一、課程簡介

《計算機組成原理》是計算機類專業(yè)的一門專業(yè)主干課程, 在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、計算機系統(tǒng)分析能力和工程設計能力方面占有重要的地位，是掌握計算機系統(tǒng)基本組成、數(shù)值表示方法、硬件工作原理的必修課，是授課對象幾乎涵蓋計算機相關學科的專業(yè)課程，為計算機類專業(yè)學生進一步研究和從事計算機應用開發(fā)和工程實踐提供良好的基礎。

針對計算機組成原理的課程特點，把課程中的技術理論與實際應用相結合，在課堂、實踐、課程設計環(huán)節(jié)引入思政育人環(huán)節(jié)，將國家榮辱觀、協(xié)同發(fā)展觀、矛盾分析法、社會價值觀等思政元素融入課堂教學中，挖掘課程中關于社會主義核心價值觀的相關因素，融入愛國思想教育，讓課程教學與思政教育完美結合。

二、案例基本信息

1.案例名稱：“芯”夢想，致青春——思政融入“中國芯” 教學實踐

2.對應章節(jié)：思想政治教育內(nèi)容結合的教學課程章節(jié)：“第一章 計算機系統(tǒng)概論”、“第三章 存儲系統(tǒng)”、“第四章指令系統(tǒng)”與“第五章中央處理器”。這四章均與芯片有著密切的聯(lián)系，針對當今美國對華芯片 “斷供”的時代背景，是進行職業(yè)素質(zhì)、工匠精神和愛國主義教育的最切合實際的切入點。

3.課程講次：4次

三、案例教學目標

《計算機組成原理》是計算機類相關專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎課，是培養(yǎng)“中國芯”人才的必修課。為了守好“課堂育人”這段渠，將思政建設與培養(yǎng)“中國芯”人才有機融合，教學目標包含知識、能力、素質(zhì)三個維度，在三維教學目標體系中，選取典型的四個案例作為專業(yè)知識，注重培養(yǎng)學生硬件系統(tǒng)分析能力、內(nèi)部工作機制與指令執(zhí)行過程，了解芯片工藝流程，嵌入整體與局部、內(nèi)因與外因等方法論與價值觀，結合敬業(yè)精神、職業(yè)素養(yǎng)、工匠精神、努力學習的民族使命感和科技興國的抱負，分別從教學目標、教學內(nèi)容與教學理念和教學創(chuàng)新等方面全方位將育人元素融入專業(yè)課堂。

四、案例主要內(nèi)容

本課程實堅持“傳授”專業(yè)知識為主體，思政教育“潛入”專業(yè)知識，做到潤物細無聲，以培養(yǎng)學生強建“中國芯”為核心，憑借“微程序控制器設計”的能力培養(yǎng)為支撐。在此選取四個典型案例，闡述本課程的思政融入的教改方案：

案例1: 計算機系統(tǒng)概論

從計算機系統(tǒng)結構角度去分析計算機的各大組成部分，從而引出計算機系統(tǒng)以存儲器為中心，在控制器的控制下完成任務，每個部分都是個體，構成團隊或者國家的切入點，引導學生培養(yǎng)團隊、國家的榮辱觀和同心同德的精神。

而對于計算機軟、硬件之間的關系，當硬件結構發(fā)生變化時要想到可能對軟件產(chǎn)生的影響，不同類型的軟件對硬件有不同的要求，從而形成軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)觀：相互依存、邏輯等效性、協(xié)同發(fā)展的價值觀和方法論。

案例2:DRAM芯片工作原理

提出問題：“DRAM芯片與SRAM芯片異同點是什么？DDR系列內(nèi)存的性能特點？“。利用視頻和PPT課件，帶著學生回顧DRAM的工作原理，指出DRAM為什么要刷新，講述DRAM芯片與內(nèi)存條之間的關系。

思政融入點：講述長鑫存儲突破三星、鎂光、海力士三大陣營滴水不漏的防備，在2019 年 9 月 19 日，合肥長鑫存儲宣布自主研發(fā)的8Gb DDR4 芯片正式量產(chǎn)，采用 19 納米工藝打造，這是繼長江存儲打破全球 3D NAND 壟斷后，DRAM 市場也被長鑫存儲以水滴石穿的毅力，硬生生劈出一條縫來。之后長鑫存儲又緊鑼密鼓研制成功18.5納米DRAM，而18.5nm只差最先進的1β兩代，意味著從量產(chǎn)的層面，國產(chǎn)DRAM和世界最領先的工藝差距從5代縮短到兩代。18.5nm的量產(chǎn)意味著24年開始，長鑫將成為所有國產(chǎn)手機廠商的一供，所有的產(chǎn)能將被提前承包。供應鏈的國產(chǎn)化替代也將持續(xù)推進，高科技產(chǎn)業(yè)的供應鏈將更加安全。通過這個事跡告訴學生，無論怎樣滴水不漏的防備，努力和毅力仍是有水滴石穿的一天。

案例3:從CISC到RISC指令系統(tǒng)設計

提出問題：“CISC指令如何在CPU上執(zhí)行？CPU如何實現(xiàn)RISC指令？”。帶著學生回顧RISC指令。舉例RISC指令的執(zhí)行過程——以加法為例：add rd,rs,rt. 講解操作元件和存儲元件的兩類芯片，引入國內(nèi)最大的NANDFlash廠和DRAM廠，得出結論：CPU的設計與計算機性能的關系。

思政融入點：我國計算機事業(yè)的拓荒者——華羅庚留學期間參觀了世界上第一臺計算機ENIAC，不久回國并組建研究團隊。從建國之初克服萬難，自行設計指令系統(tǒng)，誕生我國第一臺計算機，發(fā)展到現(xiàn)在世界領先的我國高端超高速高性能計算機—天河系列、神威系列。課程以實例顯示建國之初華羅庚組建的以夏培肅為主的計算機研發(fā)團隊的艱苦設計過程以及我國現(xiàn)在世界領先的神威系列超級計算機。這些材料的提供有助于培養(yǎng)學生主動拓展前沿知識信息的欲望，并意識到知識方面的差距，學會矛盾分析，尋找內(nèi)因外因，培養(yǎng)愛國主義及民族工業(yè)責任意識和使命感。

案例4: 微程序控制器的實現(xiàn)

知識點： 從指令取指和執(zhí)行指令過程，到微程序控制器的實現(xiàn)，包括微程序控制元件與狀態(tài)元件的數(shù)據(jù)通路的構成，說明微程序控制器的工作原理、設計技術及實現(xiàn)方法。培養(yǎng)學生求真務實、一絲不茍的職業(yè)精神與工匠品格。

思政融入點：比較AMD和Intel，國內(nèi)CPU仍有差距。但是華為麒麟處理器發(fā)展最快，特別是麒麟Kirin820芯片5G支持基于7nm的架構，包括基于圖形的Cortex-A76cpu內(nèi)核。通過視頻觀看，引出——以光刻機為例，目前納米的芯片光刻能力受制于人，針對美國對華的打壓斷供，比較中國芯與臺積電芯片，促使學生了解中國芯現(xiàn)狀，引導學生思考計算機技術應用中的價值批判和工程倫理道德問題，培養(yǎng)他們學技術做基礎研究的心態(tài)。讓學生意識到只有掌握了核心技術，才能使自己的國家在關鍵技術上有自主權和話語權。學生們在觀看視頻過程中進行小組討論，極大地激發(fā)了他們的愛國熱情及使命感，強烈感受到芯片技術的時間緊迫感。

五、案例教學設計

(一)案例的引出

1.教師活動：

A、提問：我國最快的計算機是什么？

B、提問：神威·太湖之光、天河二號用的什么CPU芯片？

C、提問：你的電腦用的是什么芯片？

D、提問：你的手機用的是什么芯片？

E、提問：生產(chǎn)芯片到底有多難？

2.學生活動

回答與討論。

(二)案例內(nèi)容

1.授課內(nèi)容：

根據(jù)討論提問的結果，學生們會提到我國的神威·太湖之光和天河二號，下面給同學們介紹一下這兩臺超級計算機。

神威·太湖之光超級計算機安裝了40960個中國自主研發(fā)的“申威26010”眾核處理器，該眾核處理器采用64位自主申威指令系統(tǒng)，峰值性能為12.5億億次/秒，持續(xù)性能為9.3億億次/秒。申威由總參謀部第五十六研究所（無錫江南計算技術研究所）設計。

2016年6月20日，在法蘭克福世界超算大會上，國際TOP500組織發(fā)布的榜單顯示，“神威·太湖之光”超級計算機系統(tǒng)登頂榜單之首， 不僅速度比第二名“天河二號”快出近兩倍，其效率也提高3倍；11月14日，在美國鹽湖城公布的新一期TOP500榜單中，“神威·太湖之光”以較大的運算速度優(yōu)勢輕松蟬聯(lián)冠軍；11月18日，我國科研人員依托“神威·太湖之光”超級計算機的應用成果首次榮獲“戈登·貝爾”獎，實現(xiàn)了我國高性能計算應用成果在該獎項上零的突破。

2017年5月，中華人民共和國科學技術部高技術中心在無錫組織了對“神威·太湖之光”計算機系統(tǒng)課題的現(xiàn)場驗收。專家組經(jīng)過認真考察和審核，一致同意其通過技術驗收；11月13日，全球超級計算機500強榜單公布，“神威·太湖之光”以每秒9.3億億次的浮點運算速度第四次奪冠。

2018年11月12日，新一期全球超級計算機500強榜單在美國達拉斯發(fā)布，中國超算“神威·太湖之光”位列第三名。2019年11月18日，全球超級計算機500強榜單發(fā)布，中國超算“神威·太湖之光”排名第三位。

“憑借一套搭載本土自主研發(fā)處理器芯片的世界一流超級計算機系統(tǒng)，中國鞏固了在這一計算機最高領域的領導地位?！薄度A爾街日報》20日稱，“神威·太湖之光”是中國首臺未使用美國芯片技術且運行速度排名世界第一的計算機?！按饲拔涣械谝坏摹旌佣枴褂昧擞⑻貭柟狙邪l(fā)的芯片，而后出臺的一項美國出口禁令使該系統(tǒng)未能獲得升級所需芯片?！?/p>

“天河二號”是由國防科學技術大學研制的超級計算機系統(tǒng)，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居榜首，成為2013年全球最快超級計算機。

2014年11月17日公布的全球超級計算機500強榜單中，中國“天河二號”以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續(xù)第四次獲得冠軍。2015年5月，“天河二號”上成功進行了3萬億粒子數(shù)中微子和暗物質(zhì)的宇宙學N體數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進程 。同時這是當時（至2015年）為止世界上粒子數(shù)最多的N體模擬；11月16日，全球超級計算機500強榜單在美國公布，“天河二號”超級計算機以每秒33．86千萬億次連續(xù)第六度稱雄。2016年6月20日，新一期全球超級計算機500強榜單公布，使用中國自主芯片制造的“神威·太湖之光”取代“天河二號”登上榜首。2018年11月12日，新一期全球超級計算機500強榜單在美國達拉斯發(fā)布，中國超算“天河二號”位列第四名。2019年11月18日，全球超級計算機500強榜單發(fā)布，中國超算“天河二號”排名第四位。

天河2號由16000個節(jié)點組成，每個節(jié)點有2顆基于Ivy Bridge-E Xeon E5 2692處理器和3個Xeon Phi,累計共有32000顆Ivy Bridge處理器和48000個Xeon Phi,總計有312萬個計算核心。

正如《華爾街日報》所說，我國863計劃持續(xù)支持超級計算系統(tǒng)的研發(fā)，但在處理器設計制造方面，相當一段時間都不能擺脫受制于人的局面。2015年4月，美國商務部發(fā)布公告，決定禁止向中國4家國家超級計算機機構出售“至強”(XEON)芯片。當時張云泉在接受《環(huán)球時報》專訪時表示，禁售短期內(nèi)可能造成“天河二號”升級計劃拖延，但長期來看“是倒逼中國推進超算國產(chǎn)化戰(zhàn)略的重要機遇”。

2.教學活動：

主題討論、問題驅(qū)動

3.元素融入：

弘揚民族精神和時代精神的高度，讓學生正確認識到我們國家經(jīng)濟實力以及和發(fā)達國家的差距，樹立起建設強國的信心和決心；喚醒學生民族意識，激勵其奮發(fā)向上，為祖國的科技進步而努力奮斗。

（三）分析講解

重點分析：案例與本講內(nèi)容的關聯(lián)度

本講課的內(nèi)容是“1.2計算機系統(tǒng)的基本組成，1.3 計算機的性能指標”，知識性的教學目標是掌握計算機的基本組成與結構，存儲程序與馮.諾依曼計算機，計算機的各項性能指標，如何評價計算機系統(tǒng)的性能等問題，通過討論世界上最快的計算機引入案例，自然而貼切。

如何達成課程思政預期目標：采取適宜的教學方法和教學模式。

1.教學設計

案例導入使用參與式課堂活動的方法，將學生帶入親身的經(jīng)歷體驗中，通過提問討論的方式引出太湖神威和天河二號，進一步引出龍芯的研制，引出華為手機麒麟芯片，最后通過小視頻展示芯片內(nèi)部結構回答到底有多難。

2.教學方法與模式

案例說明使用講授法，重點介紹太湖神威是自研芯片，天河二號是Intel志強處理器。重點強調(diào)2015年4月，美國商務部發(fā)布公告，決定禁止向中國4家國家超級計算機機構出售“至強”(XEON)芯片。分析此禁售的利與弊，禁售短期內(nèi)造成“天河二號”升級計劃拖延，但長期來看“是倒逼中國推進超算國產(chǎn)化戰(zhàn)略的重要機遇”。進一步的在手機芯片領域華為被美國制裁不斷升級，雖然華為有世界頂級的手機芯片設計能力，但自己不能生產(chǎn)，導致到20.9.14沒有企業(yè)能為其代工生產(chǎn)。

在最后的總結性的講授中，在宏觀背景下將本案例提升到弘揚民族精神和時代精神的高度，讓學生正確認識到我們國家經(jīng)濟實力以及和發(fā)達國家的差距，樹立起建設強國的信心和決心；喚醒學生民族意識，激勵其奮發(fā)向上，為祖國的科技進步而努力奮斗。從我做起，做好自己，實現(xiàn)專業(yè)和職業(yè)理想，小芯片看大世界，這是關乎國家安危的大事件，使得同學們正確認識自主研發(fā)的，自主知識產(chǎn)權的重要性。同時呼吁同學們多用國貨，理性看待進口商品。

六、教學反思

計算機組成原理的課堂、實踐、課程設計環(huán)節(jié)引入思政育人環(huán)節(jié)，將國家榮辱觀、協(xié)同發(fā)展觀、矛盾分析法、社會價值觀等德育元素融入課堂教學中，培養(yǎng)學生們敬業(yè)精神、職業(yè)素養(yǎng)、工匠精神、努力學習的民族使命感和科技興國的遠大抱負，著重通過該學科的核心知識點，引出思政切入點——“中國芯”，通過中國芯片的現(xiàn)狀激發(fā)民族自豪感、緊迫感、報效祖國、服務人民的堅定信念，實踐證明，該課程的思政育人實現(xiàn)了潛移默化、潤物細無聲的育人效果。

今后，我會在此門課程的思政改革上做更多探索，培養(yǎng)具有家國情懷和工匠精神，有民族榮辱觀和使命感的應用型計算機人才。

物聯(lián)網(wǎng)工程教研室供稿

責編：魏東平 審核：董西偉 劉妍