以問題為導向的信號量機制課堂思政教學設計

張曉嬌，李耀星，郭曜源

（鄂爾多斯應用技術學院 數學與計算機工程系，內蒙古 鄂爾多斯 01700)

0 引言

信號量機制是荷蘭學者Dijkstra 提出的一種卓有成效的進程同步工具[1]。在計算機操作系統中，信號量機制被廣泛應用于進程同步與互斥中。以問題解決為導向的信號量機制課堂思政教學設計中，以去年全球疫情為例，提出國內采用精準防控，在應檢盡檢的核酸檢測隊伍中，將檢測人群中的個人看作是進程，再將信號量機制的同步與互斥應用于核酸檢測，學生們在問題求解中體驗學有所用的價值，激發學生積極探索的求知欲，為以后從事自主可控，安全可靠的國產操作系統和利用計算機操作系統的基本思想、信號量機制解決計算機科學領域的相關應用研究打下堅實基礎。

1 信號量機制課堂教學中蘊含的思政元素

習近平總書記強調，“為誰培養人、培養什么人、怎樣培養人”始終是教育的根本問題。落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂[2]。操作系統是計算機系統資源的管理者，也是所有其他軟件與計算機硬件的唯一接口，所有用戶在使用計算機時都要用到操作系統提供的服務。操作系統技術也是衡量一個國家計算機技術整體實力和創新能力的關鍵。在操作系統課程有效課堂設計中，以潤物細無聲的方式融入“立德樹人”的思政元素，以解決信號量機制問題為導向，采用BOPPPS模型，精細設計每一環節呈現內容，提高學生探索和解決實際問題的能力，培養學生腳踏實地、精益求精的工匠精神的同時，堅定文化自信、制度自信與家國情懷。

2 信號量機制課堂教學設計

2.1 教學目標

依據本次課的教學目標及要求，將信號量機制的教學目標分為德育目標、知識目標和能力目標。結合教學目標，選取與本課對應的能力指標，將思政元素融入教學內容的培養途徑如表1所示。

表1 教學目標與思政元素培養途徑

表2 教學重難點與解決措施

2.2 學情分析

大二學生已經從適應大學生活的準備階段跨入穩定發展階段，能適應大學生的學習與生活。學生思維較活躍，接受新知識的能力比較強，大部分學生已經逐漸養成良好的課前、課后自主完成MOOC、雨課堂任務的學習習慣，但仍不排除一些自控力較差的學生，尤其是網課，自控力差的學生表現尤為突出；大部分學生具備一定的問題求解、計算思維能力與編程能力，能夠完成教師提出的問題與布置的任務，并根據所學知識，完成算法分析與代碼編寫，也具有一定的自主學習與合作探究能力。還需進一步培養學生良好的學習習慣，爭取引導自控力差的學生有明顯進步。

2.3 教學內容

信號量機制的課堂主要教學內容有信號量類型、信號量概念、用信號量實現進程互斥與同步，具體如圖1所示。

圖1 信號量機制課堂教學內容

2.4 教學重點和難點

2.5 課堂教學過程結構設計

課堂教學過程結構設計采用以學生為中心的BOPPPS模型，該模型是在交際法、建構主義等理論的指導下，強調學生參與和反饋的閉環教學過程模型，是加拿大乃至全球許多國家比較推崇的有效課堂教學模型[3-4]。該模型分為引入(Bridge -in) 、目標(Objective) 、預評價(Pre-assessment) 、參與學習(Participatory learning) 、后評價(Post-assessment) 和小結(Summary) 六個部分[5]，一是強調和明確學習目標；二是強調學生的積極參與過程；三是強調教學過程的反思[6]。將立德樹人的思政元素融入教學的各個部分中，具體過程如下。

1) 引入(Bridge -in)

教師以生活中疫情防控為情景，引入核酸檢測過程中多進程并發時的信號量機制，引起學生關注時事，激發學生探究問題的興趣。教學案例如下：

疫情期間，居民排隊混檢核酸。設每一個二維碼最多可供10 人檢測，當錄入人員發現掃碼少于10 人時，排隊居民可立即登記，否則需等待。若把一個居民看作一個進程，請用信號量機制管理并發進程，嘗試解決以下問題。①寫出信號量的初值以及信號量各種取值的含義。②根據所定義的信號量，請用P、V操作實現核酸檢測過程中的代碼。

在給出案例初始解決方法的過程中，要求學生獨立思考、自主分析問題、積極探索用信號量求解。同時讓學生查閱國內外疫情防控情況，感悟人民至上，生命至上的理念。

2) 目標(Objective)

教師以核酸檢測為例，探討了信號量在居民與醫護人員進程間同步與互斥。引導學生堅定文化自信，制度自信。

3) 預評價(Pre-assessment)

教師采用問題引導，啟發式與互動式相結合，鼓勵學生勤于思考，要求學生利用所學知識，積極探索“引入”階段提出的問題，分析算法描述，培養學生腳踏實地、精益求精的工匠精神與科學創新精神。

4) 參與學習(Participatory learning)

在參與學習環節，教師先拋出前趨圖，讓學生回顧前趨關系，再對前趨關系上的進程P1 和P2 共享一個公用信號量S 進行說明，并賦予其初值為0，將signal(S)操作放在語句S1 后面，而在S2 語句前面插入wait(S)操作，即：

在進程P1中，用S1;signal(S);

在進程P2中，用wait(S);

在提問與解釋下完成信號量應用理論與代碼編寫。然后采用小組協作與討論，完成復雜前趨關系，并利用P、V原語進行描述。通過小組討論，組員間相互交流、互相學習，取長補短，培養學生的團隊意識與協作能力。學生完成前趨關系的算法設計與代碼編寫后，再解決核酸檢測過程中的進程同步與互斥，思考核酸檢測過程中多進程并發時如何用P、V 原語描述。每個學生在小組中先講述自己的解決方法，然后小組集體討論評議每種方法的優缺點，最后評議出本組的最佳解決方法。

5) 后評價(Post-assessmen)

在后評價部分，首先解決前趨圖中用P、V原語實現的進程同步，強調 P、V 原語書寫規則，然后解決核酸檢測中多居民進程并發的進程同步問題，用P、V原語實現算法分析與代碼編寫，并發送雨課堂測試題。引導學生注重信號量書寫規范，避免由于細小錯誤而導致死鎖問題，養成嚴謹的科學作風，并給出標準答案，見圖2。

圖2 居民核酸檢測標準答案

6) 小結(Summary)

教師引領學生回顧本次課學會了什么。學生整理筆記，梳理學習內容，并完成課堂知識小結。同時教師提出高階問題，如果是多居民、多窗口、多檢測人員如何用信號量機制解決進程同步與互斥。引導學生舉一反三，能夠靈活運用信號量機制解決實際生活問題。督促學生關注時事，提高社會責任感，牢固樹立有國才有家的家國情懷。

3 教學效果與反思

3.1 雨課堂形成性檢測評價與分析

雨課堂形成性檢測分為理解和應用兩個學習目標層次，具體如表3所示。

表3 雨課堂形成性檢測

通過雨課堂對20 大數據54 人、20 計科56 人、21專升本1 班35 人、21 專升本2 班2 班39 人進行測試，分出本科層次110 人，?？茖哟?4 人，信號量機制的測試結果匯總情況如圖3、圖4所示。

圖3 本科層次評測結果

圖4 專升本層次評測結果

表4 雨課堂投票及教學評價

從雨課堂各個班級的完成概況可以看出本科層次的完成率是95.5%，平均分是80.52，專升本層次的完成率是100%，平均分是79.86 分，從雨課堂綜合數據表現來看，專升本層次的學生比本科層次的學生出勤率高，本科層次的個別同學沒有完成試卷，自律欠佳，總體上來看較好地達到了本次課堂的教學目標。

3.2 雨課堂投票分析

雨課堂投票是在課程結束后，為了檢驗信號量機制教學效果，要求學生利用3～5分鐘完成的雨課堂投票，即對課堂教學與課堂思政的一個小調查，共有5個題目，4個班級184名同學中，有177人完成了投票，有效率為96.2%。每個投票選項的百分比計算公式為：

根據表4 的投票及結果統計表明，信號量機制課堂教學設計與思政元素融入方面取得效果較好。

3.3 教學反思

本次課采用釘釘直播+雨課堂智慧平臺，將BOPPPS 模型引入教學過程，完成了信號量機制的學習。教師先引入荷蘭學者Dijkstra 與信號量，再以國內疫情防控過程中核酸檢測為例，分析該案例中居民、掃碼人員與檢測人員三者之間的同步與互斥關系，激發學生的求知欲。其次，問題引導的BOPPPS有效課堂教學有利于增強學生的問題意識，有利于培養學生的自主學習能力。在課后與學生交流的過程中，大多數學生表示能夠在問題引導下，自己去尋找答案。通過以問題為主線的探究，培養了學生的自主意識與自主學習能力。其三，將家國情懷、人民至上、生命至上的思政元素融入課堂教學設計中，有效地發揮了課程思政的育人作用。其四，學生獲取知識與信息的方式多元化，有助于拓寬學生的視野。在課前、課中、課后的整個教學設計過程中，大部分學生能夠按時完成資料查閱，雨課堂預習內容與測試，也有個別學生未完成，尤其是自主學習的MOOC 內容，需要進一步加強激勵與督促機制，完成后續教學。

4 結束語

本文以操作系統中信號量機制為例，課堂采用BOPPPS 教學模型，教師提出問題，學生分析問題、解決問題。學生從專業知識學習的角度出發，在解決鮮活、形象的問題中，激發學生求知欲。在潛移默化的思政過程中，也讓學生明白核心技術是國之重器，是我們民族最大的命門，但多項上游核心技術受制于人，年輕一代要對自己國家篤定自信，形成認同內化。