一、课程简介

《计算机组成原理》是计算机类专业的一门专业主干课程, 在培养学生的创新思维、计算机系统分析能力和工程设计能力方面占有重要的地位，是掌握计算机系统基本组成、数值表示方法、硬件工作原理的必修课，是授课对象几乎涵盖计算机相关学科的专业课程，为计算机类专业学生进一步研究和从事计算机应用开发和工程实践提供良好的基础。

针对计算机组成原理的课程特点，把课程中的技术理论与实际应用相结合，在课堂、实践、课程设计环节引入思政育人环节，将国家荣辱观、协同发展观、矛盾分析法、社会价值观等思政元素融入课堂教学中，挖掘课程中关于社会主义核心价值观的相关因素，融入爱国思想教育，让课程教学与思政教育完美结合。

二、案例基本信息

1.案例名称：“芯”梦想，致青春——思政融入“中国芯” 教学实践

2.对应章节：思想政治教育内容结合的教学课程章节：“第一章 计算机系统概论”、“第三章 存储系统”、“第四章指令系统”与“第五章中央处理器”。这四章均与芯片有着密切的联系，针对当今美国对华芯片 “断供”的时代背景，是进行职业素质、工匠精神和爱国主义教育的最切合实际的切入点。

3.课程讲次：4次

三、案例教学目标

《计算机组成原理》是计算机类相关专业的一门核心专业基础课，是培养“中国芯”人才的必修课。为了守好“课堂育人”这段渠，将思政建设与培养“中国芯”人才有机融合，教学目标包含知识、能力、素质三个维度，在三维教学目标体系中，选取典型的四个案例作为专业知识，注重培养学生硬件系统分析能力、内部工作机制与指令执行过程，了解芯片工艺流程，嵌入整体与局部、内因与外因等方法论与价值观，结合敬业精神、职业素养、工匠精神、努力学习的民族使命感和科技兴国的抱负，分别从教学目标、教学内容与教学理念和教学创新等方面全方位将育人元素融入专业课堂。

四、案例主要内容

本课程实坚持“传授”专业知识为主体，思政教育“潜入”专业知识，做到润物细无声，以培养学生强建“中国芯”为核心，凭借“微程序控制器设计”的能力培养为支撑。在此选取四个典型案例，阐述本课程的思政融入的教改方案：

案例1: 计算机系统概论

从计算机系统结构角度去分析计算机的各大组成部分，从而引出计算机系统以存储器为中心，在控制器的控制下完成任务，每个部分都是个体，构成团队或者国家的切入点，引导学生培养团队、国家的荣辱观和同心同德的精神。

而对于计算机软、硬件之间的关系，当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响，不同类型的软件对硬件有不同的要求，从而形成软硬件协同的系统观：相互依存、逻辑等效性、协同发展的价值观和方法论。

案例2:DRAM芯片工作原理

提出问题：“DRAM芯片与SRAM芯片异同点是什么？DDR系列内存的性能特点？“。利用视频和PPT课件，带着学生回顾DRAM的工作原理，指出DRAM为什么要刷新，讲述DRAM芯片与内存条之间的关系。

思政融入点：讲述长鑫存储突破三星、镁光、海力士三大阵营滴水不漏的防备，在2019 年 9 月 19 日，合肥长鑫存储宣布自主研发的8Gb DDR4 芯片正式量产，采用 19 纳米工艺打造，这是继长江存储打破全球 3D NAND 垄断后，DRAM 市场也被长鑫存储以水滴石穿的毅力，硬生生劈出一条缝来。之后长鑫存储又紧锣密鼓研制成功18.5纳米DRAM，而18.5nm只差最先进的1β两代，意味着从量产的层面，国产DRAM和世界最领先的工艺差距从5代缩短到两代。18.5nm的量产意味着24年开始，长鑫将成为所有国产手机厂商的一供，所有的产能将被提前承包。供应链的国产化替代也将持续推进，高科技产业的供应链将更加安全。通过这个事迹告诉学生，无论怎样滴水不漏的防备，努力和毅力仍是有水滴石穿的一天。

案例3:从CISC到RISC指令系统设计

提出问题：“CISC指令如何在CPU上执行？CPU如何实现RISC指令？”。带着学生回顾RISC指令。举例RISC指令的执行过程——以加法为例：add rd,rs,rt. 讲解操作元件和存储元件的两类芯片，引入国内最大的NANDFlash厂和DRAM厂，得出结论：CPU的设计与计算机性能的关系。

思政融入点：我国计算机事业的拓荒者——华罗庚留学期间参观了世界上第一台计算机ENIAC，不久回国并组建研究团队。从建国之初克服万难，自行设计指令系统，诞生我国第一台计算机，发展到现在世界领先的我国高端超高速高性能计算机—天河系列、神威系列。课程以实例显示建国之初华罗庚组建的以夏培肃为主的计算机研发团队的艰苦设计过程以及我国现在世界领先的神威系列超级计算机。这些材料的提供有助于培养学生主动拓展前沿知识信息的欲望，并意识到知识方面的差距，学会矛盾分析，寻找内因外因，培养爱国主义及民族工业责任意识和使命感。

案例4: 微程序控制器的实现

知识点： 从指令取指和执行指令过程，到微程序控制器的实现，包括微程序控制元件与状态元件的数据通路的构成，说明微程序控制器的工作原理、设计技术及实现方法。培养学生求真务实、一丝不苟的职业精神与工匠品格。

思政融入点：比较AMD和Intel，国内CPU仍有差距。但是华为麒麟处理器发展最快，特别是麒麟Kirin820芯片5G支持基于7nm的架构，包括基于图形的Cortex-A76cpu内核。通过视频观看，引出——以光刻机为例，目前纳米的芯片光刻能力受制于人，针对美国对华的打压断供，比较中国芯与台积电芯片，促使学生了解中国芯现状，引导学生思考计算机技术应用中的价值批判和工程伦理道德问题，培养他们学技术做基础研究的心态。让学生意识到只有掌握了核心技术，才能使自己的国家在关键技术上有自主权和话语权。学生们在观看视频过程中进行小组讨论，极大地激发了他们的爱国热情及使命感，强烈感受到芯片技术的时间紧迫感。

五、案例教学设计

(一)案例的引出

1.教师活动：

A、提问：我国最快的计算机是什么？

B、提问：神威·太湖之光、天河二号用的什么CPU芯片？

C、提问：你的电脑用的是什么芯片？

D、提问：你的手机用的是什么芯片？

E、提问：生产芯片到底有多难？

2.学生活动

回答与讨论。

(二)案例内容

1.授课内容：

根据讨论提问的结果，学生们会提到我国的神威·太湖之光和天河二号，下面给同学们介绍一下这两台超级计算机。

神威·太湖之光超级计算机安装了40960个中国自主研发的“申威26010”众核处理器，该众核处理器采用64位自主申威指令系统，峰值性能为12.5亿亿次/秒，持续性能为9.3亿亿次/秒。申威由总参谋部第五十六研究所（无锡江南计算技术研究所）设计。

2016年6月20日，在法兰克福世界超算大会上，国际TOP500组织发布的榜单显示，“神威·太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首， 不仅速度比第二名“天河二号”快出近两倍，其效率也提高3倍；11月14日，在美国盐湖城公布的新一期TOP500榜单中，“神威·太湖之光”以较大的运算速度优势轻松蝉联冠军；11月18日，我国科研人员依托“神威·太湖之光”超级计算机的应用成果首次荣获“戈登·贝尔”奖，实现了我国高性能计算应用成果在该奖项上零的突破。

2017年5月，中华人民共和国科学技术部高技术中心在无锡组织了对“神威·太湖之光”计算机系统课题的现场验收。专家组经过认真考察和审核，一致同意其通过技术验收；11月13日，全球超级计算机500强榜单公布，“神威·太湖之光”以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度第四次夺冠。

2018年11月12日，新一期全球超级计算机500强榜单在美国达拉斯发布，中国超算“神威·太湖之光”位列第三名。2019年11月18日，全球超级计算机500强榜单发布，中国超算“神威·太湖之光”排名第三位。

“凭借一套搭载本土自主研发处理器芯片的世界一流超级计算机系统，中国巩固了在这一计算机最高领域的领导地位。”《华尔街日报》20日称，“神威·太湖之光”是中国首台未使用美国芯片技术且运行速度排名世界第一的计算机。“此前位列第一的‘天河二号’使用了英特尔公司研发的芯片，而后出台的一项美国出口禁令使该系统未能获得升级所需芯片。”

“天河二号”是由国防科学技术大学研制的超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为2013年全球最快超级计算机。

2014年11月17日公布的全球超级计算机500强榜单中，中国“天河二号”以比第二名美国“泰坦”快近一倍的速度连续第四次获得冠军。2015年5月，“天河二号”上成功进行了3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学N体数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程 。同时这是当时（至2015年）为止世界上粒子数最多的N体模拟；11月16日，全球超级计算机500强榜单在美国公布，“天河二号”超级计算机以每秒33．86千万亿次连续第六度称雄。2016年6月20日，新一期全球超级计算机500强榜单公布，使用中国自主芯片制造的“神威·太湖之光”取代“天河二号”登上榜首。2018年11月12日，新一期全球超级计算机500强榜单在美国达拉斯发布，中国超算“天河二号”位列第四名。2019年11月18日，全球超级计算机500强榜单发布，中国超算“天河二号”排名第四位。

天河2号由16000个节点组成，每个节点有2颗基于Ivy Bridge-E Xeon E5 2692处理器和3个Xeon Phi,累计共有32000颗Ivy Bridge处理器和48000个Xeon Phi,总计有312万个计算核心。

正如《华尔街日报》所说，我国863计划持续支持超级计算系统的研发，但在处理器设计制造方面，相当一段时间都不能摆脱受制于人的局面。2015年4月，美国商务部发布公告，决定禁止向中国4家国家超级计算机机构出售“至强”(XEON)芯片。当时张云泉在接受《环球时报》专访时表示，禁售短期内可能造成“天河二号”升级计划拖延，但长期来看“是倒逼中国推进超算国产化战略的重要机遇”。

2.教学活动：

主题讨论、问题驱动

3.元素融入：

弘扬民族精神和时代精神的高度，让学生正确认识到我们国家经济实力以及和发达国家的差距，树立起建设强国的信心和决心；唤醒学生民族意识，激励其奋发向上，为祖国的科技进步而努力奋斗。

（三）分析讲解

重点分析：案例与本讲内容的关联度

本讲课的内容是“1.2计算机系统的基本组成，1.3 计算机的性能指标”，知识性的教学目标是掌握计算机的基本组成与结构，存储程序与冯.诺依曼计算机，计算机的各项性能指标，如何评价计算机系统的性能等问题，通过讨论世界上最快的计算机引入案例，自然而贴切。

如何达成课程思政预期目标：采取适宜的教学方法和教学模式。

1.教学设计

案例导入使用参与式课堂活动的方法，将学生带入亲身的经历体验中，通过提问讨论的方式引出太湖神威和天河二号，进一步引出龙芯的研制，引出华为手机麒麟芯片，最后通过小视频展示芯片内部结构回答到底有多难。

2.教学方法与模式

案例说明使用讲授法，重点介绍太湖神威是自研芯片，天河二号是Intel志强处理器。重点强调2015年4月，美国商务部发布公告，决定禁止向中国4家国家超级计算机机构出售“至强”(XEON)芯片。分析此禁售的利与弊，禁售短期内造成“天河二号”升级计划拖延，但长期来看“是倒逼中国推进超算国产化战略的重要机遇”。进一步的在手机芯片领域华为被美国制裁不断升级，虽然华为有世界顶级的手机芯片设计能力，但自己不能生产，导致到20.9.14没有企业能为其代工生产。

在最后的总结性的讲授中，在宏观背景下将本案例提升到弘扬民族精神和时代精神的高度，让学生正确认识到我们国家经济实力以及和发达国家的差距，树立起建设强国的信心和决心；唤醒学生民族意识，激励其奋发向上，为祖国的科技进步而努力奋斗。从我做起，做好自己，实现专业和职业理想，小芯片看大世界，这是关乎国家安危的大事件，使得同学们正确认识自主研发的，自主知识产权的重要性。同时呼吁同学们多用国货，理性看待进口商品。

六、教学反思

计算机组成原理的课堂、实践、课程设计环节引入思政育人环节，将国家荣辱观、协同发展观、矛盾分析法、社会价值观等德育元素融入课堂教学中，培养学生们敬业精神、职业素养、工匠精神、努力学习的民族使命感和科技兴国的远大抱负，着重通过该学科的核心知识点，引出思政切入点——“中国芯”，通过中国芯片的现状激发民族自豪感、紧迫感、报效祖国、服务人民的坚定信念，实践证明，该课程的思政育人实现了潜移默化、润物细无声的育人效果。

今后，我会在此门课程的思政改革上做更多探索，培养具有家国情怀和工匠精神，有民族荣辱观和使命感的应用型计算机人才。

物联网工程教研室供稿

责编：魏东平 审核：董西伟 刘妍