《计算机组成原理》课程思政优秀案例.docx

《计算机组成原理》课程思政优秀案例
一、课程简介
“计算机组成原理”为计算机专业核心课程，作为专业必修课开设于 本科四年学制中的第二学年。是一门理论性、工程性、技术性和实践性都很 强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下的关键性 位置。本课程主要进行与计算机（计算芯片）相关的工作原理讲解，内部运 行机制论证、设计方法传授、组成部件剖析和应用前景介绍。在加深学生对 计算机软、硬件系统的整体化理解的同时，建立起硬件/软件协同的整机概 念，从而形成对学生的计算机系统设计的综合能力育成，以期完成符合国家 战略开展需求的专业型人才培养。
二、思政元素设计
序号
授课知识点
思政元素融入点
教学内容简介
1
三次技术大革命一信息革 命
2016年网络空间平安与信息 化会议讲话
技术大革命证明计算机技术在现代科 技开展中的重要
2
数据、算法、算力的技术演 进范式
国务院2017年《新一代人I： 智能开展规划》
人工智能的基础也是计算机技术的应
用的结果
3
算力增长的方式：分布式、 并行、云计算、CUDA
《2020年国务院政府【:作报 告》提出，重点支持“两新, 重”:新型基础设施建设
计算机相关产业已经成为国家战略的 重要局部
4
计算机的困境
千岛湖数据中心.
新开展理念：绿色
功率已经成为困扰计算机行业的重要 问题，绿色开展势在必行
5
计算机的价值:超级计算机 一太湖之光
家国情怀、民族骄傲 四个自信
计算正朝着规模化、集约化的方向发
展
6
计算机的未来：脑科学、全 连接神经网络、类脑汁算
“四个面向”
计算机未来的开展方向和国家战略方
向
7
芯片制作流程：光刻机原理
家国情怀、「匠精神、产业报
国、时事热点、南开精神
芯片制作的关键环节,为何成为卡脖 子领域和国家战略方向
8
芯片制作流程：工艺、良品 率
智能制造与工业4.0
计算机、芯片行业与智能制造行业的
关系及其重要性
9
吊诡的功率墙：光进铜退、 生物芯片、超导计算、球子
计算
“四个面向”
困扰计算机行业关键问题的可能解决 方向
10
阿姆达尔定律
“四个意识”
阿姆达尔定律证明局部最优难以带来 全局最优
11
MIPS体系结构：自主知识 产权龙芯
“四个面向二卡脖子领域， 国家战略开展要求
我国自主产权龙芯正是基于MIPS开 源结构进行设计,也是本课程目前的 实验平台

11
MIPS体系结构：自主知识 产权龙芯
“四个面向”，卡脖子领域， 国家战略开展要求
我国自主产权龙芯正是基于MIPS开 源结构进行设计，也是本课程目前的 实验平台
12
计算机设计方法：科研方法
在中央党校（国家行政学院） 中青年干部培训班开班式上 的讲话
计算机设计的方法也在于：方向先行、 相关调研、科学决策、设计规划、异 常处理、真实价值、落实执行
13
计算机设计方法
工匠精神、社会主义核心价值 观、南开精神
技术路径中的难点与关键
14
计算机设计方法：不断迭代 的设计方法
守初心、担使命、找差距、抓 落实
把握方向，明确目标，定位问题，逐 一解决
15
CISC—越加丰富的指令
人类与计算机的语言、汉字和 汉语词汇数量：文化自信与人 文素养
复杂指令集CISC更像大多数人类的 语言
16
RISC—精炼的组合语言
斯瓦迪土核心词汇：人文素养
精简指令集RISC那么选择了较为高频 的少数词汇，复杂词汇用简单词汇来 构建

17
RISC一应用：通用计算机可 能存在的ME后门
2020年9月在科学家座谈会 上的重要讲话精神，”四个面 向”和“自主创新”。
基于RISC核的超微型计算机
18
计算机的各种指令集处理 器芯片的设计：RISC-V
习总书记在首届中国国际进 口博览会开幕式上的主旨演 讲
开放的指令集才更有生命力
19
计算机编码：GBK字符集 与输入法
中国第一块汉卡 文化自信
字符、字符集、字库、输入法的区别 和概念
20
大型常数处理
本福特定律：科学素养与大数 据应用
计算机是如何处理超过单次运算规模 的数据
21
R型指令：十六进制
中国古代进制：人文素养与文 化自信
以十六进制编制指令的原因和必要性
22
子过程
手过程调用流程：古诗对照记 忆，人文素养
r过程调用重点在于现场的记录和恢 复保存，以及返回地址
23

快递代收点例子：2018年国 务院“推行绿色消费，出台快 递业、共享经济等新业态的规 范标准”
实时编译与热点编译
24
计算的溢出
马里亚纳5号与我国长征系 列运载火箭：“四个自信”与 家国情怀
计算机基于硬件的计算可能导致溢出 问题，必须进行处理否那么后果严重
25
计算机的设计缺陷
Intel FDW 快速乘法表引
发的bug：仔脖子领域与国家 战略需求
快速算法的设计必须进行严谨的验 证，计算机芯片级别的缺陷代价极高
26
单周期CPU实现
我国第一台电子计算机103： 民族自豪感和自信心
简单的单周期CPU设计
27
CPU流水线原理
兵马俑：文化自信
流水的加工模式自古已有
28
CPU流水线原理
近代工业重要方法：科学精神
时空效率的综合挖掘
29
CPU流水线原理
福特汽车：智能制造、工业
4.0
流水线的实施效能证明
30
加速比与流水线分级
Prescott 奔 4 3.8GHz：思辨精 神，《辩证唯物主义是中国共 产党人的世界观和方法论》
CPU主频不在提升受制于功率，而流 水线与功率密切相关
31
分支预测
使用神经网络预测电路是否 可行？： “四个面向”
极短窗口的CPU决策时间无法使用 神经网络等复杂算法
32
CPU陷藏BUG
某厂商CPU隐藏漏洞PTI： 2020年10月“中国共产党第 十九届中央委员会第五次全 体会议”
自主知识产权的重要性与自主创新

33
异常与中断
UNIX后门：
自主知识产权、自主可控、安 全可信、宪法法治意识
异常与中断主要用以支持各种操作系 统的应用需求
34
DRAM芯片特征
易失性存储器与信号残留：网 络空间平安
易失性存储器也会存在信号残留现 象，因为电子的逃逸也需要过程
35
未来的FLASH芯片：磁阻、 相变、铁电
“四个面向”
各种高新技术都会将FLASH推向存 储器的核心地位
36
虚拟化技术：虚拟化技术本 质是增强设备利用率，属丁 网络空间的基础性支撑技 术
《2020年国务院政府工作报 告》提出，重点支持“两新一 重\新型基础设施建设
虚拟机和虚拟存储器
37
存储器层次结构
微积分的分层处理方法，科研 方法论，培养学生的科学精神 和交叉学科关联思维。
储存器的分层原那么和好处
38
磁盘冗余阵列
大量磁盘的应用主要是在被 5G支撵的云机房，也是服务 于云计算，他们都是服务于•新 基建：“四个面向”
磁盘冗余阵列主要为了保证平安性和 可靠性
39
期末考试
选择国产龙芯芯片和华为觑 麟芯片进行分析，国产知识产 权与自主创新：“四个面向”
计算机设计与芯片设计分析

三、典型教学案例
案例名称：革命性的技术一计算机及其价值与国家开展战略
教学理念：以思政元素作为论据、佐证和延伸性说明，进入案例。
教学方法：以层层论证的方式进行课堂讲授的同时，潜移默化的引入思政 元素。
教学内容：以“计算机的价值到底在何处？ ”为问题开篇，列举多个计算 机应用场景作为铺垫，引起学生的思考和讨论，该开放式问题可以收获诸多答 案。
对第一个问题不做明确回答，继而进行第二次提问“计算机被称为革命性 技术，此处的革命性应当就是针对它的价值所言，那么这个革命性又指什么革 命呢？ ”学生此处应议论纷纷，但没有明确答案。
此时，引入2016年的《习近平：在网络平安和信息化工作座谈会上的讲 话》中关于社会开展史与技术大革命的相关内容，以唯物史观进行分析，生产 力、生产关系、社会开展形态变化的变化过程。继而将问题引向技术在推进生 产力中的重要作用。同时鼓励学生们课后像课上这样去研究相关讲话。
问题此时归结于信息革命的标志性技术和关键就是计算机网络技术，此处 再次提出篇首的问题“计算机的价值到底在何处？ ”此时应该得到结论，计算 机的价值在于强大的计算能力。
此时可进行国务院2017年《新一代人工智能开展规划》介绍，说明当前国 家对于人工智能的战略定位，然后抛出下一个问题“数据-算法-算力被认为是 人工智能时代的标准思维模式和方法论，请问从今天的技术开展情况来看，三 者哪一个更为重要？ ”学生们应该议论纷纷各执一词。
然后逐一进行分析，证明在三者都很重要，回顾深度学习方法的开展历 史，说明但目前人工智能的主要矛盾在于算力瓶颈，再次提问“由此考虑，计 算机的价值在算力上，那么面临目前的困境的计算机开展的方向应当攻克哪些 问题呢？ ”此时将收集学生讨论结果，上黑板后，逐一分析和点评，最后得到 结论一一计算机的价值在于可以大规模而又稳定的算力。所以本课程知识组织 的核心技术指标顺势推出即“时间”，而追求时间指标前提便是稳定。大规模 那么是将计算机进行连接获得的效果，由后续课程计算机网络进行研究和讨论。
后续案例可以安排涉及国家“新基建”部署的分布式、并行、云计算、 CUDA的算力增长案例，代表绿色开展的阿里巴巴的千岛湖数据中心的计算机困 境案例，传递家国情怀的超级计算机一太湖之光的计算机价值案例，或者关注 “四个面向”的脑科学、全连接神经网络、日本国家超算一富岳、类脑计算的 计算机未来案例。
教学方法创新：层层论证，环环相扣，启发式教学，引导学生自己形成结 论。
实施效果与意义：根据课后反应，本案例的实施起到了较好的效果，让学 生在对于国家的战略方针有了一定的了解，并且对于“两个维护”的必要性有 了一定潜移默化的影响，认识到了组织的权威性和科学性。同时对于课程内容 本身有了较好的掌握，对于学习课程的目标和本课程未来研究的技术走向和知 识目标有了初步的认识。