机系统结构”课程中的思想政治元素,通过典型案例讲述课程中涉及的重点知识,如芯片“卡脖子”的现象、存储器国产化等专业知识,将爱国主义、民族情怀等贯穿渗透到课程教学中,帮助学生树立文化自觉和文化自信,引导学生求真务实、实践创新、精益求精的精神,明确课程思政教学目标,在知识传授、能力培养中弘扬社会主义核心价值观,传播爱党、爱国、积极向上的正能量,培养科学精神,将思想价值引领贯穿于教学计划、课程标准、课程内容、教学评价等主要教学环节。

[关键词] 课程思政;三全育人;系统结构

[基金项目] 2021年度北京工业大学“三全育人”教师团队重点培育项目“面向新工科的物联网工程专业创新育人模式探索与实践”(327000522101);2020年度北京工业大学教育教学研究课题“新工科背景下物联网工程专业产教融合多元协同育人模式研究”(040000513109);2021年度北京工业大学信息学部“课程思政”示范课程培育项目“计算机系统结构‘课程思政示范课程培育计划”(040000513114)

[作者简介] 方 娟(1973—),女(满族),辽宁鞍山人,博士,北京工业大学信息学部教授,主要从事计算机体系结构研究;蔡 旻(1982—),男,湖南益阳人,博士,北京工业大学信息学部讲师,主要从事计算机体系结构研究;高明霞(1973—),女,河北张北人,博士,北京工业大学信息学部讲师,主要从事计算机体系结构研究。

[中图分类号] G640   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324(2021)39-0124-04      [收稿日期] 2021-05-30

党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央高度重视教育工作。习近平总书记指出:“要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人”[1]。课程思政的核心与目的是贯彻落实立德树人的根本任务,通过对课程的顶层设计,不仅要将课程思政停留在教学上,而且要上升到育人的高度。“计算机系统结构”课程将采用典型案例植入式的方式,通过讲解华为鲲鹏处理器架构、芯片“卡脖子”的现象、RISC处理器、存储器国产化等案例,结合习近平新时代中国特色社会主义思想,将立德树人、家国情怀贯穿高校课堂教学的全过程之中,推动思想政治课程与课程思政的协同前行及相得益彰,推动知识传授、能力培养与理想信念、价值理念教育的有機结合[2]。

一、“计算机系统结构”课程思政教学设计思路

“计算机系统结构”课程是为计算机学科本科生开设的一门学科基础必修课。通过该课程的学习,能够使学生掌握计算机系统结构的基本概念,特别是流水线与Cache技术所蕴含的技术和思维,学会以高层建筑的观点应用算法、硬件、软件去综合考察、分析及设计计算机系统结构;培养学生以性能价格比的观点去分析、评估及设计计算机应用系统;使学生掌握当代迅速发展的RISC技术的主要设计思想和技巧;了解当今计算机系统结构的先进技术及设计思想,包括并行性、可扩展性、可编程性等。学生能运用系统设计核心理念和量化思考方式,针对计算机系统的瓶颈,运用计算机系统论、设计方法学,从而具备对计算机系统分析问题和解决问题的能力,以及构建计算机系统复杂工程的能力[3]。

在教学设计中通过引入核心价值观、大局意识等方法,通过具体示例讲授国产芯片的现状、国产存储器的现状,中兴、华为等大事件,培养学生的理想信念、家国情怀、民族自信、责任担当、职业素养、行为规范等育人元素,以及正确的世界观和价值观。

本门课程目前已加入北京工业大学—华为“智能基座”产教融合协同育人基地课程培育,并参加了相关课程培训,对华为技术有限公司的鲲鹏系列知识与教学内容已有一定的了解。同时,在多年的计算机体系结构领域的科研中,一直致力于计算机芯片、多核处理器、异构计算等前沿知识的研究,对国内外相关领域的发展、前沿技术、社会需求等有着深刻的理解,具备将计算机系统结构领域的思想政治元素融入课堂中的良好基础,可以结合专业课程的教学内容,找到结合点和切入点,促进“教书”与“育人”的有机结合,促进“思政课程”向“课程思政”的创造性转化,把思想政治教育融入人才培养的全过程,实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一,培养学生的爱国主义情怀,以及诚信、敬业等优秀品质,增强学生的国家产业责任意识和使命感,使学生具备优秀的职业道德品质。

二、课程思政教学计划

“计算机系统结构”课程在原有内容的基础上,对课程内容进行了案例丰富和设计,将课程思政元素进行了有机融合,在课堂中引导学生树立正确的人生观、价值观和道德观,突出育人导向,从而将思想政治元素真正落实到课程中[4]。本课程实验环境充分,实验中心提供了足够的实验机房,并全天开放,供学生在非实验学时也可以自由使用,完成实验内容。课程教学资源充分,可以同时满足“线上+线下”教学,并通过学校的日新学堂进行教学资源发放、判作业等环节。多年来,笔者积累了丰富的教学题库,可以满足学生课上、课下的学习和复习。课程思政教学计划设计如表1所示。

三、华为鲲鹏处理器架构案例设计

本章节对应第1章第1节计算机系统结构架构部分的内容。通过对华为鲲鹏处理器所采用的ARM v8体系架构的起源、特点、优势等讲授其在计算机系统结构领域的优势及所面临的挑战,使学生充分了解目前国内外相关领域的芯片发展历程、基于鲲鹏处理器构建的全栈IT基础设施、行业应用及服务等方面的知识。通过课程教授,将过去中国IT的基本标准、架构、产品和生态大部分是由美国IT巨头制定的,因此存在许多安全和被“卡脖子”的风险等问题讲授给学生,让学生了解全球IT生态格局将由过去的“一极”向未来的“两级”演变,我国会逐步建立自己的IT基础设施和标准,形成自有开放生态。通过课程内容介绍,在教学中渗透爱国主义教育和民族情感教育,帮助学生树立文化意识和文化自信,引导学生求真务实、实践创新、精益求精的精神,在高校课堂教学中贯彻立德树人全员、全过程、全方位的实施,促进思想政治课与思想政治理论的协调发展,推动知识传授、能力培养与理想信念、价值理念教育的有机结合。

通过介绍ARM v8体系架构的起源、特点、执行状态、指令集等内容,了解其架构优势及面临的挑战,以及在处理器芯片领域可能存在的“卡脖子”风险等问题,使学生了解计算机体系架构的行业痛点,加深爱国主义情怀、民族情怀等课程思政元素,引导学生具有实事求是、实践创新的精神,鼓励学生从国内外系统结构领域的前沿技术中努力学习科学知识,并投身到国家的发展建设当中。

本节的重点是介绍华为鲲鹏处理器架构及相关知识,难点在于如何理解ARM v8体系架构在鲲鹏处理器架构下的作用及优势。

四、芯片“卡脖子”的问题案例

本章节对应第1章第2节计算机系统性能部分的内容。通过对比分析国内外芯片制造业的发展状况,解析我国芯片制造业被人卡脖子的原因,让学生深刻认识芯片技术的战略核心位置,树立危机意识、全局意识,由家国情怀、国际视野激发学习兴趣和使命担当。通过讲述华为海思备胎芯片一夜转正的“中国芯”故事等典型事例,激发学生的爱国主义情怀、民族自豪感和使命感,传播科技兴国的正能量,引导学生树立居安思危的意识,养成终身学习的习惯,激发学生迎难而上、永攀科学高峰的时代精神。

芯片制造是一个庞大的工程,涉及多个步骤。一颗芯片的制造,首先需要由晶圆厂从原料中提取出单晶硅,切割成一片片晶圆,然后由芯片设计公司提供设计蓝图。中芯国际等芯片代工厂,利用供应商提供的晶圆,按照芯片设计蓝图,把芯片制造出来。

芯片制造本身也大有学问。晶圆表面要先附上刻有电路纹路的光刻胶,然后光刻机再在其上进行刻蚀,刻蚀完毕后再利用特有的光刻胶清除剂,将光刻胶去除。刻上电路的芯片,最后还需要进行封装,使芯片与外部器件实现连接。掩模制作、切片、扩散、光刻、刻蚀、离子注入等,每個步骤背后都是一整条产业链。

如果我们将芯片制造比作大厦建筑,IC设计就是建筑的设计图,EDA软件是该图的设计工具,但EDA软件的复杂性比建筑设计软件高N个数量级。EDA是电子设计自动化(Electronics Design Automation)的简称,它是在电子CAD技术的基础上开发的计算机辅助设计软件系统,集成了应用电子技术、计算机技术、信息处理和智能技术的最新成果,实现了电子产品的自动化设计。利用EDA工具,电子设计人员可以从概念、算法、协议等方面设计电子系统,并从电子产品的电路设计、性能分析到设计IC版图或PCB版图的全过程,在计算机上自动处理。EDA技术可以广泛应用于电子、通信、航空航天、机械等领域。随着集成电路技术的发展,EDA软件成为业界“芯片设计软件工具”的代名词。也就是说,EDA软件是芯片设计的重要工具,但由于芯片设计过程复杂、分工精细、技术合成多,EDA软件并非指简单的一个或几个软件,而是涉及近百种不同的技术,涵盖了各种“点工具”的软件工具集群。

为了解决这个问题,我国必须开发自己的高端芯片。以下是一些笔者认为可行的策略。

1.加强前瞻性基础研究。基础研究是整个科学体系的源泉,是一切技术问题的总开关。现代科学技术的发展已经进入大科学时代。科学、技术和工程的渗透和融合正在加速。科研模式不断重构,学科交叉、跨界合作、产学研协同成为趋势。我们应该围绕量子计算、边缘计算、全光计算、神经形态学计算、记忆计算等方向进行探索。

2.推进全产业链重点布局。芯片从设计到应用涉及一条很长的链条,每个环节或多或少都会遇到“瓶颈”技术。在芯片的上游设计中,增加自主设计投入,深入优化和改进基于开源架构RISC-V的芯片设计,大力支持EDA设计软件等架构的后续能力。

3.注重高端人才的引进和培养。要实现高端芯片技术的突破,不仅需要相关领域的一流专家,还需要有远见的企业家。加强高校对相关领域人才的培养,实施校企联合培养,加大高端人才引进的力度。鼓励重点芯片企业设立专门的研发部门和海外分支机构。

4.营造良好的创新制度环境。积极营造一个良好的外部发展环境,以更大的魄力、更广的胸怀进行开放创新。培育多元的竞争主体,积极培育民营企业、海归创业企业及国有企业进入市场,形成多元的竞争主体。

五、结语

本课程在教学方法中进行改革,以案例植入式方式增加学生课堂讨论等环节,并在考核内容中增加相关课程思政内容,完善教学评价体系,将知识传授、能力培养、思想引领等融入整个教学环节中,真正做到全员、全过程、全方位育人,促进思想政治教育与知识体系教育的有机统一。

参考文献

[1]习近平在全国高校思想政治工作会议上强调:把思想政治工作贯穿教育教学全过程,开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报,2016-12-09(1).

[2]王新宇,潘雨青.数据结构课程思政教学设计与实践[J].计算机教育,2021,1(1):97-100.

[3]郭艳燕.计算机类专业课程思政实施路径探索与实践[J].计算机教育,2021,1(1):80-84.

[4]韩宪洲.以“课程思政”推进中国特色社会主义一流大学建设[J].中国高等教育,2018(23):4-6.

Research on the Ideological and Political Teaching Design of “Computer System Structure” Course

FANG Juan, CAI Min, GAO Ming-xia, SU Xing

(Faculty of Information Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:
By fully excavating the ideological and political elements in the course of “computer system structure”, telling the key knowledge involved in the course through typical cases, such as the phenomenon of chip “neck sticking”, memory localization and other professional knowledge, infiltrating patriotism and national feelings into the course teaching, helping students establish cultural consciousness and cultural self-confidence, and guiding students to be realistic and pragmatic Practice the spirit of innovation and excellence, clarify the ideological and political teaching objectives of the curriculum, carry forward the socialist core values in knowledge teaching and ability training, spread the positive energy of loving the Party, patriotism and positive progress, cultivate the scientific spirit, and guide the ideological values through the main teaching links such as teaching plan, curriculum standards, curriculum content and teaching evaluation.

Key words:
curriculum ideological and political education; three complete education; system structure

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