教育教学

教育教学

0 引 言

新时代对高等院校人才培养提出了更高的要求。如何在新时代背景下培养国家和社会所需要的德才兼备人才成为当今教学改革中的热点话题。传统上专业课程主要完成专业知识讲授,兼顾职业道德教育的方式不能充分地满足新时代对大学生树立正确世界观、价值观、人生观,掌握正确思维方法的要求。发展课程思想政治教育,改进专业课程教学方法,在专业知识传授的同时融入思想政治课程中所学的基本原理和方法,成为专业课程教学改革的重要研究内容之一[1-2]。

计算机组成课程是计算机科学与技术及其相关专业的核心课程之一,是构建计算机科学与技术专业知识框架的基础支撑课程,在计算机类课程体系中处于承上启下、合纵连横的关键位置。计算机相关专业的学生有必要系统和深入地学习,以便为进一步学习其他专业课程奠定良好的基础。如何改进计算机组成课程的教学方法,提高计算机组成课程的教学效果,一直是计算机组成教学改革中的重要关注点[3-5]。

计算机相关专业的学生处于学习的最佳阶段,学习能力强,创新能力佳,能够在专业课学习过程中迅速掌握相关专业知识和技能,成为未来我国计算机系统软硬件核心技术升级的骨干力量。如何对蓬勃向上的青年学子积极引导,弘扬社会主义核心价值观和正能量,是高等教育尤其是计算机相关专业培养政治可靠、素质优秀的专业人才,需要重点探讨和研究的课题。计算机组成课程的具体教学过程中,应该以社会主义核心价值观为灵魂和主线,以专业技能知识为载体,深入挖掘课程蕴含的思想政治教育资源,将思想政治教育融入本课程教学过程。

1 计算机组成课程思政目标

开展课程思政教育的总目标是引导大学生树立正确的世界观、价值观、人生观,培养他们运用正确思维方法分析和解决问题的能力。具体到专业课程,课程思政的目标应该与专业课程内容结合起来,确定更为细致、具体的目标。对于计算机组成课程而言,可以细化为引导学生思考认识计算机组成的系统论、设计方法学、发展规律、价值评判等问题,锻炼学生运用从思想政治课程中学到的唯物主义辩证法分析和解决问题的能力,构建符合社会主义核心价值观的关于计算机组成课程专业知识的世界观、价值观和人生观。

1.1 计算机组成的系统论

计算机组成课程的一个主要目标就是要让学生了解计算机的基本组成和工作原理,包括计算机硬件的基本架构、组成部件及其运作机制,以及计算机硬件与软件的相互关系。这要求学生从系统的角度理解计算机的组成,从整体上把握计算机系统各个部分的功能,分析各个部分的关系和作用,形成关于计算机组成的系统论。在学习过程中,学生可以运用思想政治课程中学习到的唯物主义辩证法,指导自己对计算机组成各个概念及其联系的理解和把握,从而培养全面、系统和辩证地分析和解决问题的能力。

1.2 计算机组成的设计方法学

计算机组成课程另一个主要目标是让学生掌握计算机硬件,尤其是CPU的设计方法,包括指令集架构的设计、运算器的设计、控制器的设计、指令流水线的设计、存储器的设计、外围设备接口的设计等。在设计过程中,学生会学习和领会如何在硬件资源、功能等条件的约束下,选择合适的设计方案,尽量优化性能、成本等设计目标。这又是一个锻炼学生运用唯物主义辩证法基本原理和方法的能力的大好机会。

1.3 计算机组成的发展规律

作为工程技术之一,计算机组成技术遵循工程技术发展的一般规律,同时也有其本身鲜明的特点。在摩尔定律的推动下,计算机技术呈指数式爆发增长,发展速度令人眩目。引导鼓励学生运用从思想政治课程中学到的唯物主义辩证法,分析计算机组成技术的发展规律,掌握计算机组成技术的发展特点,一方面有利于帮助学生理解计算机组成课程专业知识,另一方面也有利于帮助学生更深入地理解和掌握思想政治课程中学到的基本原理和方法,正确地认识和把握计算机技术的发展趋势。

1.4 计算机组成的价值评判

计算机已经深刻改变了人类的生产和生活方式,并在可见的未来仍然会继续促进人类社会的发展和变革。在这个过程中,计算机技术起到的主要作用是正面和积极的,但存在和潜在的负面影响,如恶意软件和病毒、年轻人沉迷于电脑游戏和互联网虚拟世界等,也引起了人们的担忧。2018年微处理器芯片的龙头厂商Intel公司的CPU接连被曝光硬件设计漏洞,引发了人们对信息安全的广泛关注和讨论。引导学生思考计算机技术应用中的价值评判和工程伦理道德问题,有利于培养他们对于计算机技术服务大众、服务社会、服务全人类的正确价值观。

2 计算机组成课程思政方法

根据计算机组成课程思想政治教育的目标,结合计算机组成课程的专业知识内容和教学方式,需要采取合适的方法将思想政治教育内容融入专业知识的传授中。按照马克思主义认识论,要达到计算机组成课程思想政治教育的目标,一方面要有科学理论的指导,也就是辩证唯物主义;另一方面要坚持实践出真知,避免僵化教条的说教。计算机组成课程专业知识涉及面广,内容丰富,同时发展日新月异,不断有新的技术实践产生,为引导学生进行理论思考和探讨提供了大量的素材和资料,因此借助丰富的素材和资料,运用科学的思维方法对这些材料进行加工,从感性到理性,从部分到整体,从具体到抽象,从特殊到一般,可以作为计算机组成课程思政的基本方法。

2.1 计算机组成课程的教学安排

计算机组成课程安排在大二下学期,对所有计算机类及相关专业学生开设。教学总课时96,其中课堂教学48课时,小班讨论每班16课时,课程实验每班32课时。

小班讨论是本课程特色之一[6],从以往教学实践来看,小班讨论是一个很好促进教师和学生以及学生之间交流的切入点。通常小班讨论的题目选自课程内容中的重点、难点和热点问题,如摩尔定律、RISC设计思想、指令流水线设计中的问题、乱序执行—按序完成的原理与机制、高速缓存设计中的选择与权衡、CPU漏洞与信息安全、中兴华为事件与芯片自主可控等。显然,小班讨论也是计算机组成课程思政一个很好的切入点,可以在小班讨论中设置一些相关的问题引导学生进行思考和讨论。

2.2 计算机组成课程的思政结合点

计算机组成课程的专业知识内容主要包括计算机系统概述、指令集架构、数据表示和运算方法、CPU设计、存储器和存储层次、外存储器和输入/输出(I/O)接口等。教师可以选择其中比较合适融入课程思政的结合点,确定相关的课程思政目标、原理及教学方法。表1计算机组成课程思政的结合点。

总的来看,由于计算机组成的专业知识内容丰富、涉及面广,为课程思政提供了不少结合点,教师可以根据教学进度选择若干结合点开展课程思政工作。当然,表1列出的结合点不可能完全覆盖计算机组成课程中可能融入思想政治教育的切入点,进一步研究和完善计算机组成课程思政与专业知识的结合点是应该长期坚持的工作。

2.3 计算机组成课程的思政实践

在计算机组成课程思政的实践上,可以根据课程思政的结合点,在课堂讲授、课程实验、小班讨论等各个教学环节中开展课程思政教育。

首先,有些课程思政结合点,如摩尔定律、冯•诺伊曼体系结构、芯片制造过程、RISC设计思想等,一方面本身是计算机组成课程的重点或难点内容,属于必学部分;另一方面,这些结合点的讲授通常会涉及计算机组成的原则思想和发展历程,可以提炼抽象到方法学、价值观等层次,便于在课堂讲授时引导学生思考,对于其中的难点内容,还可以在小班讨论中进一步探讨。

其次,时事热点也是常常选做课程思政结合点的内容,并通常以小班讨论题目的形式加入课程教学中。例如,2018年以来,随着中美贸易摩擦加剧,中兴华为事件的爆发使得学生更多关注相关产业动态以及我国的应对策略和措施,对于计算机组成课程思政而言是一个很好的时机。笔者在2018—2019学年春季学期的计算机组成课程中增加了有关中兴华为事件的小班讨论。

最后,课程实验是计算机组成课程教学不可或缺的环节,也是课程思政的一个重要环节。在课程实验中,学生通过实际的软硬件设计能更好地理解计算机系统的运作机制,对计算机组成的系统论、设计方法学有直观的了解,因此笔者在课程实验中设置了软硬件结合、利用开源工具构建完整设计—测试流程等方面的内容[7-8]。

计算机组成课程思政的效果可以通过学生的小班讨论报告、实验报告、课堂反应和平时交流进行评估。从学生小班讨论报告和实验报告来看,学生在摩尔定律、流水线设计中的问题、CPU漏洞与信息安全、中兴华为事件与芯片自主可控等方面表现积极,效果较好。一方面是由于这些内容或者是教学重点,讲解比较详细,或者是时事热点,学生本身比较关注,因此学生对相关内容比较熟悉,可以深入讨论;另一方面这些内容涉及计算机组成基本设计思想、发展历程和热点事件,有利于学生运用思想政治课程中学到的基本原理和方法分析和讨论其中问题。

其他的讨论和实验题目,包括RISC设计思想、浮点数表示和误差积累问题、乱序执行—按序完成的原理与机制、高速缓存设计中的选择与权衡等,效果相对于前面几个讨论题目要逊色一些。原因可能一方面是这些内容偏具体化,属于计算机组成设计中比较细节的内容,进行提炼抽象比较难;另一方面是这些内容是教学难点,学生缺乏相关经验,难以深入理解其内容,也就难以进行有效的思考和讨论。从课堂反应和平时交流来看,也印证了小班讨论的情况,学生对自己能理解和关注的话题反应热烈一些,对尚未深入了解的话题反应就平淡得多。

总的来说,课程思政起到了正面积极的效果,初步实现了课程思政目标。从中兴华为事件学生热烈的讨论和积极向上的情绪可以直接感受到他们的爱国心、正义感和振兴中华、造福人类的理想与情怀。

3 计算机组成课程思政探讨

在计算机组成课程思政实践过程中,有不少问题和可改进之处,概括来说主要包括:①课程思政的理论指导;②课程思政的教师培训和交流机制;③课程思政的评估和完善机制。

3.1 计算机组成课程思政的理论指导

要做好课程思政,必须深入探索课程专业知识中与思想政治教育的结合点。这方面可以借鉴计算机科学哲学或技术哲学方面的研究成果,但对于计算机组成课程而言,计算机科学哲学或技术哲学的研究成果往往偏向软件、算法、逻辑等方面,极少涉及计算机硬件组成结构的系统论、设计方法学、发展规律、价值评判等方面,需要相关研究人员或教师深入研究,丰富相关研究成果,从而为计算机组成课程思政提供强有力的理论指导。

3.2 计算机组成课程思政的教师培训和交流机制

课程教师是课程专业知识和课程思政教育的执行人。教师本身如果都没有形成正确的认识,那么无疑是难以胜任课程思政任务的。加强教师培训和交流,建立长效机制,使计算机组成课程教师能有机会学习到新的课程思政理论研究成果,运用到课程思政实践中,并通过与其他教师交流,包括思政课程教师以及课程思政研究人员,不断提高自己的课程思政能力,有利于达到期望的课程思政效果。

3.3 计算机组成课程思政的评估和完善机制

课程思政的效果评估目前缺乏量化指标。在计算机组成课程思政的实践中采用小班报告、课堂反应和平时交流的方式评估课程思政效果,偏于主观化。小班讨论报告直接针对讨论题目,可以直接地看到所有学生对于所讨论问题的看法,不过由于是书面报告,学生之间可能相互参考,自觉不自觉地向某个“标准答案”靠近,不一定能客观反映学生自己的观点。相反,课堂反应和平时交流可以观察到学生的态度,从而直观地感受学生的内心想法,不过课堂反应和平时交流的情况转瞬即逝,难以搜集整理,也容易受教师主观判断的影响。如何建立课程思政效果的量化评估指标,并运用相应的计算分析手段反馈和提高课程思政效果是值得研究的。

4 结 语

在计算机组成课程中进行课程思政的实践,从学生的讨论报告、课堂反应和平时交流来看,取得了明显效果,初步达到了课程思政的目标。计算机组成课程思政的理论指导、教师培训和交流、课程思政效果评估和完善机制等问题也得到了探讨和解决。接下来,笔者拟先对课程思政效果评估方法和指标问题开展研究,逐步改善计算机组成课程思政工作和提高效果。


参考文献:

[1] 周茂丽, 苟超群. 如何做好新设专业学生思想政治教育工作: 以高校新设数字媒体技术专业为例[J]. 计算机教育, 2009(6): 104-107.

[2] 窦本年, 许春根, 金晓灿. 密码学课程中的人文素质教育[J]. 计算机教育, 2019(3): 1-3, 7.

[3] 兰勇, 张朝阳, 王伟, 等. 计算机组成原理教学改革探索与实践[J]. 计算机教育, 2019(1): 13-15, 20.

[4] 刘向举. 关于提高计算机专业核心专业课程教学效果的探讨: 以计算机组成原理课程为例[J]. 计算机教育, 2019(1): 5-8.

[5] 刘彦, 赵欢, 杨科华, 等. 新工科背景下成果导向的计算机系统课程教学改革[J]. 计算机教育, 2019(7): 1-4, 9.

[6] 黄丽达, 赵欢, 杨科华, 等. 计算机组成与结构课程教学的探讨与实践[J]. 计算机教育, 2016(10): 141-144.

[7] 彭蔓蔓, 吴强, 李建江. 软硬件协同的计算机组成课程实验[J]. 计算机教育, 2018(7): 151-154.

[8] 吴强, 彭蔓蔓, 李建江. 基于开源EDA软件的CPU设计实验[J]. 计算机教育, 2018(8): 156-159.


基金项目:湖南大学教育教改项目“计算机组成与设计课程思政建设”(531111000002)。

第一作者简介:吴强,男,副教授,研究方向为异构计算,wuqiang@hnu.edu.cn。


(完)