10门 | 课程思政元素汇编

高校教师发展工作室

导读

本文展示了东北大学十门课程的思政元素汇编。

十门课程分别为《微控制器原理与接口技术》《高级计算机图形学》《Python语言程序设计》《通信原理》《高级算法与数据结构》《数据科学思维与大数据智能分析技术》《数据科学基础》《智能网络与分布式计算》《C程序设计基础（理工类）》《电磁场与电磁波》。

01、微控制器原理与接口技术

第1章微控制器原理与接口技术概述

第1节微控制器芯片发展趋势

一、授课内容：

单片机技术发展过程可分为三个主要阶段：

1）单芯片微机形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。

特点是：存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。

2）性能完善提高阶段

1980年，Intel公司推出了8051单片机，80-82年，INTEL陆续推出和8051指令系统完全相同、内部结构基本相同的8031、8052和8032等型号单片机，初步形成MCS-51系列，被奉为“工业控制单片机标准”。

8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。

3）微控制器化阶段

1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。

特点是：片内面向测控系统外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。

二、实施过程

（一）思政元素类型

中国特色社会主义和中国梦教育

（二）课堂教学手法

1.教学手段：

采用PPT、视频等多媒体形式。

2.课程思政融入点

知识点中的“微控制器芯片发展历程”与习近平总书记提出的“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面”理念相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

（一）元素内容

微控制器芯片发展历程和“现实与梦想相结合”

微控制器的核心是IC芯片，因此少不了穿插讲述芯片的发展历史、制造工艺流程以及在该过程中体现的核心科技等知识，使学生了解到芯片生产是一个点砂成金的过程，从砂子到晶圆再到芯片，其价值密度直线飙升。芯片生产过程中的四大要素——功耗、工艺、成本和设计复杂度，每一项都是“高精尖”科技实力的体现过程。使学生明白科技是第一生产力，核心技术是国之重器，是国家实力的关键。作为新时代大学生的他们肩负着我们民族复兴和国家富强的历史重担。针对近年来发生的“中兴事件”“华为事件”，无论是华为的从容应对还是中兴的濒临破产，两家中国企业在美国的“封杀令”下有着截然不同的命运，这背后印证的除了中国整体科技创新实力不容小觑的事实外，还敲响了中国企业对于创新技术自主可控的警钟，进一步鞭策中国企业需在自主科技创新领域中不断前行。

使学生认识到只有建立安全可靠的关键核心技术体系，才能真正保障信息的安全，核心技术掌握在自己手中，才能够不受制于人。同时在展现世界IC芯片的发展趋势时，不忘向学生介绍这些年来我国半导体行业的发展近况，包括以前走过哪些弯路，哪些科技正在迎头追赶以及越来越多的中国企业在实现自主可控的信息产业体系中不遗余力，奋勇前行。以CPU产业为例，在Intel、AMD等国外巨头垄断的市场下，由中科院自主研发的芯片产品“龙芯”持续多年在自主研发技术上不断深耕，推出了三大系列CPU产品，并已应用至航空航天、国家安全、国防、交通、金融等众多领域，打破了中国无“芯”的历史。作为芯片生产领域中光刻机来说，更是核心技术中的核心，目前全球光刻机厂商有4家，分别是ASML、Nikon、Canon和上海微电子(SMEE)，我们国家的企业也占据一席。通过这些生动的事例教育，使学生认识到芯片行业中我们的差距和不足以及正在迎头追赶的决心和行动，激发学生的爱国热情，树立为国担当的信念，积极投身于祖国的半导体行业。

微控制器芯片发展历程和“立德树人”

微控制器课程具有应用性，意在提高学生电子实践开发能力，学生经过该门课程的锻炼以及相关课程的学习，具有从事电子开发设计的能力。并且我们专业为电子科学与技术专业。根据教育部最新工程认证的标准，工科类专业培养的学生大部分应当成为工程师，同时根据本专业历届毕业生的就业信息，很多学生毕业后一般都是在企业从事研发(开发)工作。因此在课堂上，通过介绍微控制器芯片发展应用案例强调：在微控制器开发设计过程中，最终设计产品的质量，可靠性当然是作为产品考核第一要素，但并不是唯一的要素，该产品是否违反我们国家法律法规的要求，是否危害人民群众的生命财产健康等，这些要素都应该被考虑进去。并不是所有能挣钱的产品都值得大家去做，尤其在为安保等级较高的单位设计安防产品时，是否为自己或他人留有“后门”等。要让学生知道，品德是“l”，其他能力都是“l”后的“O”，没有好的道德修养，再好的学识水平也最终会走向穷途末路。通过品德教育使学生树立正确的世界观、人生观，价值观。具有独立人格、优良品质和良好的心智，经得起外界环境的考验。

（二）参考文献

张晓冬, 张志峰, 杨红军,等. 思政教育融入单片机教学的探索与实践[J]. 现代职业教育, 2020(36).

（三）价值拓展

通过课程思政教育与单片机课程教学相结合，使学生在学习单片机知识，提高自己实践动手能力的同时，也感受到祖国的日益强大，将爱党爱国爱人民的情怀扎根于心中，担当民族复兴大任的时代新人，做好德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。

02、高级计算机图形学

教学部门：计算机科学与工程学院制作人：曹春红

第一章绪论

1.2 图形学发展历史

一、授课内容

计算机图形学自20世纪50年代形成以来，先后经历了酝酿期、萌芽期、发展期、普及期和提高增强期等几个阶段，逐步发展成为一门以图形硬件设备、图形专用算法和图形软件系统为研究内容的综合学科。

1.酝酿期

1950年，美国MIT的旋风1号(Whirlwind I)计算机配备了阴极射线管(CRT)来显示一些简单的图形。CRT的出现为计算机生成和显示图形提供了可能。50年代末期，MIT林肯实验室，在Whirlwind上开发SAGE空中防御系统，通过光笔在屏幕上指点与系统交互。标志着交互式图形技术的诞生。

2.萌芽期

1962年MIT林肯室验室Ivan.E.Sutherland的博士论文《Sketchpad：一个人机通信的图形系统》中首次使用术语“Computer Graphic”。确立了计算机图形学的学科地位。Ivan.E.Sutherland的Sketchpad系统被公认为对交互式图形生成技术的发展奠定了基础。

二、实施过程

（一）思政元素类型

1.职业理想；

2.职业道德教育。

（二）课堂教学方法

1.教学手段

采用PPT、视频等多媒体形式

2.课程思政融入点

知识点中的计算机图形学创始人Ivan.E.Sutherland的事迹与职业理想和职业道德教育相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

与时钟对抗

（一）元素内容

“到1975年，关于图形学，我已经做够了。”尽管被称为计算机图形学、虚拟现实、人机交互，又或者计算机辅助设计之父——Ivan.E.Sutherland，这位1988年图灵奖得主，早已告别这些被他人所铭记的领域四十年，将研究方向瞄准了一个几乎所有人都认为理所应当，而从不怀疑的问题。

电报出现之前，没有简便的方法远距离同步时间。随着晶体管与导线变小，能通过时钟信号传递“同步”的区域也在变小，而“时钟区域”的数量则在增加。这种基于时钟的设计范式，加剧了通信的延迟。

“在1988年图灵奖演讲时，我就在探索一种不需要时钟的设计范式，摆脱时钟暴政”。Sutherland说，好似一切暴政，“时钟暴政”源于我们自己选择了臣服于暴君的权威。而他宣扬的这种与时钟无关的设计范式，类似“自由经济”相对于“计划经济”。如今，与时钟无关的产品已然出现在我们生活中。敢于质疑权威，质疑理所应当，努力进行科学探索，是Ivan.E.Sutherland成功的关键。

（二）参考文献

与时钟的对抗——访图灵奖得主Ivan Sutherland.https://www.csdn.net/article/2014-12-31/2823382

（三）价值拓展

让学生从案例中体会科学探索的重要性，培养敢于质疑权威、勇攀高峰的科学精神，追求真理、严谨治学的求实精神，淡泊名利、潜心研究的奉献精神，进一步学生培养职业道德。

03、Python语言程序设计

教学部门：计算机学院制作人：李凤云、张昱、薛丽芳、翟莹莹

第6章函数

第5节模块化程序设计

一、授课内容

在程序设计中，把可能需要反复执行的代码封装为函数，然后在需要执行该段代码功能的地方进行调用封装好的函数，这样不仅可以实现代码的复用，更重要的是可以保证代码的一致性，只需要修改该函数代码则所有调用位置均得到体现。同时，把大任务拆分成多个函数也是分治法和模块化设计的基本思路，这样有利于复杂问题简单化。此节主要介绍如何进行模块化程序设计。

本节知识点通过一个具体的程序设计实例展开。

例题：回文素数是指一个数即是素数又是回文数。编写程序显示前100个回文素数。

程序设计思路：

1.从2开始向后遍历每一个数，判断是否为回文素数并计数和输出，计到100个则结束。

2.判断是否为回文素数可以分解为两个子问题：判断是否是素数；判断是否是回文数。

3.两个子问题都可以封装成一个函数，接收一个整数参数，返回True或False。

二、实施过程

（一）思政元素类型：

中国特色社会主义和中国梦教育；
劳动教育

（二）课堂教学方法：

1.教学手段：采用PPT、视频等多媒体形式。

2.课程思政融入点：知识点中的“模块化程序设计”、“代码复用”以及相对应的案例表达了分工合作、团结合作的主题思想，与习近平总书记提出的“团结合作战胜疫情共同构建人类卫生健康共同体”相契合，同时该主题也与树立学生正确的合作劳动观念相符。

首先将案例程序使用非函数形式编写，再通过函数形式比对，使学生体会到利用函数可以实现团结合作并感受到团结合作的重要性，自然过渡到思政内容。

三、思政元素内容

元素一：模块化程序设计中的分工合作

（一）元素内容

函数讲究的是合作，把一个大任务的某一个相对独立的部分交给别人做。类似于同伴之间互相帮助，各取所长，使得学习效率更高，进度更快。

随着当今生活节奏的加快，人们越来越注重效率和合作。一个人的力量往往是有限的，而一群人进行合作，则可以实现一个人无法实现的目标。因此，对于当代大学生而言，合作意识非常重要。

“团结就是力量”、“人多力量大”这些我们日常生活中常常听到的俗语无不显示出团结合作的重要性。人们对合作有如下的定义:“指在互动之中人与人或者群体与群体之间为了达到互动各方都有的益处的共同目标而相互配合的一种联合行动。”简单说来, 合作其实就是求善求同求团结。个体的力量是弱小的，因此只有个体与个体或者个体加入到集体当中去，发挥出别人的合作关系，才能更易实现自身的目标，同时也能够更好的实现在集体之中的自我价值。

在2020年新冠疫情全球大爆发的背景下，强调团结合作尤其有着特殊的意义。习近平总书记针对新冠疫情多次发表讲话，并发表重要文章《团结合作是国际社会战胜疫情最有力武器》。文章强调，人类是一个命运共同体。战胜关乎各国人民安危的疫病，团结合作是最有力的武器。当前，新冠肺炎疫情正在全球蔓延，给人民生命安全和身体健康带来巨大威胁，给全球公共卫生安全带来巨大挑战。国际社会最需要的是坚定信心、齐心协力、团结应对，全面加强国际合作，携手赢得这场人类同重大传染性疾病的斗争。只要我们同舟共济、守望相助，就一定能够彻底战胜疫情，迎来人类发展更加美好的明天!

文章指出，病毒没有国界，疫情不分种族。任何国家都不能置身其外，独善其身。全人类只有共同努力，才能战而胜之。在经济全球化时代，这样的重大突发事件不会是最后一次，各种传统安全和非传统安全问题还会不断带来新的考验。在应对这场全球公共卫生危机的过程中，构建人类命运共同体的迫切性和重要性更加凸显。唯有团结协作、携手应对，国际社会才能战胜疫情，维护人类共同家园。

文章指出，中国及时采取果断有力措施，为抗击疫情付出了巨大牺牲。中国人民在疫情防控中展现的中国力量、中国精神、中国效率，中国展现的负责任大国形象，得到国际社会高度赞誉。国际社会普遍认为，中国在全面有力防控疫情的同时，积极主动同世卫组织和国际社会开展合作和信息交流，迅速分享部分毒株全基因组序列，研制成功快速检测试剂盒，不仅是在对中国人民生命安全和身体健康负责，也是在为世界公共卫生事业作贡献。

结合总书记的文章和函数这一知识点，可以归纳出如下两点：

（1）需要完成一项大工程时，必须采用分而化之的手段。而团队协作是走向成功的关键，个人的能力是有限的，众人拾柴火焰高。

（2）定下目标后，要从每一件小事做起，不要妄想一步到位，理清达到目标的思路，做好每一阶段的部署，并且逐一完成。

（二）参考文献

1.习近平. 团结合作是国际社会战胜疫情最有力武器[J]. 求是, 2020(08).

（三）价值拓展

在2020新冠疫情中，中国始终重视并积极开展国际合作。我国同世卫组织和有关国家保持密切协作，向世卫组织提供2000万美元捐款。我国第一时间通报疫情信息，迅速测出并分享病毒基因序列，为各国尽早发现病毒和阻击疫情创造了条件。这些都体现了“团结合作”、“合作共赢”的思想。

04、通信原理

教学部门：计算机学院制作人：耿蓉

第一章绪论

1.5 通信系统主要性能指标

一、授课内容

通信系统的性能指标涉及其有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性等。尽管不同的通信业务对系统性能的要求不尽相同，但从研究信息传输的角度来说，通信的有效性和可靠性是主要的矛盾所在。

所谓有效性是指传输一定信息量时所占用的信道资源（频带宽度和时间间隔），或者说是传输的“速度”问题；而可靠性则是指接收信息的准确程度；也就是传输的“质量”问题。这两个问题相互矛盾而又相对统一，并且还可以进行互换。

二、实施过程

（一）思政元素类型

1. 职业理想和职业道德教育

2. 社会主义核心价值观教育

3. 中国特色社会主义和中国梦教育

（二）课堂教学方法

1.教学手段:

采用PPT、视频等多媒体形式。

2. 课程思政融入点：

通信系统中的可靠性和有效性指标与爱岗敬业、社会责任感、中国梦等相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

武汉火神山、雷神山建设

（一）元素内容

在八千万“云监工”的在线督战下，从1月25日到2月2日，短短十天，总建筑面积3.39万平方米、可容纳1000张床位的火神山就建设完工。在这个奇迹当中，基础电信运营商全力以赴保障通信网络畅通，24小时建成火神山医院5G基站，36小时开通雷神山医院通信网络的建设同样也看成通讯技术史上的一个奇迹。

在火神山医院之前，国人可能从未如此挂念过一座医院的建设。每天，数千万网友端坐在各种屏幕前，自愿充当“云监工”。但云监工背后的意义并不只是一场直播而已，它还意味着火神山医院直接驶入了5G高速。在1月25日下午，火神山医院就完成了2个新建基站、2个存量基站改造工作，提前交付使用。武汉移动的突击队完成了基站的调试工作，火神山医院首个5G基站正式开通。

36小时内，武汉联通完成了从查勘、规划、设计到施工、调测、开通、优化的全过程，基站开通较预计提前了整整三天。在完成5G信号覆盖的同时，中国电信还向火神山医院交付云资源，为HIS（医院信息系统）、PACS（影像存储传输系统）等核心系统部署提供计算与存储能力，并建成了火神山医院与解放军总医院远程会诊系统。也正是在这样首先保障医疗通讯建设的强大设施前提下，数千万网友才有机会通过三大运营商开通的直播，完成了对建设全过程的“云监工”。

火神山医院（建设中，高分二号卫星拍摄于2020年1月31日）

同样，雷神山医院建成前也已实现千兆网络覆盖，可接受5G信号，无线网络可承载2.5万人的并发通信需求，可以满足远程指挥、远程会诊、远程手术和数据传输。

经过连续奋战，火神山医院和雷神山医院无线通信设施建设与医院建设同时完成，建成并开通4G/5G基站共计42个，实现4G/5G网络全覆盖。移动通讯服务商为火神山医院语音线路分配500个IMS号码，并添加了红名单、统付等功能，确保医院建成后语音线路即可正常使用。而这一切也汇成了大家在这场在抗击疫情之战中的底气。

湖北移动建设人员架设5G设备

（二）参考文献

1.“如盐入味”，清华课程思政正在进行ing…….

https://baijiahao.baidu.com/sid=1650625160087466509&wfr=spider&for=pc

2. 杨震. 信息通信技术在抗击新冠肺炎疫情中的重要作用(上)[J]. 前进论坛, 2020, No.549(04):51-54.

3. 武汉移动开通火神山医院首个5G基站.

http://m.xinhuanet.com/hb/202001/25/c_1125501690.htm

4. 从太空看火神山、雷神山！航天遥感见证中国速度.

https://www.sohu.com/a/370597139_120381558

（三）价值拓展

通信的目的就是快速准确地传递信息，让学生体会“有效性”和“可靠性”在通信系统中的的重要性。火神山的建成，需要伟大的爱国主义和奉献精神；培养学生爱岗敬业的工作作风。

引导学生了解到应该怎样学专业知识、抱着怎样一种正确的态度去认识自己的专业。也帮助他们树立起一种信心和理想，运用所学知识服务于国家和民族的发展。

05、高级算法与数据结构

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第三章动态规划

3.1 动态规划算法的基本原理

一、授课内容

1.1 动态规划算法的基本思想

在现实生活中，有一类问题被定义为最优决策问题，这类问题可能会有许多可行解，每一个解都对应于一个值，我们希望找到具有最优值的那个解，即最优解。20世纪40年代，Richard Bellman首次使用了动态规划这个术语，用来描述最优决策问题的求解过程。其核心思想是将最优决策问题按照时间或空间特征分解成若干相互关联的阶段，以便按次序去求每个阶段的解。各阶段开始时具有客观条件（称之为状态），当各阶段的状态确定以后，就可以做出不同的决定，从而确定下一阶段的状态，这种决定称为决策。“动态”是指在一定条件下，根据上一阶段的状态和决策来导出本阶段的状态，“规划”是指建立状态转移方程。最优决策问题的难点在于，各个阶段决策的选取不能任意确定，它既依赖于当前面临的状态，又影响着以后的发展。

1.2 动态规划算法与分治法的区别和联系

动态规划算法与（第二章）分治法类似，都是将待求解问题分解为若干个子问题，先求解子问题，再结合这些子问题的解得到原问题的解。与分治法不同之处在于：

（1）适合用动态规划求解的问题经分解得到的子问题往往不是相互独立的（即重叠子问题），在递归模型上采用分治法自顶向下求解时，有些子问题被反复计算。动态规划算法正是利用重叠子问题的性质，将各阶段子问题的最优值保存在一个表格中，在需要时以常数时间查看结果，这样可以避免大量的重复计算。对于一些在递归模型上具有指数下界的算法来说，当不同子问题的个数随问题的大小呈多项式增长时，用动态规划的表格式方法来存储重叠子问题的解，可以将指数时间减少为多项式时间，从而有效降低了时间复杂度。

（2）每个阶段的子问题可能会有许多可行解，当问题的最优解包含了其子问题的最优解时（即最优子结构），表格里只存储子问题的最优解就可以了。利用最优子结构性质，动态规划可以自底向上的从子问题的最优解逐步构造出原问题的最优解，从而有效控制了空间复杂度。

1.3 0-1背包问题的动态规划算法

0-1背包问题是指，给定n种物品和一个背包，物品i的重量为wi，价值为vi，背包的容量为S，问如何选择装入背包中的物品，使得背包中物品的总价值最大。利用动态规划算法求解该问题的思想是，先逐步解决容量为1，2，…的小背包问题，最后解决容量为S的背包问题。

（a）0-1背包问题

（b）状态转移方程及其求解过程

图 1 动态规划求解0-1背包问题

从动态规划的基本性质为切入点，分别证明0-1背包问题具有最优子结构性质和重叠子问题性质，而后由浅入深地分析初始阶段、终止阶段及各阶段的问题空间，在此基础上递归定义状态变量（即最优值）及其状态转移方程。接下来，对于给定的问题实例，以自底向上的方式计算最优值，最后根据计算最优值时得到的信息，调用递归模型通过回溯的方式构造最优解。

二、实施过程

（一）思政元素类型：

社会主义核心价值观教育，职业理想和职业道德教育。

（二）课堂教学方法：

1. 教学手段：采用板书、PPT、动画、视频等多媒体形式。

2. 课程思政融入点：知识点中的动态规划基本原理与“知行合一”哲学思想、“舍与得”的哲理、适中思想等相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

元素一：动态规划中的“知行合一”理念

（一）元素内容

能够采用动态规划算法来求解的问题需要具备两个重要性质：最优子结构、重叠子问题。对于给定问题，只有证明其具备了这两个性质，才能设计相应的状态转移方程，从而保证动态规划算法的正确性。这个过程中所体现的是“知行合一”的哲学思想，给出问题具备最优子结构和重叠子问题性质的定理是“知”，自底向上求解各阶段子问题的最优值是“行”。由于对问题性质的证明过程涉及数学归纳法、反证法等，对学生的抽象思维、逻辑思维有一定的要求，因此同学们往往会忽略对“知”的关注，而把动态规划算法仅仅等同于用伪代码描述过程，或者直接通过编写程序来运行算法等“行”的范畴，从而割裂了“知”与“行”之间的关系。

“知行”是中国传统哲学的重要范畴，其始于《尚书》与《左传》，《尚书》有“非知之艰，行之惟艰”之说[1]，《左传》有“非知之实难，将在行之”之说[2]。东北大学校训“自强不息、知行合一”中的“知行合一”出自于《传习录》[3]，它是明代著名哲学家王守仁的弟子们记录老师的学术讲话及论学书信的集子。守仁说：“知之真切笃行处即是行，行之明觉精察处即是知。”又说：“若会得时，只说一个知已自有行在，只说一个行已自有知在。”都是说明知行本来合一，无可分割。对于知而不行的时弊，王守仁有这样一段一针见血的话：“今人却将知行分作两件去做，以为必先知了，然后能行，我如今且去讲习讨论做知的功夫，待知得真了方去做行的功夫，故遂终身不行，亦遂终身不知。此不是小病痛，其来已非一日矣。某今说个知行合一，正是对病的药。又不是某凿空杜撰，知行本体原是如此。”他认为，“真知即所以为行，不行不足谓之知”，又强调“圣学只是一个功夫，知行不可分作两事”。

理解了“知行合一”的哲学思想，就会将动态规划算法的正确性证明和算法设计思想有机融合在一起，不可分割。

（二）参考文献

[1] 顾迁：《尚书》，中华书局，2016年.

[2] 杨伯峻：《春秋左传注》，中华书局，2016年．

[3] 王阳明，叶圣陶：《传习录》，北京时代华文书局，2014年．

（三）价值拓展

我们在生活中经常会遇到复杂的最优决策问题，要学会应用“知行合一”的哲学思想，分析思考问题的性质（即致“知”）和实际去解决问题（即格“物”）不可分割，“知是行之始，行是知之成”。格物致知的过程体现在，是否可以把这个大问题划分为若干阶段的小问题？这些小问题之间是否有共性？大问题的最优决策是否包含了小问题的最优决策？如果基本符合动态规划的规律，就可以先把每个小问题解决好，一步一个脚印，循序渐进，小成功的不断积累更加有利于建立起自信，最终这个复杂的问题会迎刃而解。

06、数据科学思维与大数据智能分析技术

第一章数据科学时代

第一节引言

一、授课内容

进入21世纪,随着云计算、物联网、大数据、人工智能蓬勃发展，引发了一场关于“数据密集型科学发现”(data-intensive scientific ）的新的科学范式的思考与辩论，即所谓“第四科学范式”（fourth science paradigm）。已逝的计算机图灵奖获得者、著名数据库专家Jim Gray 博士，于2007年在加州山景城召开的NRC-CSTB（National Research Council-Computer Science and Telecommunications Board）大会上所做演讲中提出，把数据密集型科学从第三范式（计算科学）中单独区分开来，进而作为一种新的科研范式，源于该研究方式不同于基于数学模型的传统研究方式，这就是数据科学第四范式。自此，确立了科学研究上，先后历经了实验、理论、计算和数据四种科学范式。

二、实施过程

（一）思政元素类型：

1.创新思维

（二）课堂教学方法：

1.教学手段：采用PPT、案例分析法等形式。

2.课程思政融入点：知识点中的第四科学范式出现与批判性思维相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

数据科学第四范式的诞生，体现创新与批判性思维

（一）元素内容

批判性思维（Critical thinking）是指通过信息和批判来进行合理判断的能力。批判（Critique）应该是有根据的（well-grounded）、有充分理由的（well-reasoned）、有充分判断的（well-judged）、以及基于对信息的详细分析、评估和评价的。批判性思维可能涉及许多批判性思维特质和技能，可能包括问题理解和解决方案的深度，问题范围和解决方案的广度，对于问题求解途径的直觉或者洞见，对于“假设”的情景分析和对结果富有想象力的思考，引入新观点和创造更好的设计方案的创造力，对于各种可能性和替代性的好奇心，获取思路、选项和行为时的灵活性，对于不同的想法、新的机会和灵感的开明性，对可能的后果和替代方面进行推理，对于假设和经验性总结的正当性进行验证，为辩论提供合理的论据，寻求真理的过程与结果的一致性，以及为达成更好和更深刻的理解而进行反思、自我评估和自我改进。

实验范式典型代表人物是伽利略，其与学生在意大利比萨斜塔上做的“两个铁球同时着地”实验是人们津津乐道的实验范式典型案例。该实验证明了亚里士多德提出的“重物体先于轻物体优先落地”的观点是错误的，在当时人们都把亚里士多德的结论奉为真理的年代，这种敢于质疑专家的勇气难能可贵。不过，被伽利略质疑的亚里士多德在他生活的年代，恰恰也是一位具有敢于质疑前辈的批判性思考学者。亚里士多德的老师是帕拉图，帕拉图是一位理性主义者，而亚里士多德是经验主义代表人物，拉斐尔的世界名画《雅典学院》很好地体现了这两位的哲学思想（图3）。因为信仰不同，亚里士多德对老师帕拉图的很多哲学观点都不赞同，因此有人说他不尊重自己的老师，处处与老师做对，于是就有了亚里士多德那句亘古名言“吾爱吾师，吾更爱真理！”，这句话可以说是对批判性思考的最恰如其分的诠释。

图3 拉斐尔的世界名画《雅典学院》

（二）参考文献

Jim Gray. E-service：科学方法的革命,2007.

（三）价值拓展

批判性思维要求对于专家给出的结论，不要马上全部接受，要有自己独立的思考和质疑，在这个过程中，分析支持与反对论点的论据，并加以深入思考，从而决定结论的正确与否。

07、数据科学基础

第1章课程导论

1.3 数据分析的过程及意义

一、授课内容：

数据分析的基本过程：

(1) 数据收集:数据收集是按照确定的数据分析框架，收集相关数据的过程，它为数据分析提供了素材和依据。根据不同的分析目的，有不同的数据来源。数据可以是直接可以获取的原始数据，也可以是经过加工后的数据。

(2) 数据预处理：数据处理是指对收集到的数据进行加工整理，形成适合数据分析的样式。数据处理主要包括数据清洗、数据转化、数据提取、数据计算等处理方法。一般拿到手的数据都需要进行一定的处理才能用于后续的数据分析工作。数据处理是数据分析的基础。

(3) 数据分析：数据分析是指用适当的分析方法及工具，对处理过的数据进行分析，提取有价值的信息，形成有效结论的过程。数据挖掘是一种高级的数据分析方法，从大量的数据中挖掘出有用的信息。数据挖掘侧重解决四类数据分析问题:分类、聚类、关联和预测，重点在寻找模式和规律。数据分析与数据挖掘的本质是一样的，都是从数据里面发现关于业务的知识。

(4) 数据呈现：数据是通过表格和图形的方式来呈现的，我们常说用图表说话就是这个意思。常用的数据图表包括饼图、柱形图、条形图、折线图、散点图、雷达图等。

数据分析是一个探索性的过程，通常从特定的问题和应用开始。它需要好奇心、寻找答案的欲望和很好的韧性，因为这些答案并不总是容易得到的。因此，需要掌握科学的方法进行数据分析，才能更好的将数据科学学科的内容应用到实际生产生活中。随着大数据的发展，数据分析已经渗透到各行各业，特别是互联网、电子商务、金融三大产业。同时，数据分析在电信、旅游、医疗卫生等领域有着广泛的应用。此外，像我国非常重要的尖端科技发展、大国重器及超级工程的背后都离不开数据分析的技术支持。

二、实施过程：

（一）思政元素类型：

1.职业理想和职业道德教育；

2.社会主义核心价值观教育。

（二）课堂教学方法：

1.教学手段：采用PPT、视频等多媒体形式。

2.课程思政融入点：知识点中的“数据分析是一个探索过程，需要好奇心、寻找答案的欲望和很好的韧性”与科学探索精神相契合，知识点中的“我国非常重要的科技发展和标志性成果的背后都离不开数据分析的技术支持”与中国深海科技相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

奋斗者号的探索精神

（一）元素内容

北京时间2020年11月10日上午8时12分，中国的科学家与工程师用实际行动致敬人类探海先驱：全海深载人深潜器“奋斗者”号成功坐底地球第四极，海洋最深处——马里亚纳海沟挑战者深渊（Challenger Deep, Mariana Trench），坐底深度为10909米。

奋斗者号成功潜入海底10909米，对中国未来的海洋开发可谓意义重大，随着时间的推移，陆地上可开发的资源越来越少，而全球如今正处于人口增长大爆发的时代，陆上资源终究会有枯竭的那一天，而占据全球大部分面积的海洋，则拥有比陆地更为丰富的资源，石油，煤炭等资源应有尽有，为了人类未来的发展，开发海洋资源势在必行。

与美日的深海潜水器相比，美日的潜航器虽然都下潜到了一万多米的深度，但由于科技限制，只能进行简单的上下潜水工作，能够做出的贡献无非是刷新一下潜水深度，探明一些海底物质，而奋斗者号不仅能潜到一万多米，同时还能进行较长时间的系统性作业，这才是真正能对海洋开发起到作用的进步。

奋斗者号作业情况

中国科学院深海科学与工程研究所是本次“奋斗者”号海试任务的牵头完成单位，完成了“奋斗者”号南海和马里亚纳海沟两阶段海试，可谓是此次万米海试任务的“大管家”。中科院深海所的科研人员突破了深渊探测关键材料技术、深渊模拟实验技术和全海深载人/无人潜水器瓶颈技术，积累了丰富的万米海试作业经验以及马里亚纳海沟海斗深渊区的海洋环境数据，掌握了部分深渊区的精细地形数据。

针对深渊复杂环境下大惯量载体多自由度航行操控、系统安全可靠运行等技术难题，“奋斗者”号控制系统实现了基于数据与模型预测的在线智能故障诊断、基于在线控制分配的容错控制以及海底自主避碰等功能，提高了潜水器的智能程度和安全性；采用基于神经网络优化的算法实现了大惯量载体贴海底自动匹配地形巡航、定点航行及悬停定位等高精度控制功能，其中，水平面和垂直面航行控制性能指标，达到国际先进水平。

总书记习近平在对奋斗者号的贺信中指出，“奋斗者”号研制及海试的成功，标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力，体现了我国在海洋高技术领域的综合实力。从“蛟龙”号、“深海勇士”号到今天的“奋斗者”号，奋斗者号的科研人员以严谨科学的态度和自立自强的勇气，践行“严谨求实、团结协作、拼搏奉献、勇攀高峰”的中国载人深潜精神，为科技创新树立了典范。

（二）参考文献

1.习近平：为建设世界科技强国而奋斗.http://www.xinhuanet.com//politics/2016-05/31/c_1118965169.htm

2. 中国“奋斗者”号坐底10909米对海洋探索的意义.http://www.360doc.com/content/20/1117/05/14253823_946238361.shtml

3. 习近平致信祝贺“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并胜利返航.http://cpc.people.com.cn/n1/2020/1128/c64094-31948074.html

4.“奋斗者”号上的最强中国智慧.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1684674846954936823&wfr=spider&for=pc

（三）价值拓展

“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试，是我国深海科技探索道路上的重要里程碑，通过这个实例让学生了解我国深海科技中涉及到的海洋环境数据、精细地形数据等数据分析应用，同时理解对未知事物的好奇心和对科学的探索精神的重要性，让学生进一步领会奋斗者号的“深潜精神”。

08、智能网络与分布式计算

第三章智能无线网络

第三节5G

一、授课内容

5G网络架构和组网方案

（1）5G逻辑架构：5G网络架构设计的基本原则，主要包括：控制功能的重构、控制转发的分离、核心网结构的简化、高效灵活的控制转发、智能运营和开放网络能力的支持等。在5G网络架构中，基于SDN和NFV等技术，将网络功能虚拟化，解耦网络设备功能和物理实体，做到控制和转发功能的分离，实现更加开放的应用程序编程接口（Application Program Interface，API），实现不同种类网络资源的实时感知和优化分配，并按需提供和适配网络连接和网络功能。与此同时，为了满足运营需求，要不断增强接入网和核心网的功能，构建支持多连接、自组织等灵活的网络拓扑结构，实现对不同业务的高效按需编排。

（2）5G物理架构：在网络实际部署阶段，物理架构设计十分重要，直接决定了将网络功能映射到物理节点所需的成本，同时也对网络性能优化起到关键支撑作用。为了对核心网的灵活性提供有效支持，5G引入了NFV和SDN技术，这就使得5G与前几代技术不同，协议栈方法论的制定需要重新考虑，比如，接口不必要定义在网络单元之间而可以定义在网络功能之间，或者以软件定义接口代替原来的协议。

（3）5G组网：在5G通信网络中，随着网络接入设备的日益增多以及用户需求的日益提升，移动通信流量将呈现爆炸式增长态势，如何使得5G网络有效支持流量增长是面临的挑战之一。解决该问题的核心技术之一就是密集化组网，减小小区半径，部署更多的低功率节点。将Macro作为网络覆盖的主要元素，引入新的低功率节点加强对某些区域的信号覆盖，常用的低功率基站有中继站点（RelayStation）、微基站（MicroCell）、微微蜂窝基站（PicoCell）、家庭基站(HomeeNB)等，这种方式以增大基站部署密度来消除Macro基站的覆盖盲区，能够有效分担宏蜂窝的负载，在提高用户的通信速率的同时，降低网络中的功耗，为用户带来更好的服务体验。

（4）5G应用场景：5G技术已经成为支撑智能制造转型的关键使能技术。5G技术可以利用三大场景将分布广泛、零散的人、机器和设备全部连接起来，构建统一的互联网络。由于实时性和可靠性高，5G技术不但能应用于工业场景中，还能支撑起个人移动化互联网应用。5G技术的发展可以帮助制造企业摆脱以往无线网络技术较为混乱的应用状态，这对于推动工业互联网的实施以及智能制造的深化转型有着积极的意义。中国华为技术有限公司已于2018年开始面向全球客户批量发货5G，在华为的推动和助力下，中东、欧洲、亚洲等地区的运营商逐渐开展5G商用网络的批量部署。5G的应用前景非常广阔，亟需对5G技术展开深入研究，以满足其商业化需求。

二、实施过程

（一）思政元素类型：

1.职业理想教育

2.科研报国教育

（二）课堂教学方法：

1.教学手段：采用PPT、视频等多媒体形式。

2.课程思政融入点：知识点中的5G关键技术与科学精神、社会责任感、科研报国等相契合，从而引申出思政案例。

三、思政元素内容

元素一：华为5G设备，助力巴西农业生产

（一）元素内容

针对大豆生产问题，巴西主要大豆产区戈亚斯州（Goias）推出面向豆农的农业支持程序，通过华为5G技术和设备来提高生产率，并针对作物疾病采取快速行动。华为巴西市场总监Tiago Fontes表示，该试点项目在大豆种植小镇Rio Verde启动。

华为5G通信将使生产商能够通过安装在农田、收割机和无人机上的传感器收集信息，这样就可以适时捕获作物生产各类信息，方便地与气象和湿度数据进行交叉对比，从而为提高作物产量创造有利条件。华为5G技术融合了通信和云数据处理平台，农民可以通过5G技术快速掌握各类信息，可以让农民在一小时内得到过去需要三天才能得到的信息，这样农民就可以针对疾病和农作物面临的其他威胁迅速采取行动，而且在提高生产率的同时，还能降低除草剂成本。

华为技术全面领先

（二）参考文献

1.巴西选用华为5G设备，助豆农搞生产.https://new.qq.com/omn/20201204/20201204A05XG200.html

2. 巴西豆农试点使用华为 5G 技术和设备，提高生产率.https://www.ithome.com/0/522/953.htm

3. 国际科技丨华为5G让巴西惊喜，美代表脸色铁青离开，爱立信才醒觉严重性.https://view.inews.qq.com/a/20201210A09EHF00

（三）价值拓展

随着科技创新持续进步，中国在5G领域的优势越来越明显，通过这个案例说明华为5G技术实力名不虚传。当前，全球正在掀起第四次工业革命，以5G通信技术、高端制造等为代表，这些技术能带来美好生活。不过部分国家因为自身利益，不断阻碍5G技术发展，这是在逆全球发展趋势。让学生从这个案例中体会科学创造的价值，告诫学生一定要擦亮眼睛，认清是非，养成严谨求实的科研精神，树立远大的理想。

元素二：5G标准制定

（一）元素内容

中国的通信网络发展经历了“1G空白、2G跟随、3G突破、4G并跑、5G引领”，这背后的渊源是，3G时代中国自主研发了TD-SCDMA技术，但没法高通的CDMA技术相提并论；4G时代，中国的TD-LTE技术有了一定突破，但其中的核心长码编码Turbo码和短码咬尾卷积码，仍旧不是中国原创。

5G时代将重新定义全球市场，华为成为5G领先者，华为的专利申请数可以说是遥遥领先于其他公司。2016年11月，关于5G标准制定的3GPP RAN1第87次在美国举行。11月17日凌晨一点，5G短码方案讨论终于揭晓了结果：中国华为公司主推的Polar Code（极化码）方案，以压倒性的投票优势，成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案。

编码和调制是无线通信技术中最核心最深奥的部分，被誉为通信技术的皇冠，体现着一个国家通信科学基础理论的整体实力——这也是华为主推的极化码入选5G标准为什么会引发业界内外舆论广泛关注的原因。

华为5G专利高居榜首

（二）参考文献

1.3GPP确定Polar码为5G控制信道编码方案.https://www.huawei.com/cn/news/2016/11/3GPP-Polar-5G

2.中国的5G核心技术科学家只有22岁！.https://www.eetchina.com/news/201908200924.html

（三）价值拓展

Polar Code 极化码取得胜利，各大外国的通信设备生产商在5G的通信设备中都会采用“华为的标准”，中国成了真正意义上通信基础规则的“制定者”。告诉学生们这一切的成功，是参与科学研究的幕后英雄，是他们让中国在世界舞台上有了话语权，激发学生以科研为骄傲，培养科研报国的家国情怀！

09、C程序设计基础（理工类）

第五章循环控制

5.5数值计算求解方程根

一、授课内容

（1）一元二次方程求解，将数学计算过程转换为计算机算法，利用计算机程序求解；二分法设计与实现，表达式对算法效率的影响；牛顿迭代法设计与实现，函数对算法效率的影响；快速开根方算法的理解与实现（思考与拓展）。

（2）认知计算机迭代算法效率问题，综合分析二分法、牛顿迭代算法、快速开根方算法求解平方根。

（3）拓展讨论程序运行时间计算问题；时间函数库的应用、程序运算的时间成本、运算效率在计算机算法设计中的重要性及影响计算机执行效率的因素

二、实施过程

（一）思政元素类型

1.家国情怀；

2.科学精神。

（二）课堂教学方法

1。教学手段

“算法效率提升”。利用程序设计中的“迭代开发”思想，由浅入深，螺旋式上升。教学过程由四个迭代周期构成，每个迭代周期平均25分钟左右，采用PPT、视频等多媒体形式。采用“问题教学法”，部分内容需要学生网上搜索资料并加以归纳分析。教师讲授主要完成引导、重点讲解和总结，大部分教学活动留给学生，发挥学生主动性，锻炼学生的协作学习能力。

说明：

（1）二分法和牛顿迭代法在《C语言程序设计(理工类)》课程所选教材中有明确的阐述和源程序，有利于学生课前预习和课后复习。

（2）快速平方根算法在网上有相关资料（百科和博客），需要学生通过网络去查询相关资料，鼓励学生主动获取知识和技能。

（3）利用课前和课间5分钟时间播放《厉害了，我的国》与计算机产业相关的片段。从分析计算机运算效率的因素讨论引入思政元素的内容。

2.课程思政融入点

课程知识点中相关的“计算效率”、“迭代计算”与国家计算机产业发展、科学精神等相契合。

三、思政元素内容

神威·太湖之光超级计算机

（一）元素内容

超级计算机，被称为“国之重器”，超级计算属于战略高技术领域，是世界各国竞相角逐的科技制高点，也是一个国家科技实力的重要标志之一。自中国863计划实施以来，国家高度重视并且支持超级计算系统的研发，但由于基础薄起步较晚，在国际舞台中一直受制于人，美国更是在2015年宣布对中国禁售高性能处理器。

神威·太湖之光超级计算机是由我国并行计算机工程技术研究中心研制、安装在国家超级计算无锡中心的超级计算机，是世界上首个峰值运算速度超过十亿亿次的超级计算机，神威·太湖之光的运算峰值能够达到12.5435亿亿次，一分钟计算能力相当于全世界72亿人同时用计算机计算32年。神威·太湖之光共安装了40960个中国自主研发的“申威26010”众核处理器，该处理器采用64位自主申威指令系统。2016年11月14日，新一期全球超级计算机500强（TOP500）榜单，中国“神威·太湖之光”以较大的运算速度优势轻松蝉联冠军。算上此前“天河二号”的六连冠，中国已连续4年占据全球超算排行榜的最高席位。

（二）参考文献

神威·太湖之光超级计算机

（三）价值拓展

（1）分组讨论引导学生用包容的态度对待有分歧的观点和看法。

（2）实现迭代计算的过程就是逐步求精的过程，不积跬步，无以至千里（荀子/《劝学篇》）。

10、电磁场与电磁波

第四章恒定磁场

第1节恒定磁场的实验定律和磁感应强度

一、授课内容

二、实施过程

（一）思政元素类型

中国特色社会主义和中国梦教育

（二）课堂教学手法

1.教学手段：

采用PPT、视频等多媒体形式。

2.课程思政融入点

为了纪念伟大的物理学家、电气工程师、交流电之父，人们将磁感应强度的单位定义为“特斯拉”，从特斯拉一生淡泊名利、无私奉献的科研精神，引申出思政案例。

三、思政元素内容

淡泊名利甘于奉献，共筑科技强国梦

（一）元素内容

特斯拉一生的发明见证着他对社会无私的贡献。在他众多的发明里，最惠及大众的莫过于交流电及交流电发电机了。如今，在世界的每一个角落，经济的发展、科学的进步和生活的享受都离不开交流电的帮助。爱迪生发明直流电后，电器得到广泛应用，而电费同时却十分高昂，所以经营输出直流电成为了当时最赚钱的生意。到特斯拉脱离爱迪生公司后，他正式向社会展示了他的交流电发明。在1893年1月位于芝加哥的一次世界博览会开幕礼中，特斯拉展示了交流电，同时点亮了90000盏灯泡的供电能力，震慑全场，因为直流电根本达不到这种效果。

在交流电取代了直流电成为供电的主流后，特斯拉本有可能拥有数不清的财富。因为他掌握了交流电的专利权，在当时每生产一匹交流电，特斯拉就能得到1美元的版税。然而，在强大的利益驱动下，美国多股财团联合起来，要挟特斯拉放弃此项专利权，并意图独占牟利。经过多番交涉后，特斯拉决定放弃交流电的专利权，条件是交流电的专利将永久公开。从此他便撕掉了交流电的专利，损失了收取版税的权利。也因为如此，交流电再没有专利，成为一项免费的发明，令全人类受益至今。

诺贝尔物理学奖自创立开始的三十年里，尼古拉·特斯拉一个人就被评选出九次，与爱迪生一起二次，而他把这十一次的诺贝尔奖全部让贤。纵观诺贝尔得奖历史，科学家通过研究尼古拉·特斯拉的作品，从而得到启发获得诺贝尔物理学奖的比率占了27%，间接得到启发的比率超过65%。比如帮他证明X光危害的伦琴（Wilhelm Conrad Roentgen）随即成为1901年首届诺贝尔物理学奖得主。尼古拉·特斯拉一生独立开发并取得专利七百种，合作开发达一千种以上，帮忙开发的更是数不清，却分文未放入自己囊中。

（二）参考文献

唐乾. 特斯拉:被遗忘的发明家[J]. 发明与创新:学生版, 2007, 000(005):14-15.

（三）价值拓展

通过以上案例的讲解，引领学生树立服务于国家战略需求与社会发展的正确的学习观与价值观，培养学生的社会使命感与责任感，激励学生为国家、民族的科技振兴而奋斗的信念与热情。

四月课程上新（点击海报查询详情）

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END

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