以问题为导向的信号量机制课堂思政教学设计
2023-07-26张晓娇李耀星郭曜源
张晓娇，李耀星，郭曜源
（鄂尔多斯应用技术学院 数学与计算机工程系，内蒙古 鄂尔多斯 01700)
0 引言
信号量机制是荷兰学者Dijkstra 提出的一种卓有成效的进程同步工具[1]。在计算机操作系统中，信号量机制被广泛应用于进程同步与互斥中。以问题解决为导向的信号量机制课堂思政教学设计中，以去年全球疫情为例，提出国内采用精准防控，在应检尽检的核酸检测队伍中，将检测人群中的个人看作是进程，再将信号量机制的同步与互斥应用于核酸检测，学生们在问题求解中体验学有所用的价值，激发学生积极探索的求知欲，为以后从事自主可控，安全可靠的国产操作系统和利用计算机操作系统的基本思想、信号量机制解决计算机科学领域的相关应用研究打下坚实基础。
1 信号量机制课堂教学中蕴含的思政元素
习近平总书记强调，“为谁培养人、培养什么人、怎样培养人”始终是教育的根本问题。落实立德树人根本任务，必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂[2]。操作系统是计算机系统资源的管理者，也是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都要用到操作系统提供的服务。操作系统技术也是衡量一个国家计算机技术整体实力和创新能力的关键。在操作系统课程有效课堂设计中，以润物细无声的方式融入“立德树人”的思政元素，以解决信号量机制问题为导向，采用BOPPPS模型，精细设计每一环节呈现内容，提高学生探索和解决实际问题的能力，培养学生脚踏实地、精益求精的工匠精神的同时，坚定文化自信、制度自信与家国情怀。
2 信号量机制课堂教学设计
2.1 教学目标
依据本次课的教学目标及要求，将信号量机制的教学目标分为德育目标、知识目标和能力目标。结合教学目标，选取与本课对应的能力指标，将思政元素融入教学内容的培养途径如表1所示。
表1 教学目标与思政元素培养途径
表2 教学重难点与解决措施
2.2 学情分析
大二学生已经从适应大学生活的准备阶段跨入稳定发展阶段，能适应大学生的学习与生活。学生思维较活跃，接受新知识的能力比较强，大部分学生已经逐渐养成良好的课前、课后自主完成MOOC、雨课堂任务的学习习惯，但仍不排除一些自控力较差的学生，尤其是网课，自控力差的学生表现尤为突出；大部分学生具备一定的问题求解、计算思维能力与编程能力，能够完成教师提出的问题与布置的任务，并根据所学知识，完成算法分析与代码编写，也具有一定的自主学习与合作探究能力。还需进一步培养学生良好的学习习惯，争取引导自控力差的学生有明显进步。
2.3 教学内容
信号量机制的课堂主要教学内容有信号量类型、信号量概念、用信号量实现进程互斥与同步，具体如图1所示。
图1 信号量机制课堂教学内容
2.4 教学重点和难点
2.5 课堂教学过程结构设计
课堂教学过程结构设计采用以学生为中心的BOPPPS模型，该模型是在交际法、建构主义等理论的指导下，强调学生参与和反馈的闭环教学过程模型，是加拿大乃至全球许多国家比较推崇的有效课堂教学模型[3-4]。该模型分为引入(Bridge -in) 、目标(Objective) 、预评价(Pre-assessment) 、参与学习(Participatory learning) 、后评价(Post-assessment) 和小结(Summary) 六个部分[5]，一是强调和明确学习目标；二是强调学生的积极参与过程；三是强调教学过程的反思[6]。将立德树人的思政元素融入教学的各个部分中，具体过程如下。
1) 引入(Bridge -in)
教师以生活中疫情防控为情景，引入核酸检测过程中多进程并发时的信号量机制，引起学生关注时事，激发学生探究问题的兴趣。教学案例如下：
疫情期间，居民排队混检核酸。设每一个二维码最多可供10 人检测，当录入人员发现扫码少于10 人时，排队居民可立即登记，否则需等待。若把一个居民看作一个进程，请用信号量机制管理并发进程，尝试解决以下问题。①写出信号量的初值以及信号量各种取值的含义。②根据所定义的信号量，请用P、V操作实现核酸检测过程中的代码。
在给出案例初始解决方法的过程中，要求学生独立思考、自主分析问题、积极探索用信号量求解。同时让学生查阅国内外疫情防控情况，感悟人民至上，生命至上的理念。
2) 目标(Objective)
教师以核酸检测为例，探讨了信号量在居民与医护人员进程间同步与互斥。引导学生坚定文化自信，制度自信。
3) 预评价(Pre-assessment)
教师采用问题引导，启发式与互动式相结合，鼓励学生勤于思考，要求学生利用所学知识，积极探索“引入”阶段提出的问题，分析算法描述，培养学生脚踏实地、精益求精的工匠精神与科学创新精神。
4) 参与学习(Participatory learning)
在参与学习环节，教师先抛出前趋图，让学生回顾前趋关系，再对前趋关系上的进程P1 和P2 共享一个公用信号量S 进行说明，并赋予其初值为0，将signal(S)操作放在语句S1 后面，而在S2 语句前面插入wait(S)操作，即：
在进程P1中，用S1;signal(S);
在进程P2中，用wait(S);
在提问与解释下完成信号量应用理论与代码编写。然后采用小组协作与讨论，完成复杂前趋关系，并利用P、V原语进行描述。通过小组讨论，组员间相互交流、互相学习，取长补短，培养学生的团队意识与协作能力。学生完成前趋关系的算法设计与代码编写后，再解决核酸检测过程中的进程同步与互斥，思考核酸检测过程中多进程并发时如何用P、V 原语描述。每个学生在小组中先讲述自己的解决方法，然后小组集体讨论评议每种方法的优缺点，最后评议出本组的最佳解决方法。
5) 后评价(Post-assessmen)
在后评价部分，首先解决前趋图中用P、V原语实现的进程同步，强调 P、V 原语书写规则，然后解决核酸检测中多居民进程并发的进程同步问题，用P、V原语实现算法分析与代码编写，并发送雨课堂测试题。引导学生注重信号量书写规范，避免由于细小错误而导致死锁问题，养成严谨的科学作风，并给出标准答案，见图2。
图2 居民核酸检测标准答案
6) 小结(Summary)
教师引领学生回顾本次课学会了什么。学生整理笔记，梳理学习内容，并完成课堂知识小结。同时教师提出高阶问题，如果是多居民、多窗口、多检测人员如何用信号量机制解决进程同步与互斥。引导学生举一反三，能够灵活运用信号量机制解决实际生活问题。督促学生关注时事，提高社会责任感，牢固树立有国才有家的家国情怀。
3 教学效果与反思
3.1 雨课堂形成性检测评价与分析
雨课堂形成性检测分为理解和应用两个学习目标层次，具体如表3所示。
表3 雨课堂形成性检测
通过雨课堂对20 大数据54 人、20 计科56 人、21专升本1 班35 人、21 专升本2 班2 班39 人进行测试，分出本科层次110 人，专科层次74 人，信号量机制的测试结果汇总情况如图3、图4所示。
图3 本科层次评测结果
图4 专升本层次评测结果
表4 雨课堂投票及教学评价
从雨课堂各个班级的完成概况可以看出本科层次的完成率是95.5%，平均分是80.52，专升本层次的完成率是100%，平均分是79.86 分，从雨课堂综合数据表现来看，专升本层次的学生比本科层次的学生出勤率高，本科层次的个别同学没有完成试卷，自律欠佳，总体上来看较好地达到了本次课堂的教学目标。
3.2 雨课堂投票分析
雨课堂投票是在课程结束后，为了检验信号量机制教学效果，要求学生利用3～5分钟完成的雨课堂投票，即对课堂教学与课堂思政的一个小调查，共有5个题目，4个班级184名同学中，有177人完成了投票，有效率为96.2%。每个投票选项的百分比计算公式为：
根据表4 的投票及结果统计表明，信号量机制课堂教学设计与思政元素融入方面取得效果较好。
3.3 教学反思
本次课采用钉钉直播+雨课堂智慧平台，将BOPPPS 模型引入教学过程，完成了信号量机制的学习。教师先引入荷兰学者Dijkstra 与信号量，再以国内疫情防控过程中核酸检测为例，分析该案例中居民、扫码人员与检测人员三者之间的同步与互斥关系，激发学生的求知欲。其次，问题引导的BOPPPS有效课堂教学有利于增强学生的问题意识，有利于培养学生的自主学习能力。在课后与学生交流的过程中，大多数学生表示能够在问题引导下，自己去寻找答案。通过以问题为主线的探究，培养了学生的自主意识与自主学习能力。其三，将家国情怀、人民至上、生命至上的思政元素融入课堂教学设计中，有效地发挥了课程思政的育人作用。其四，学生获取知识与信息的方式多元化，有助于拓宽学生的视野。在课前、课中、课后的整个教学设计过程中，大部分学生能够按时完成资料查阅，雨课堂预习内容与测试，也有个别学生未完成，尤其是自主学习的MOOC 内容，需要进一步加强激励与督促机制，完成后续教学。
4 结束语
本文以操作系统中信号量机制为例，课堂采用BOPPPS 教学模型，教师提出问题，学生分析问题、解决问题。学生从专业知识学习的角度出发，在解决鲜活、形象的问题中，激发学生求知欲。在潜移默化的思政过程中，也让学生明白核心技术是国之重器，是我们民族最大的命门，但多项上游核心技术受制于人，年轻一代要对自己国家笃定自信，形成认同内化。
