1. 引言
计算机组成原理是计算机类专业的一门核心专业课，在整个学科体系中处于承上启下的地位，是培养“中国芯”人才的必修课。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。OBE (Outcome-Based Education)理论又称为成果导向教育，强调以学生的学习成果为起点进行反向设计，采用逆向思维设计教学内容，充分激发学生的学习兴趣，调动学习积极性，让学生带着问题，边思考边实践，强化学生的工程实践意识。另外，OBE理念强调教育的灵活性，在产出目标明确的基础上，OBE不拘泥于特定的指导方法。教师可根据不同类型的学习者使用不同的教学方式，采用不同的评价手段。PBL (Problem-Based Learning)其核心理念是通过引入真实且具有挑战性的问题情境，激发学生的学习兴趣和思考能力，从而达到知识与思政相融合的目的。OBE侧重于培养学生实际能力，使其具备适应社会发展的综合素养，而PBL注重通过解决实际问题来促进深层次学习和思维能力的提升，将这两种理念巧妙地融合，为学生学习计算机组成原理提供了更具实效性的学习体验。本文借鉴OBE和PBL教育理念，将思想政治教育和专业课程建设有机融合，充分发挥课程思政的育人作用，使学生成长为既具有专业知识，又具有良好品德的人[1]-[6]，整体课程思政建设路径如图1所示。
Figure 1. The ideological and political education construction path
图1. 课程思政建设路径
2. 存在的问题
当前，课程思政建设主要集中于课程知识点与思政元素如何融合，教学方式与评价方式如何适应课程思政教学改革等方面[7]。计算机组成原理课程的课程思政仍存在不被熟知、疏于实践等情况，主要有以下几点问题。
1) 思政元素挖掘不够深入，难以与技术知识自然融合
计算机类专业的学生实践能力和逻辑思维能力相对较强，而自我约束力和表达能力、自学能力相对较弱。在之前的教学过程中，教师更多地注重学生专业能力的发展，课堂教学素材与思政教育结合较少。
2) 教学方法滞后，学生对思政内容的兴趣较低
课程仍采用灌输式教学，没有进行教学方法的革新，而学生人数众多，师生间互动较少，必然会导致课堂效率不高。“课程思政”作为一种指向性明确的专业育人活动，面对当前思想政治教育资源不均衡、不充足的现状，似乎无法满足大学生思政教育小班化教学的诉求。课程思政建设如果不能创新教学方法改变单向灌输的传统模式，就难以激发学生主动学习的积极性。
3) 软硬件割裂，难以培养系统能力
传统计算机专业培养方案是按照计算机系统的层次结构安排专业课程[8]，这些课程一般将软件和硬件割裂开来，每门课程只聚焦于其中一个子模块，课程内容相互独立。计算机组成原理课程的教学过程强调底层的硬件原理，忽略了软件和硬件课程之间相互联系的“横向”视角，导致学生将硬件和软件割裂，难以形成全局系统思维，难以培养系统能力。
4) 课程思政教学过程的管理不够完善，不能有效地对思政育人的教学效果进行评价
在课程思政的实践过程中，如何将课程思政教学过程与日常教学过程的管理融合，如何有效地对思政育人的教学效果进行评价也是亟待解决的问题之一。在计算机组成原理专业课教育体系中，课程思政元素明确性不是很明显，如何去评价课程思政学习效果目前还没有健全的机制，同时，在这方面的研究也比较少[9]。
3. 思政元素挖掘和提炼
计算机组成原理课程中包含的思政元素众多，之前的课程思政，开展得很随意，不够系统，导致效果难以保证。针对这些问题，首先按照工程教育专业认证的有关要求和专业的人才培养方案对现有的课程思政案例和思政元素进行了梳理和归纳，把课程思政的培养目标分成了四个方面，分别是爱国主义、科学精神、职业道德和工程伦理，这四个方面紧密结合课程知识点聚焦三条主线分别是系统能力、自主可控和“中国芯”、计算机发展史和国内外名人事迹。
3.1. 三条主线
1) 系统能力
计算机专业的系统能力要求在掌握计算机系统基本原理的基础上，深刻理解软、硬件之间的关联关系与逻辑层次，在计算机系统整体层面设计、实现、分析和优化软硬件[10] [11]。系统能力里蕴含的思政元素主要是科学精神和职业道德。这里体现软硬协同、计算机整机概念等，着重培养学生的分析设计能力。
2) 自主可控和“中国芯”
结合存储系统和微处理器的设计过程以及我国在芯片存储器和CPU (Central Processing Unit)芯片上的追赶过程，融入科技工作者的创新、奉献和合作精神，主动聚焦国家重大战略需求，为国家和民族的发展出力争光。自主可控和“中国芯”里蕴含的思政元素主要是爱国主义、职业道德和工程伦理，聚焦卡脖子的芯片问题和精益求精的大国工匠精神。
3) 计算机发展史和国内外名人事迹
结合计算机的发展史、国内外名人事迹，激发学生的爱国主义情怀和科技报国的使命担当，引导学生聚焦世界科技前沿，提升学习专注度，引发知识共鸣、情感共鸣和价值共鸣。这里蕴含的思政元素主要是爱国主义、科学精神和工程伦理。
3.2. 四个方面
1) 爱国主义教育：培养学生的民族自豪感、自信心，激发学生对祖国的热爱之情，树立和培养学生的社会主义核心价值观。
2) 科学精神培养：让学生了解科学精神和创新的重要性，培养学生的科学精神，鼓励学生敢于尝试、勇于创新。
3) 职业道德教育：注重培养学生的工匠精神、诚实守信的品质、团结协作的精神和理论联系实际的作风。
4) 工程伦理教育：引导学生重视工程伦理。
3.3. 典型思政案例
通过计算机科学技术发展过程中伟大科学家们(如冯·诺伊曼、华罗庚、胡伟武、夏培肃、王选等)对事业的献身和敬业精神的介绍，及中国在计算机领域(主要是硬件领域)取得的瞩目成就的展示(如中国超算)，激发学生的爱国主义情怀和科技报国的使命担当，树立和培养学生的社会主义核心价值观，培养当代大学生的诚信、敬业精神及大国工匠精神；通过Intel公司的CPU接连被曝光硬件设计漏洞的新闻等对学生进行工程伦理教育；通过第一次海湾战争期间，爱国者导弹系统拦截伊拉克飞毛腿导弹失败是因为浮点精度问题等，引导学生注重科学精神；通过“20%~80%律”等引导学生解决问题要抓住主要矛盾；通过计算机系统和存储系统，让学生理解系统观，感受团队合作的作用；通过华为海思与ARM的爱恨情仇、龙芯处理器、长江存储等案例激发学生开发自主可控软件和硬件的责任心与使命感；通过冗余校验码的设计原理，让学生自然感受到没有付出就没有收获；以本专业毕业的杰出校友为范例和榜样，或邀请他们回校介绍成功经验、工作经历和企业文化等，使学生在理解所学课程知识的基础上领悟工匠精神、爱岗敬业精神，增强他们的使命感。
4. 具体改革措施
4.1. 基于OBE的课程思政改革
4.1.1. 明确课程目标和学习成果
在基于OBE的课程思政建设中，明确课程目标和学习成果是确保思政教育有效实施的关键一步，计算机组成原理课程的教学目标涵盖了理论知识的掌握、实践技能的培养以及综合素质的提升等多个方面，力求做到清晰、具体和可测。本课程的课程目标如下：
课程目标1：学生深刻理解冯诺伊曼型计算机五大部件的组成及工作原理，能描述各部件工作过程中的关键环节和硬件结构，能够运用数据表示、运算方法、指令系统、存储结构和CPU工作原理等专业知识分析计算机领域复杂工程问题的解决方案。
课程目标2：学生掌握CPU性能评估方法、高速缓冲存储器和虚拟存储器的相关性能分析与计算、常见输入输出方式的性能计算等基本量化手段， 能运用上述量化方法对计算机领域复杂工程问题解决过程中的关键影响因素进行识别和判断。
课程目标3：学生能分析和设计满足特定需求的存储系统、机器指令模型等，掌握机器指令周期及微程序的分析设计方法，具备分析CPU模型和应用CPU控制器的组成原理进行简单CPU控制逻辑设计的能力。
课程目标4：学生有动手实践能力，能针对计算机硬件系统中的ALU (Arithmetic Logic Unit)、存储系统、控制器等模块，按照实验目的和要求，在指定实验平台上，独立设计实验方法并展开实验，能够正确、严谨地收集实验数据。
思政目标：学生注重工程伦理，践行精益求精的大国工匠精神和科学精神，心怀科技报国的家国情怀和使命担当。
4.1.2. 重塑教学内容
在“以学生发展为中心，学习成果为导向，学习效果为标准”的教学理念指引下结合新工科建设特点根据课程目标对教学内容进行调整并完善，根据课程的具体情况对课程中的主要问题和知识点进行提炼，尽可能使教学内容生动有趣，让学生对课程产生兴趣，从被动学习尽快转入主动学习。也就是要重塑和改革课程教学内容，删繁就简，分清主次，着重讲授可培养学生能力的知识点，如指令格式和硬件结构的关系、程序的局部性原理、内存容量的扩展等，并针对这些知识点设计知识应用环节。
4.1.3. 改进教学模式，强调学生的主动参与和自主学习
1) “线上课堂 + 线下课堂”两堂融合
首先教师在超星学习通平台上开展线上课堂建设，给学生提供各类课程学习文档、重难点教学视频、讨论题等。线上学习资源种类丰富，包括课程的基础知识、计算机发展史和国内外名人事迹、前沿技术、补充知识等资料。学生不仅可以通过线上课堂进行学习，还可以在此提交作业、小组大作业、章节测试，在讨论区提问或回答问题，除此之外教师还建立了QQ学习群，在群里和学生进行学习交流和教学互动。线上课堂的思政资源通过自主学习的方式隐形传递给学生，培养了学生的自主学习能力和爱国情怀，也扩大了思政传播的影响力和覆盖面。
线下课堂依据教学大纲和学生实际情况，精心准备课堂教学内容，梳理教学重难点、教学案例和思政案例，多种教学方式并举。同时，将小组讨论、实践案例分享、小组项目训练等教学模式应用到课堂上，合理提升学习的难度和挑战性。线下课堂主要起到思想引领的作用，教师注重对学生在爱国主义、科学精神、职业道德、工程伦理等方面的价值引领。
2) 引导学生主动参与和自主学习
首先，教师在课程设计中要充分考虑学生的背景、需求、学习风格和兴趣，制定更具吸引力的教学内容和活动，使学生能够从中找到自己的价值和动力。此外，教师要多鼓励学生提出问题、分享经验，并参与讨论和辩论，从而激发学生的思辨能力和批判思维。通过设立开放性的学习环境，学生可以在不同的观点和声音中进行思考和选择，从而实现更加主动的学习过程。
其次，自主学习是培养学生自主性和独立思考能力的关键环节。在课程思政建设中，教师通过设立学习任务、提供学习资源和指导学习方法等方式，引导学生自主规划学习进程。例如，要求学生分组选择一个与课程相关的主题进行深入研究完成一个大作业，这就需要学生分工合作、自主收集资料、整理信息，然后撰写报告或展示成果。通过这样的学习任务，学生可以在自主学习中培养信息获取、分析和综合运用的能力，同时也提升了学生的时间管理和组织能力及团队合作精神。
3) 课前 + 课中 + 课后
整个教学过程分为课前、课中、课后三个阶段，课前在QQ学习群发布导学案，在导学案中向学生提出问题，明确学习目标。让学生利用线上学习平台上的教学资源带着问题预习，带着问题、带着学习目标来上课。
在课中，采用问题驱动启发引导式的教学方式展开教学，同时根据教学内容的特点结合其他多种教学方式。
课后，会在线上学习平台布置课后作业，发布讨论，这些作业和讨论都是针对教学目标的，其中也包括思政教学目标。
除此之外教师还要做到课后有反馈，具体的做法就是收集问题、交流反馈，根据学生课堂表现、作业、大作业等完成情况关注学生的学习目标达成情况并进行反思，对教学进行及时地调整，并根据具体情况在课堂上一对多或课外1对1把问题反馈给学生，做到及时沟通和提醒；通过QQ学习群为学生推送最新的与专业内容相关的新闻时事、反映职业素养和大国工匠精神的事迹，解答学生在学习和生活中遇到的问题。
除了这些常规动作之外，还会结合学院的特色主题党日活动如“课间十分钟”、“开学第一课”等活动进行思政教育，力争做到全过程、全方位育人。
4.1.4. 改革教学方法
对传统多媒体课件式教学进行改进，选择教学方法时，突出学生主体地位，全面针对不同学习内容的特点采用PBL教学法、案例教学法、形象教学法、理论联系实际教学法、参与式教学法、小组研讨、线上线下混合式教学以及翻转课堂等教学方法，其中主要采用启发引导式的PBL教学法，在“做中学”、“学中思”。
4.1.5. 深化课程考试改革，创新课程及毕业要求达成度评价
为了培养学生的主动学习意识，促成培养目标的达成，应改革完善考核方式及课程达成度评价等。改革单一试卷考核为期末考试 + 过程考核的课程评价方式；期末试卷只有主观题，并加大综合应用类型题目的比例，根据各项考核资料，对学生成绩实行涵盖期末考试、实验、小组大作业、学习通作业及测验、课堂表现等在内的多元化量化考核。制定课程毕业要求达成度评价方法对学习效果进行评价。
4.1.6. 建立有效的思政评价机制
首先，在思政育人效果的评价方面我们通过课堂观察、学生访谈、学情跟踪、问卷调查等常态化诊改措施，及时发现和解决课程思政实施中的困难和问题，不断提升育人效果。
其次，在课程中及课程结束后能够采用可量化的方法对思政育人的教学效果进行评价，如在大作业中把团队合作、数据的真实准确性、报告格式的规范性进行量化考核，考察学生的团队协作能力及是否严谨和精益求精；在实验环节中把实验操作的规范性、实验报告格式的规范性作为实验表现分进行考核；在学习通讨论环节设置一些开放性的题目，让学生查阅资料回答问题，发表看法，考察学生的资料查找、文献阅读、知识归纳等能力；融入思政内容的小作文主要考察爱国主义和工程伦理。
4.1.7. 持续改进
在每一轮课程结束后都要根据评价结果持续改进，完善课程思政案例库，提升教师思政教学能力，改进课程思政评价体系，这也是OBE理念非常重要的一环。
4.2. 基于PBL的课程思政改革
基于PBL的课程思政建设，按照提出问题→分析问题→解决问题→提出新问题的流程，采用启发引导式的教学方式，锻炼学生在思考中主动学习的能力。这里的问题主要包括三类，学生提出的问题、课程单元内容本身要解决的问题和专业领域内的应用问题。通过探究性学习和问题驱动，可以培养综合能力、创新思维；解决问题则促进学习、思维能力提升。
采用分阶段的学习设计，首先，在问题引入阶段，学生将在教师的引导下积极思考，并进行讨论，从而激发对问题的认知。接着，进入研究与探索阶段，学生在教师的鼓励下自主寻找相关信息，以便深入探讨可能的解决方案。在这个过程中，学生将逐渐建立起问题解决的方法论和思维模式。随后，学生将进入知识深化阶段，这时教师的引导变得更加关键，教师将引导学生系统学习相关的理论知识，以增强学生的专业素养。最后，课程将进入解决方案实施和展示阶段，学生可以通过团队协作将解决方案付诸实践，并将成果向同学和专业人士展示。这个阶段的重要性在于，它将理论知识与实际应用相结合，使学生能够在实践中真正体验到问题解决的成就感，并从中获得深刻的经验教训。而教师将引导学生思考问题的方法，协助学生制定个性化的学习计划，以适应个体差异。此外，教师将在学习过程中扮演反馈和支持的角色，及时为学生提供具有指导性的建议，促使学生在思考和实践中不断进步，这种教师角色的转变将有效激发学生的学习动力，帮助学生培养自主学习和团队合作的能力。
4.3. 实际案例
这里以程序的局部性原理(Cache部分知识点)这个知识点的讲授为例说明如何结合OBE和PBL理念进行课程思政。
4.3.1. 确定学习目标
知识目标：学生能够描述程序的局部性原理。
能力目标：学生学会分析给定程序的局部性。
思政目标：学生自觉运用马克思主义的世界观和方法论分析问题和解决问题(科学精神培养)；重视自主研发，注重自主知识产权(职业道德教育)；树立民族自豪感、自信心，心怀科技报国的家国情怀和使命担当(爱国主义教育)。
4.3.2. 针对学习目标设计问题
1) 课前导学案问题
什么是程序的局部性原理？程序的局部性包含哪两种？
这类问题比较简单基础，学生查阅教材即可得到答案，旨在引导学生课前预习相关概念。
2) 课中问题
问题1：程序中什么结构可以体现时间局部性和空间局部性？
这里要引导学生结合自己在高级程序设计语言和数据结构中学习的程序的三种结构及数组、结构体等知识回答该问题。最后得到以下结论，这两个结论是后续学生分析程序局部性的依据。
结论1：程序的循环结构很好地体现了时间局部性。
结论2：指令代码、数组、结构体元素通常在主存中顺序存放，对应的数据访问具有较强空间局部性。
融入思政内容：局部性原理在我们的工作、学习和生活中随处可见，时间局部性对学生的启示是要优先处理频繁的任务和活动，而空间局部性引导学生尽量将相关数据存储在一起，减少访问时间，提高效率。
问题2：给出一段C语言程序代码，学生分析代码的程序局部性。
int sumvec()
{
int i,sum=0;
for(i=0;i<1000;i + + )
sum + =v[i];
return sum;
}
这个问题是知识应用环节1，学生利用问题1中得到的结论就可以回答，不够准确和完善的地方教师补充。这是一个相对简单的分析程序局部性的题目，采用教师随机抽取学生回答的方式完成。得到的结论如下。
结论1：for 循环将被执行1000次，因此for循环中的代码具有良好的时间局部性。
结论2：数组包含1000个元素，这些数据在内存中顺序存放，具有良好的空间局部性。
问题3：这里引入经典教材：Computer Systems—A Programmer’s Perspective (中文名：深入理解计算机系统)里的一个例子。让学生分析以下这两段代码在处理器上运行时哪一个用时少？为什么？启示是什么？
程序A：
void copyij(int src[2048][2048],int dst[2048][2048])
{ int i,j;
for (i=0;i<2048;i + + )
for (j=0;j<2048;j + + )
dst[i][j]=src[i][j];}
程序B：
void copyji(int src[2048][2048],int dst[2048][2048])
{int i,j;
for (j=0;j<2048;j + + )
for (i=0;i<2048;i + + )
dst[i][j]=src[i][j];}
这个问题是知识应用环节2，和上一个题目相比，难度有所升级，采用讨论的方式完成。这里教师要启发引导学生利用所学习的局部性原理和存储系统的相关知识进行分析。该环节，学生经过讨论可以得到正确答案是A程序段，最后得出的原因总结如下。
原因1：数组在内存中按照行优先顺序存放，数据块从主存映射到Cache中。
原因2：程序A中对数组的访问是按行优先顺序进行的，故具有很好的空间局部性，每个数组元素只使用一次，不存在时间局部性。
原因3：程序B对数组的访问是按列优先的方式进行的，数据访问不是顺序进行，空间局部性不佳，同样也不存在时间局部性。
融入思政内容：程序A的运行时间短，就是因为遵循了程序的空间局部性原理，引导学生平时在编写程序的时候也要考虑硬件，遵循程序的局部性原理，这样可以写出运行效率更高的程序，同时在日常生活中也要遵守法律法规、公德良序、爱国情怀、文化观念等。
解决这个问题还要引导学生思考“为什么两种访问方式会产生如此大的差异”，使学生明白要正确回答这个问题，仅仅拥有软件编程知识还不够，还得结合多级存储体系原理和程序的局部性原理。引导学生从计算机系统全局认识软、硬件的协同工作原理，使学生深刻认识到没有计算机系统理论知识，仅仅从软件层面无法解决遇到的问题，这也是培养学生系统能力的一个环节。
回答完这个问题加上之前在课堂上学习过引入Cache是为解决主存速度不足，学生会在教师引导下深刻地感受到Cache对计算机系统的性能影响很大，这也为学生解决课后问题提供了依据。
3)课后问题
龙芯3号芯片的结构如图2所示，分析搭载龙芯三号的计算机运行流畅的原因是什么？龙芯发布的最新一代处理器是什么？性能怎么样？自主可控程度和龙芯三号相比得到了哪些提升？
这是知识应用环节3，要回答这个问题需要应用多核处理器、RISC (Reduced Instruction Set Computer)和Cache的相关知识进行解答，并在学习通提交答案，教师将在下节课展示部分有代表性的学生的答案，经讨论后得到结论，这个环节提升了学生分析问题和解决问题的能力。
Figure 2. Structural diagram of Loongson processor chip
图2. 龙芯处理器芯片结构图
结论：这是一个多核(4核)的处理器，并且占用芯片面积小，小的原因结合指令系统部分学习的RISC的知识可以解答，因为它是RISC处理器，RISC指令系统简单，相应的硬件结构就简单，占用的面积就自然比较小且速度快，同时芯片的下面面积较大的是4个Cache，这将提升计算机系统的性能。
融入思政内容：学生查找总结龙芯发布的最新一代处理器相关信息的过程中，会深刻感受芯片国产自主可控的重要性和近年来我国在芯片产业取得的巨大成就。这个课后问题主要培养学生运用所学知识解决问题的能力，同时引导学生重视自主研发，注重自主知识产权，树立民族自豪感、自信心，心怀科技报国的家国情怀和使命担当。
5. 取得的成效
自开展该课程的思政教学改革研究以来，教师一直紧紧围绕“立德树人，为党育人，为国育才”这一根本目标开展人才培养工作。在超星学习通构建了该课程的网络教学平台，实现师生线上线下教学互动，优质教育资源的共享。善于采用启发引导式的教学方式，以问题和案例驱动教学，课程教学内容上以培养学生系统能力和分析设计能力为重点，认真做好教学各环节。加强课程思政教学改革，以研促教，教研相长，以行业需求为导向、工程应用为背景，实现专业知识与思政元素的有效融合。获得了同行和学生的一致好评，学生评教分数一直在90分以上。近三年针对课堂上开展课程思政对课程的学习和思想教育是否有帮助开展问卷调查，90%以上的学生选择有帮助。针对爱国主义教育、科学精神培养、职业道德教育和工程伦理教育的教学效果对2022级计算机专业170名学生进行问卷调查，收回有效问卷153份，其中爱国主义教育认可人数142人，所占比例92.81%；科学精神培养认可人数135人，所占比例88.24%；职业道德教育认可人数139人，所占比例90.85%；工程伦理教育认可人数128人，所占比例83.66%。学生发现问题、分析问题、解决问题的能力增强，分析、设计能力增强。同时该教学改革研究成果也为我院及我校其它理工科专业相关专业课程在工程教育专业认证和新工科背景下课程思政改革研究提供借鉴。
基金项目
广东省教育科学规划课题(高等教育专项) (编号：2022GXJK216)；广东省高等职业教育教学质量与教学改革工程项目(编号：GDJG2021494，GDJG2021495)；2022年课程思政专项教学改革研究项目(专业认证视域下“专业思政”实施关键问题研究——以计算机科学与技术专业为例)。