一、基本信息表

二、教学目标与学情分析

（一）学情分析

授课对象是高职学院21级人工智能和大数据两个专业的学生。由于之前承担过21级人工智能和大数据专业《数据结构（Python）》和人工智能专业《Python语言编程实践》的教学任务，对这两个专业学生的知识基础、学习能力和学习态度有一定的了解，结合本课教学内容的特点，为了使教学设计和课程思政要素的融入具有更强的针对性，从知识基础、认知特性和学习态度三个方面对学生的基本情况进行分析：

1.  学生的知识基础

学生在大一学习过《大学计算机基础III》和《Python语言程序设计》，对计算机硬件和软件相关知识有了初步的了解，对编程语言的工作原理有了基本的认识，具备学习本次教学内容的知识基础。但是从两门课程的考试成绩看，《大学计算机基础III》综合成绩及格率为82.35%，《Python语言程序设计》综合成绩及格率为42.31%，有相当一部分学生对所学知识掌握并不扎实，所以在教学设计上要注重循序渐进，搭好脚手架，融入适当的思政元素，鼓励学生注重打牢专业基础，同时防止部分学生由于产生畏难情绪，失去学习动力。

2.  学生的认知特性

本次教学内容涉及到计算机硬件和操作系统更底层的知识，对学生的逻辑思维能力要求比较高。结合之前的教学经验，21级人工智能和大数据专业的学生大部分主动思考意愿不强，抽象认知能力偏弱，但是活泼好动、反应快，更喜欢结合实际案例的启发式教学。因此，在教学环节、教学实施和教学评价过程中要融入引导学生主动学习、积极创新、勇于突破的思政元素，形成主动发现问题，积极思考和探讨问题，勇于突破和解决问题的学习方法，创建浓厚的学习氛围。

3.  学生的情感态度

大二学生在身心发展和成长过程中，其性格和能力还不是非常稳定和成熟，具有很大的可塑性。部分学生由于一直以来，学习成绩不是很好，对自己也不够自信，所以在教学环节设计和教学实施过程中，案例要通俗易懂、贴近生活，在教学评价上，侧重过程考核，帮助学生树立主动学习的自信心，对学习态度比较端正的同学要有一定的奖励机制，让学生有自豪感和成就感。

（二）教学目标

1.知识与能力目标

（1）理解计算机工作原理和操作系统运行机制

（2）掌握CPU虚拟化基本原理

（3）培养分析和解决复杂问题的抽象逻辑思维能力

2.思政教学目标

（1）激发学生科技报国的家国情怀和使命担当

（2）培养持之以恒和精益求精的大国工匠精神

（3）正确认识科技进步与伦理道德之间的关系

三、教学内容设计

（一）教学重点与难点

1.教学重点

CPU虚拟化基本原理

2.教学难点

    操作系统运行机制

（二）课程思政元素

1.华为手机的中国“芯”。

今年9月6日，华为发布了Mate50系列旗舰手机，搭载的处理器是4G版的骁龙8+芯片，明明自己拥有全世界最强的5G技术，却不能用在自己的手机上，这个现实让太多人实在不好接受，但现实就是这么残酷。华为因为在5G技术上展现了强有力的领导地位，受到了美国的打压。当然，华为没有坐以待毙，每年投入上千亿资金用于芯片研发，据说今年将发布麒麟830芯片和720芯片。这两款芯片采用的都是14nm的工艺，所有的设计、制造以及封装流程都会在国内进行，虽然工艺和以前相比还是存在一定差距，但毕竟意味着一个新的开端。华为麒麟官方在今年元旦致辞中写到“2022年，继续出发，向“芯”而行”，相信华为很快就能让我们的手机用上真正的中国“芯”。

2.阿里云创始人王坚的故事。

2008年，网购的蓬勃发展让淘宝用户激增，导致阿里巴巴深陷数据处理瓶颈。2009年，王坚被马云挖到阿里，担任阿里云的首席架构师，要打造属于中国人自己的云计算系统。外界普遍不看好云计算，投入了巨资却迟迟没有一点结果，也让王坚在阿里内部饱受质疑，有员工在阿里内网抨击王坚，由于看不到成功的希望，甚至有其他事业群的总裁在马云的会议上，当着王坚的面公开说他是骗子。在王坚最艰难的时候，马云一直无条件地支持王坚，他和阿里所有人说，“我每年给阿里云投10个亿，投个十年，做不出来再说”。 2013年，王坚和团队的努力终于得到了回报。他们把5000台机器，通过云平台组合在一起。为了测试，他们用了最野蛮的暴力断电，如果这样的情况下数据稳定，就说明云计算成功了。四个小时后，系统恢复运行，十台服务器报销，但数据毫发无损，阿里云，成功了！王坚最为知名的成就之一，是带领阿里云工程师，自主研发了中国的云计算操作系统——飞天，实现了中国云计算从0到1的突破。2019年，王坚因为在云计算领域的卓越贡献，被评为中国工程院院士。2021年阿里云在全球市场份额中位居第三、在亚太市场排名第一。

3.Facebook用户信息泄密事件。

2018年3月，Facebook承认，英国数据分析公司剑桥分析在2016年美国总统大选前违规获得了5000万Facebook用户的信息，并成功地帮助特朗普赢得了美国总统大选。后来，Facebook经调查发现，最多有8700万用户的信息被剑桥分析公司不当分享。2019年4月4日，据路透社报道，网络安全公司UpGuard的研究人员声称，他们在亚马逊云计算服务器上可公开访问的地方发现了数亿Facebook用户的个人信息记录。科学技术是第一生产力，推动着社会的发展和进步，但同时也给我们带来了难以避免的负面效应，泄密事件的根本原因是技术还是人？爱因斯坦说过：“科学是一种强有力的工具。怎样用它，究竟是给人带来幸福还是带来灾难，全取决于人自己，而不取决于工具。” 我们将来作为一名计算机行业的从业人员，我们将如何使用我们掌握的技术，这也是一个值得我们认真思考的问题。

（三）教学内容设计

四、教学方法与手段

（一）教学方法

启发式教学：从计算机如何运行一个程序，启发学生思考CPU工作的基本原理；围绕虚拟机操作系统如何使用CPU资源这一问题，引导学生逐步理解操作系统的工作原理以及CPU虚拟化的基本原理。

案例教学法：通过结合学生实际学习和生活经验的案例讲解部分重难点内容，比如通过菜鸟驿站工作流程，介绍CPU取指令过程，通过在电脑中打开微信，介绍操作系统的功能。

（二）教学手段

钉钉答题互动：利用钉钉答题功能，结合启发式教学过程，针对教学案例的相关知识点设计了多个互动问题，活跃课堂气氛，调动学生积极性。

手写板：利用手写板，结合PPT，讲解CPU工作原理等重难点内容，相对于鼠标，手写过程更加流畅，字迹更加工整，有利于提高学生学习体验，同时有助于授课过程中标记教学重点，强化学习效果。

五、教学过程

（一）新课引入（3分钟）

回顾上节课学习的虚拟化结构模型，引导学生思考虚拟化要解决的核心问题是虚拟机如何使用计算机硬件资源，而要解决这个核心问题必须要了解计算机的工作原理和操作系统的运行机制。

（二）授课实施（80分钟）

1.讲解计算机工作原理（20分钟）

（1）请学生回忆冯诺依曼结构，思考该结构存在的不足之处。

（2）通过现实中企业架构来引导学生进一步思考，通过该案例，学生很容易得出生产部门和仓储部门的业务流程存在问题，应以仓储部门为中心。

（3）引导学生得出结论，现代计算机结构中，应以存储为中心。

（4）调整各部件的位置，得出简化的框图，引出CPU。

（5）引入思政元素，华为手机的中国“芯”。激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，同时让学生认识到CPU对计算机的重要性，激发学生学习热情。

（6）讲解CPU中控制器和运算器的作用和组成。

（7）以菜鸟驿站工作流程为例讲解主存储器工作过程。

（8）通过介绍CPU中的控制器和运算器如何与内存密切配合，完成一段代码的运行，使学生了解CPU的工作原理。

2.讲解操作系统运行机制（40分钟）

（1）提问，操作系统有哪些，讲解操作系统的定义。

（2）介绍阿里云飞天系统，引入思政元素，阿里云创始人王坚的故事。通过了解王坚的创业经历，了解中国云计算的发展历程，使学生认识到成功需要把握机遇，更需要锲而不舍的努力，培养学生持之以恒和精益求精的大国工匠精神。

（3）以PC端微信运行过程为例，讲解操作系统的功能。

（4）以一段程序的运行为例，介绍操作系统运行中的两类程序、两类指令和两种处理器状态。

（5）通过案例“一次失败的黑客攻击”进一步阐述操作系统的运行机制，并重点介绍两种处理器状态如何改变。

3.讲解CPU虚拟化（20分钟）

（1）通过对计算机工作原理和操作系统运行机制的学习，引导学生进一步思考新课引入中提出的问题，虚拟机如何使用计算机硬件资源？将问题细化为虚拟机操作系统如何执行特权指令和部分敏感指令。

（2）介绍全虚拟化的基本原理和优缺点。

（3）介绍半虚拟化的基本原理和优缺点。

（4）介绍硬件辅助虚拟化的基本原理和优缺点。

（5）介绍CPU虚拟化技术在云计算中的应用。

（6）请学生思考虚拟化技术的安全性，引入思政元素，Facebook用户信息泄密事件。使学生认识到云计算安全面临的技术之外的挑战，正确认识科技进步与伦理道德之间的关系。

（三）课堂小结（5分钟）

总结本课教学内容，引导学生思考如何立足专业学习，拓展个人能力，理解个人命运与民族复兴之间的密切关系，使学生能够进一步端正学习态度、明确学习目标，为之后的学习打下思想基础。

（四）布置作业（2分钟）

1.用自己的语言简要描述CPU虚拟化的基本原理

2.针对中国芯片和云计算产业的发展历程撰写心得体会

六、教学评价

（一）随堂测试

通过学校智慧化教学平台对学生进行理论测试，检验对专业知识的掌握情况。

（二）问卷调查

设计一份针对思政案例的反馈问卷调查，包括对案例的理解、案例对自身的影响以及对课程思政效果的评价等问题。通过学生的匿名反馈，可以获得更客观的课程思政的反馈信息。

（三）课堂参与评估

观察学生在课堂上对思政案例的回应和参与程度，包括提问、讨论、举手等。评价学生是否能积极参与课程思政的讨论，以及是否能够在思政案例中发现问题、思考解决方案等。

（四）课后作业

通过学生课后作业检验学生对专业知识的掌握情况，验证课程思政教育是否达到目标，为每一个学生的课后作业打分，计入形成性考核成绩。

七、思政教学反思

（一）思政教学的意义与价值

思政教学就是要让教学回归“教书育人”的本质，教师充分发挥课堂教学主渠道的作用，让学生在各门课程的学习中潜移默化地接受思想政治教育，实现远大理想与脚踏实地相协调、显性教育与隐性教育相结合，从而实现课程思政与思政课程同向同行，形成协同效应。本次教学过程中引入了三个思政元素，主要意义在于能够激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生持之以恒和精益求精的大国工匠精神，正确认识科技进步与伦理道德之间的关系。

（二）思政教学的成效和特色

教学过程中，立足于CPU虚拟化这一云计算课程中的重难点教学内容，将思政教育与专业知识有机融合，通过思政元素“华为手机的中国芯”使学生端正了学习态度，通过“阿里云创始人王坚的故事”使学生认识到专业学习中勤奋努力的重要性，通过“Facebook用户信息泄密事件”使学生认识到如何应用所学知识去创造社会价值，实现个人理想。三个思政元素的内在联系使本次教学内容实现了思政教育的连续性，取得了更好的思政教育效果。

（三）思政教学的改进措施

进一步探索思政教学效果的评价和考核。目前的教学评价还是针对学生专业知识的掌握情况，而不能衡量课程思政的教学效果。应建立更科学合理的评价考核指标，既能有效检验专业知识的教学效果，也能客观评价思政教育的教学效果。

进一步挖掘课程本身蕴含的思政元素。在思政元素的选择和设计上要避免生拉硬扯，为了思政而思政。教师在提高个人专业知识储备的同时，也应注重先进思想理论的学习，提高个人理论修养，这样才能挖掘更多的思政元素，才能在将思政教育融入专业学习的过程中做到润物无声、化育无形。

八、教学资源拓展

（一）参考书

《虚拟化与云计算》，作者：《虚拟化与云计算》小组

（二）视频

《带你认识CPU》，作者：硬件茶谈，B站