STU课程思政案例13 | 蔡玲如：计算科学导论

一、课程简介

本课程以数据处理为主线，介绍计算机科学与技术的基础理论与内容，内容包括计算机发展史、软硬件基础，通信与网络，数据处理加工等。

专业培养目标包括：

1.了解计算机学科历史发展；

2.掌握计算机软硬件基础、计算机网络和编程技术的基本概念和知识；

3.培养学生问题求解能力、系统设计能力和团队协作能力。

课程思政目标：

1.培养学生的国家使命感和民族自豪感；

2.激发学生对计算机科学的兴趣和热爱，展示学科魅力；

3.培养学生树立科技报国的使命担当，精益求精的工匠精神以及具备良好的职业道德。

二、教学方法

思政元素挖掘方法：“博古通今看发展”。

讲好计算机发展的“历史故事”，结合专业知识点对相关时政要闻进行“讨论引导”，“分享点评”学科研究科技新发展激发学生对专业的兴趣和热爱。

教学方法：多角度全程融入，学—思—践—悟。

1.通过案例引入，强化知识点，让学生“学”思政；

2.通过互动，“讨论引导”“分享点评”，让学生在“思”思政；

3.通过课后调研作业，让学生自己去“践”思政；

4.潜移默化，让学生“悟”思政，内化为学习的动力和目标。

三、课程内容

章节	第二章
知识点	思政要点	案例名称
四大功能部件	道路自信	案例1. 太湖之光 案例2. 第一个商用微处理器芯片
科技报国
计算机体系结构	工匠精神	案例3. 华为芯片困局 案例4. “中国体系”缓解芯片困局
民族自信
专业热爱

四、教学组织过程

（一）第1学时

1.设计情景引出问题（10分钟，问题引导）

情境：生活中我们如何完成任务?（比如妈妈给个清单让你到超市买东西）

清单——程序

购买——运行

问题：拼装一台电脑需要哪些零部件?

CPU——处理器（运算器、控制器）；显卡——协处理器；主板——总线；内存——存储器；硬盘——外存；鼠标键盘——输入；显示器——输出......

（对所需的零部件按照功能进行分类，引出五大功能部件）

2.冯诺依曼与计算机（20分钟，讲授分享）

（1）计算机四大功能部件；

（2）冯诺依曼体系结构特点；

（3）计算机发展简史。

案例1：太湖之光

（1）指令系统

（2）处理器

申威SW26010（太湖之光）：中国首个采用国产自研架构且性能达到世界一流的计算机芯片。

（3）操作系统：国产系统神威睿思（RaiseOS 2.0.5），基于Linux开源代码，神威睿思操作系统主要应用于高性能计算与安全两个领域。

思政要点：太湖之光的意义，自主研发，激发学生的四个自信；从科技落后则不断被“卡脖子”，激发学生的爱国情怀和科技报国的热情。

3.程序储存原理（5分钟， 课堂讲授）

通过分析代码和数据的区别，引出程序存储原理的意义

问题:如何区分存储在计算机里的是程序还是数据？（程序决定，程序员的重要性）

4.冯诺依曼结构（10分钟， 课堂讲授）

问题:目前大部分计算机都属于冯诺依曼结构，那有什么特点？局限性是什么？如何改进？

案例:引入量子计算机，分享我国第一台量子计算机——九章量子计算机，点到为止，引起学生兴趣，让学生查阅资料作报告，可以作为额外加分作业，激发学生的民族自豪感和专业兴趣。

（二）第2学时

5.多级存储系统（10分钟，问题导向）

讨论：硬盘和内存的区别？

硬盘——CPU无法直接访问，提高存储容量；内存——CPU直接访问，提高速度；数据只有从硬盘调入内存才能被CPU读取，如何让计算机利用16G的内存空间高效访问2T的硬盘空间？引入“局部性原理”。

6.运算器+控制器——CPU（15分钟，课堂讲授）

计算机的大脑：中央处理器CPU=运算器+控制器；运算器的作用；控制器的作用。

7.案例2：第一个商用微处理器芯片的产生（10分钟，讲授分享）   

1969，日本一家计算机公司NCM——英特尔（存储器）；需求：Busicom 141-PF打印计算器设计12个芯片。结果：英特尔工程师建议用四个芯片就可以了，包括一个能用于各种产品的可编程芯片。

1971年11月15日通过《电子新闻》广告发布其4004处理器及芯片组，MCS-4。它包含4个芯片(CPU中央处理器4004，RAM4001,ROM4002以及寄存器芯片4003)。这是世界上首款商用微处理器系统，原本做存储器的英特尔公司自此踏入处理器领域。2010年10月15日，Intel 4004的首席工程师Federico Faggin和Ted Hoff被美国总统奥巴马（Barack Obama）授予国家技术和创新奖章。

47年前的4004处理器，只有2300个晶体管，制程工艺还是10µm的，也就是10000nm，使用的是2英寸晶圆，而目前最先进的量产工艺是7nm，晶体管数量高达14亿甚至更多（如今的处理器还包含GPU等其它芯片），晶圆尺寸也是12英寸的。但与1946年建造的占据了一整个房间的第一台电子计算机相比，其微处理器具有相同的计算能力，却只有一个小小的指甲那么大。

思政要点：潜心钻研，勇于创新，工匠精神

8.案例3：华为芯片困境（8分钟，研讨分析）

讨论：美国的禁令为什么会使华为芯片陷入困境？原因是什么？

首先，让学生各抒己见，分析原因（从芯片生产过程来分析：设计——制造——封装测试，引出制造瓶颈——光刻机）；

点题：光刻机很难弄吗？（引入知乎的一个问题“光刻机和氢弹哪个更难搞？”）

总结：有人说：“光刻机——这是一种集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器、机械、自动化、软件、图像识别领域顶尖技术的产物。”

思政要点：科技的发展不仅仅是某个学科更需要多个学科协同发展，重视基础学科与奉献精神，科技报国的家国情怀和使命担当。

思考：如何解决芯片困境？

9.案例4:“中国体系”可以缓解华为芯片困局（2分钟，引导思考）

讲授要点：简单给出，但是不做详细展开，作为下一次课“计算机体系结构”的引入素材。

思政要点：民族自信和专业热爱。

10.小组作业

研讨，查阅相关资料，撰写“中国计算机发展里程碑——**********”的调研报告，具体要求见《作业指导书》。

思政要点：了解我国计算机发展历史中的一些重要事件，学习老一辈科技工作者的艰苦奋斗、攻坚克难、集智攻关的科学精神和爱国主义精神，提高资料收集和阅读整理能力，团队协作能力。

五、教学反思

（一）以问题为导向的教学，通过发现问题-解决问题-存在问题的启发式教学激发学生对学习的兴趣，激发学生思考与讨论。

（二）启发式思考，引出新的问题，有待学生思考，并作为下次课讨论的问题，让学生对学习更加有兴趣。

（三）留延伸的讨论题为作业，让学生有复习的动力，同时养成文档记录习惯，效果较好。下课前给学生留一些思考案例，引入下一次课内容，能激发学生的学习兴趣。

六、案例点评

案例1：太湖之光

案例2：第一个商用微处理器芯片的产生

案例3：华为芯片困境

案例4:“中国体系”可以缓解华为芯片困局

（一）适用范围

案例1-4主要适用于计算科学导论、数字逻辑、计算机组成原理等计算机专业课程；案例2，案例3也适用于其他如光学、材料、机电、电子等相关专业课程。

（二）思政元素

重视基础课程的学习。从华为芯片之殇剖析我国的芯片现状和国际形势，芯片的问题不仅仅是华为企业问题，其中折射出来我国在超大规模集成电路领域存在问题，揭示了各种基础学科的重要性。

树立四个自信，求实创新精神。不可否认，“引进消化再吸收”、“重工程技术、轻理论研究”这种路子是新中国成立以来最具性价比、最符合当时国情、最正确的路子。但是，这样的路子在几十年前是正确的，但在今天却逐渐显示出了弊端。华为面临的困境，也是引领下一个时代的机遇，一切就看能否在基础科学方面有所突破。

弘扬淡迫名利、潜心研究的工匠精神和奉献精神。人类社会的发展，都伴随着基础科学的进步。而基础科学的发展，短期内看是毫无用处的，所以首先要耐得住寂寞的，耐得住质疑。冷板凳不仅要一个人坐十年，可能一生都是寂寞的。

（三）课程思政教学目标

通过案例1，从多方面阐述了超算太湖之光研制背后的各种难关以及如何一步一步攻克，走到今天的地位，彰显大国力量，激发学生的四个自信和爱国情怀。

通过案例2，第一片商用微处理器芯片的诞生，传递大国工匠与勇于创新的重要性，弘扬科学家精神及奉献精神。

通过案例3，让学生了解华为芯片之殇背后的历史背景和发展现状，强调基础科学的重要性，引发学生的爱国主义情怀，引导学生树立科技报国的使命担当，引导学生思考从个人角度，从专业角度能做什么？

通过案例3引入案例4，如何解决芯片困境的问题出发，提出“中国体系”也许能缓解芯片困局，为中国走出芯片困境争取时间，激发学生的爱国主义热情，培养专业学习兴趣和积极性。

（四）相关教学经验

与时事紧密联系，充分将专业知识与实践结合，引导学生理论联系实际，学会发散性思维。教师在课堂讲授过程中，注意：

首先要注意课程知识与思政元素的结合，避免顾此失彼；

其次，在从课程知识过渡到思政元素的过程中，要注意语气和情绪的自然，要注意照顾学生的听课情绪，调动学生积极参与课堂讨论；

最后，通过案例讨论，引导学生思考如何从自身出发，注重基础学科的学习，弘扬淡迫名利、潜心研究的奉献精神，激发学生对计算机专业的兴趣和热爱。

课堂上，引导学生积极地发表自己的言论。通过课堂上对我国华为芯片困境，提高学生的民族意识，增加对专业其他领域知识的兴趣，不仅扎实了课本知识，还深入了解了思政时事，扩充了学生的知识面。

七、案例来源

案例1：太湖之光（略）

资料来源：作者：微回收

https://www.zhihu.com/question/346019735/answer/827730723知乎

案例2：第一个商用微处理器芯片（略）

资料来源：https://www.ednchina.com/news/1971111510436.htmlIntel 4004：一颗芯片改变英特尔的命运-EDN 电子技术设计

案例3：华为芯片困局（略）

资料来源：https://mp.weixin.qq.com/s/-JPKDcFGQ8q9vEdLfNYjTA 光刻机大败局！！2020-09-20

案例4：中国工程院院士倪光南：“中国体系”足以缓解芯片困局（略）

资料来源：https://mp.weixin.qq.com/s/kR72bv2LEJGyvgqsoTpifw 专访中国工程院院士倪光南：“中国体系”足以缓解芯片困局2020-09-19

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图文来源 | 蔡玲如

编辑 | 郭春兰

审核 | 洪秀秀 蔡玲如