基于“微沙龍”的《操作系統(tǒng)》線上實踐教學(xué)案例設(shè)計
——以“同步互斥算法實現(xiàn)”實驗為例

程 葳

(北京城市學(xué)院信息學(xué)部，北京 100083)

新冠疫情暴發(fā)使各高校線上教學(xué)成為常態(tài)，教師如何利用好先進教學(xué)工具、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境、營造良好學(xué)習(xí)氛圍，成為保障線上教學(xué)質(zhì)量的重要課題。“沙龍”是一種以各種話題進行討論的集會活動。之后該形式也被引入到現(xiàn)代高等教育中，如學(xué)術(shù)沙龍等。目前，部分網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(如優(yōu)慕課)將這一形式作為隨堂教學(xué)的工具，為增進線上教學(xué)過程中師生、生生互動提供了新的可能。

《操作系統(tǒng)》課程是計算機類專業(yè)的必修課程，由于課程理論部分主要講授操作系統(tǒng)內(nèi)核知識，內(nèi)容抽象，不易理解，因此需結(jié)合實踐教學(xué)，在實驗中培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力。但是，線上實踐教學(xué)由于隔著屏幕，師生、生生互動缺乏，授課效果難以保障。因此，針對教學(xué)中的實際痛點，引入恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)互動工具，營造學(xué)生自主學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，促進課程目標(biāo)的較好達成，就顯得十分必要。

一、《操作系統(tǒng)》線上實踐教學(xué)的主要問題

《操作系統(tǒng)》課程實踐主要以程序設(shè)計為主，教師需要通過不斷了解學(xué)生實驗狀況，監(jiān)督每位學(xué)生的完成進度和完成效果，發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作中的問題，并幫助解決。但是，在線上教學(xué)平臺中，上述過程的完成成本較高，很難達到以往線下的教學(xué)效果。主要問題表現(xiàn)為：

1.學(xué)生完成實驗的進度差異遠高于線下。由于線上教學(xué)無法保證每位同學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境，大部分學(xué)生行動比較懶散，完成實驗的進度明顯慢于線下。由此同學(xué)間能力差異也更為顯著。自律較好的學(xué)生進度能夠和線下基本保持一致，但大部分學(xué)生會有不同程度的滯后。在這種情況下，如何在教學(xué)過程中兼顧每位同學(xué)是個較大的問題。

2.無法快速掌握全班同學(xué)的情況。線上教學(xué)的另一個難點是教師不可能同時監(jiān)控到每位學(xué)生的進度。在線上教學(xué)，教師只能通過不停地詢問學(xué)生進展情況，請求學(xué)生將實驗截圖發(fā)給她，這種方式首先干擾到學(xué)生的實踐行為，不停地催促打斷了學(xué)生思考和解決問題的進度，其次，占用大量課程時間和教師精力，教師往往只能看到積極同學(xué)的回應(yīng)，而對不積極同學(xué)容易忽略。

3.生生互動受到很大限制。線下教學(xué)中，學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)與幫助對學(xué)生提升實踐技能、順利完成實驗有非常重要的幫助。但是在遠程教學(xué)環(huán)境中，生生互動也受到很大限制，大部分學(xué)生產(chǎn)生問題后沒有方便的渠道與其他同學(xué)分享討論問題。少部分同學(xué)甚至可能直接拷貝源代碼執(zhí)行了事，由此降低了實踐教學(xué)的效果。

二、基于“沙龍”的線上實踐教學(xué)優(yōu)勢

線上直播教學(xué)是一種新形式，需要教師充分研究其特點，探索使用與之相適應(yīng)的教學(xué)工具和教學(xué)方法。由此，本著“以學(xué)生為中心”的思想，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的“沙龍”工具引入《操作系統(tǒng)》實驗課堂，探索在新形勢下的課程目標(biāo)達成方法。

這里的“沙龍”是指優(yōu)慕課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中的“沙龍”工具。教師可以在上課期間在手機端或電腦端隨時增加沙龍，也可以提前設(shè)置好，在上課時間隨時打開。其與普通“討論區(qū)”工具的類似之處在于學(xué)生可以在其中發(fā)表言論或上傳圖片，所有學(xué)生均可見，營造了一種良好的公共區(qū)域相互監(jiān)督效果，有效避免同學(xué)間的抄襲。但和“討論區(qū)”不同的地方在于，每位學(xué)生在一個沙龍中只能發(fā)言一次。因此通過查看發(fā)言數(shù)，教師就能及時了解到參與沙龍的學(xué)生人數(shù)。

將“沙龍”工具與騰訊會議直播空間相結(jié)合，教師可以及時對每位學(xué)生上傳的結(jié)果給予第一時間響應(yīng)，讓學(xué)生感覺老師是無時無刻關(guān)注他的。同時，對學(xué)生的點評也能被其他學(xué)生聽到。這樣通過對學(xué)生思路的閃光點給予表揚與推薦，激發(fā)學(xué)生間思維互動；通過及時指出問題，防止類似錯誤再次發(fā)生。因此，“沙龍”改變了之前教師帶著學(xué)生做實驗的模式，教師的注意力在關(guān)注學(xué)生作品和啟發(fā)學(xué)生思維，通過不斷的師生互動、生生互動最終走向正確的實驗結(jié)果。真正做到了學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的課堂組織新模式，有效緩解上述線上實踐教學(xué)中的問題。

1.基于沙龍的生生互動。沙龍模式對同學(xué)間相互借鑒成功思維很有幫助。在沙龍的組織過程中，教師的及時點評非常重要。教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生中的思路閃光點，并推薦給其他同學(xué)，這樣有利于學(xué)生間思維的相互激發(fā)，產(chǎn)生更多、更好的答案。同時這一過程中也建立了公共區(qū)域的相互監(jiān)督效用，可以有效抑制“復(fù)制-粘貼”的抄襲行為。

2.基于沙龍的師生互動。師生互動是沙龍得以發(fā)揮效力的重要環(huán)節(jié)。教師在開啟沙龍的過程中，一定要不斷和學(xué)生互動。一方面教師對每位學(xué)生的及時回應(yīng)可以有效激發(fā)學(xué)生的熱情和參與度；另一方面教師與學(xué)生的探討對其他學(xué)生也是良好的示范與督促。此外，沙龍的顆粒度也是設(shè)計中需要考慮的問題。如果一個沙龍的任務(wù)過大過難，學(xué)生需要較長時間才能完成和呈現(xiàn)結(jié)果，則教師也無法及時了解學(xué)生們遇到的問題。在程序設(shè)計的過程中，我們可以將程序的實現(xiàn)過程設(shè)計成一個不斷優(yōu)化和改進的過程，以此設(shè)計若干個沙龍，從而讓師生真正互動起來，引導(dǎo)學(xué)生在這一過程中進行分析、評價和創(chuàng)新等高階思維。

3.沙龍對學(xué)生間進度差異問題的有效解決。在這里，承認遠程教學(xué)過程中勢必帶來學(xué)生完成實踐任務(wù)的差異度，關(guān)鍵問題是能夠讓各層次的學(xué)生都能感受到教師的指導(dǎo)，并能有所收獲。沙龍平臺為教師這一目標(biāo)的達成提供了有效支撐。教師通過隨時觀看沙龍發(fā)言學(xué)生人數(shù)，可以了解學(xué)生實驗進度。在有一定數(shù)量學(xué)生完成任務(wù)的時候就可以開啟下一任務(wù)。因為新沙龍的開啟并不影響學(xué)生在以往沙龍中的發(fā)言。因此，學(xué)生可以按照自己的進度逐一完成任務(wù)。教師通過不斷監(jiān)測，隨時查看各個沙龍的學(xué)生結(jié)果，對每位上傳結(jié)果的學(xué)生都給以第一時間回應(yīng)，雖然學(xué)生間進度存在差異化，但教師仍能關(guān)注到每位學(xué)生。同時，學(xué)生也能看到自己的進度處于班級什么水平，激勵學(xué)生盡快完成任務(wù)。

三、基于“微沙龍”的混合式實踐教學(xué)案例設(shè)計

通過以上討論可以發(fā)現(xiàn)，“沙龍”工具在實踐教學(xué)應(yīng)用中的主要優(yōu)勢，是可以通過在一次課程中構(gòu)造多個顆粒度較小的“微沙龍”，滿足不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。因此，將其應(yīng)用于混合式教學(xué)，可以形成“微沙龍+三段法”的新型教學(xué)模式。以《操作系統(tǒng)》課程為例，具體闡述其實施過程。

(一)教學(xué)目標(biāo)

圖1 “同步互斥算法實現(xiàn)”實驗在《操作系統(tǒng)》課程中的位置與目標(biāo)

進程管理是《操作系統(tǒng)》課程的重難點，特別是進程間同步互斥問題，教材中只給出了問題的解決算法。為了提升學(xué)生的工程實踐能力，在算法講解之后可補充用多線程程序?qū)崿F(xiàn)算法的實驗，以加深學(xué)生對并發(fā)、同步、互斥等操作系統(tǒng)核心概念的理解，同時鍛煉和提升學(xué)生的實踐應(yīng)用、問題分析、建模和算法實現(xiàn)等能力。但是該實驗所需多線程編程知識，學(xué)生前期并沒有基礎(chǔ)，因此即使在線下教學(xué)，也面臨課程內(nèi)容多、難度大，不同層次學(xué)生的完成度不同等諸多問題。

“同步互斥算法實現(xiàn)”實驗教學(xué)共4學(xué)時。如圖1所示，其前面有理論教學(xué)，完成進程同步與互斥等概念、以及基于信號量的同步互斥算法的學(xué)習(xí)。本次課程要求通過實驗，應(yīng)用多線程程序，實現(xiàn)基于信號量的線程同步與互斥算法，驗證操作系統(tǒng)相關(guān)結(jié)論，加深對進程、線程、并發(fā)、同步、互斥、通信等知識的理解，掌握在Linux操作系統(tǒng)中進行C程序設(shè)計的實踐技能。課程的教學(xué)目標(biāo)包括知識、技能和價值觀三個層面。

(二)基于三段法的混合式教學(xué)設(shè)計

針對上述課程目標(biāo)，我們將原有課程中的兩大任務(wù)，拆分為若干小任務(wù)。然后根據(jù)各小任務(wù)的難度和重要性分成基礎(chǔ)、重難點和挑戰(zhàn)三個級別，分別放置在課前、課中、課后三個階段去完成。

混合式教學(xué)的好處是可以將課前和課后學(xué)生學(xué)習(xí)時間都充分利用起來。大部分實驗指導(dǎo)書中的實驗內(nèi)容放在課前(難度較低部分)和課后(難度較高部分)，讓學(xué)生自行完成。而課中主要是對課前任務(wù)點評、重難點實踐案例講解和強化練習(xí)。如表1所示，一次教學(xué)過程學(xué)生需要完成兩次實驗報告——課前實驗報告和課后實驗報告，教師也需要批閱兩次實驗報告。但是課前批閱實驗報告，可全面掌握學(xué)生的問題和疑難點，使得課中寶貴時間更聚焦解決學(xué)生的實際問題。同時，課中實驗可以直奔課程重點，保證課程目標(biāo)的全部達成。最后，提升能力和高階思維的實驗放在課后完成，教師下次課程點評，使學(xué)生有更為充分的時間獨立思考，有助于提升思維的層次。

(三)基于“微沙龍”的課堂教學(xué)過程

具體課中教學(xué)包含以下五個環(huán)節(jié)。

1. 課程導(dǎo)入

明確課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，針對課前實驗中部分學(xué)生出現(xiàn)的提前進程結(jié)束問題，回顧線程知識點，重點強調(diào)線程與進程的區(qū)別。

2.作業(yè)點評

結(jié)合實驗指導(dǎo)書，總結(jié)多線程程序設(shè)計的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，解決課前實驗報告中第一大題(實驗指導(dǎo)書提供代碼)中的主要問題。然后重點講解課前實驗報告中第二大題(需要學(xué)生自行編寫代碼)的正確實現(xiàn)方法。結(jié)合兩位同學(xué)的解題過程和代碼，講解其中的優(yōu)點和問題。

3.多線程編程的高階用法

以兩個微沙龍組織教學(xué)，在課前作業(yè)的基礎(chǔ)上提升問題解決的難度。

表1 混合式教學(xué)“三段式”教學(xué)設(shè)計

圖2 “微沙龍”的行程

【微沙龍1】傳參線程。

練習(xí)向線程中傳遞參數(shù)的基本方法。本沙龍僅需建立一個子線程。重點考查學(xué)生對線程創(chuàng)建、分離、銷毀全過程的掌握情況，同時培養(yǎng)參數(shù)傳遞小技能。

【微沙龍2】創(chuàng)建多線程。

練習(xí)利用線程數(shù)組創(chuàng)建多個線程。

本例在沙龍1代碼的基礎(chǔ)上稍加改動即可實現(xiàn)。重點讓學(xué)生通過實驗結(jié)果對線程并發(fā)有更為深入的理解，為后續(xù)多線程互斥程序開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4.基于信號量的同步互斥問題解決

同樣以兩個微沙龍組織教學(xué)，每個沙龍均包括算法復(fù)習(xí)、算法實現(xiàn)示例教學(xué)和沙龍任務(wù)三個部分。

【微沙龍3】基于信號量的互斥問題

本例重點讓學(xué)生練習(xí)信號量基本函數(shù)的使用方法。在講解對臨界資源管理過程中，引入思政元素，引導(dǎo)學(xué)生思考平時生活中的平等、公正和友善等社會主義核心價值觀。

【微沙龍4】基于信號量的同步問題

本例重點讓學(xué)生練習(xí)如何用信號量解決同步問題。由于同步和互斥在算法實現(xiàn)上是類似的，所以原設(shè)計為課后拓展提高內(nèi)容，放在課上主要提供給進度較快的同學(xué)。

5.課程總結(jié)

總結(jié)課程重要知識點，布置課后實驗報告。共分為四個部分。第一部分為課上實驗記錄，以此檢查學(xué)生課上實驗完成情況，并督促課上工作較慢同學(xué)課后完成剩余的實驗；第二部分基礎(chǔ)練習(xí)，是實驗指導(dǎo)書中未能在課堂上完成的練習(xí)內(nèi)容，均具有一定難度，如果學(xué)生能夠在完成過程中認真思考，對后面完成挑戰(zhàn)題具有較大幫助；第三部分課后練習(xí)，是課堂練習(xí)的變形和深化，難度與課堂練習(xí)基本相當(dāng)，學(xué)生課堂練習(xí)完成度較好的情況可以順利完成本部分；第四部分挑戰(zhàn)練習(xí)是二選一，均為復(fù)雜的同步互斥問題，具有一定難度，有助于幫助學(xué)生提升思維能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

四、教學(xué)效果與反思

圖3給出了上述教學(xué)過程各階段時間分布的肯特圖，從中可以看出，教師根據(jù)學(xué)生完成情況，逐步打開沙龍。這樣，進度較快的同學(xué)不必等待，可以繼續(xù)完成下一任務(wù)；而進度較慢的同學(xué)仍舊可以在以往沙龍中提交結(jié)果。從學(xué)生視角，沙龍是根據(jù)其學(xué)習(xí)進度依次展開的，營造了一種類似于自我學(xué)習(xí)的個性化場景。而進度慢的學(xué)生可以在這一過程中，可以感受到來自班級適度緊張的學(xué)習(xí)氛圍。從教師視角，可以同時監(jiān)控多個沙龍的學(xué)生進展，對每位上傳結(jié)果的學(xué)生都給予回應(yīng)。這樣，雖然學(xué)生間進度存在差異，但教師仍能方便地關(guān)注和指導(dǎo)到每位學(xué)生。

圖3 教學(xué)過程各階段的肯特圖

表2給出了課后對案例中各“微沙龍”的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。針對性較強的沙龍，學(xué)生的完成度也較好。微沙龍1持續(xù)的時間最長，說明遠程狀態(tài)下帶動學(xué)生完成實驗，確實是一件非常困難的事情。這也啟發(fā)我未來需要更深入研究沙龍的顆粒度和首個沙龍的難度?？上驳氖牵⑸除?的效果較好，說明系列微沙龍的逐步啟動對班級學(xué)生造成了一定的緊張氛圍，激發(fā)了行動遲緩的學(xué)生，同時也使動作較迅速同學(xué)更樂于完成任務(wù)，開啟下一微沙龍。對于完成度不好的微沙龍3和微沙龍4，本案例通過重新調(diào)整和設(shè)計課后實驗報告予以強化。

表2 微沙龍統(tǒng)計數(shù)據(jù)

本次課程采用的線上線下混合式三段設(shè)計和微沙龍式課堂實踐教學(xué)，使得91%的學(xué)生進行了課前預(yù)習(xí)并完成實驗報告，87%的學(xué)生參與課上實踐過程并至少完成1個案例的實現(xiàn)。教師能夠及時掌握班級整體實驗完成情況，督促學(xué)生跟上實驗進度，也為部分反應(yīng)較慢學(xué)生留出了一定的自由空間。教師能夠及時掌握學(xué)生作業(yè)完成情況，對學(xué)生作業(yè)給予及時的點評。同時，學(xué)生之間也可以相互了解進度和實驗情況，有利于自我督促和改進問題，提升了遠程實踐練習(xí)的質(zhì)量和效率。此外，本次課程的課后作業(yè)還采用師生互評方式，98%的學(xué)生參與本次互評，提升學(xué)生課堂參與的主人翁意識，同時培養(yǎng)了同學(xué)之間的團隊意識和友善互助的社會主義核心價值觀。

關(guān)于本次案例教學(xué)的總結(jié)與反思有以下幾點：

1.課程將部分基礎(chǔ)實驗放在課前預(yù)習(xí)實驗作業(yè)中，可以使教師在上課前有的放矢地準(zhǔn)備教案，特別是對必要的理論知識給予復(fù)習(xí)，實驗技能講解更具有針對性，能夠在課程中進行高階思維能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練。

2.課程采用微沙龍式實踐教學(xué)模式，是對線上實踐教學(xué)的一種有益探索。微沙龍可以使教師及時了解學(xué)生練習(xí)情況。比如本次教學(xué)，第1個沙龍任務(wù)完成時間較長，因為相當(dāng)一部分學(xué)生沒有做好課上實驗準(zhǔn)備，因此教師在這個過程中給予了一定的引導(dǎo)和鼓勵，鼓勵學(xué)生可以將有問題的實驗結(jié)果放在聊天區(qū)，幫助這部分同學(xué)解決問題。之后在沙龍中出現(xiàn)第一個結(jié)果后，很快就有同學(xué)上傳結(jié)果。目前沙龍還不支持顯示未提交答案的學(xué)生名單，如果能有該功能，就可以及時提醒未交答案的同學(xué)。

3.微沙龍的優(yōu)勢在于可以使同學(xué)間相互查看過程和進度，同時也避免了抄襲現(xiàn)象。但是也看到當(dāng)前學(xué)生具有較強自尊心，因此部分出現(xiàn)錯誤的學(xué)生往往會撤銷自己的作答。

4.沙龍的顆粒度設(shè)置是未來需要重點研究的問題。本次課程沙龍顆粒度較粗，造成進展明顯緩慢。特別是第一個沙龍的完成耽誤了大量時間，未來還需要進一步優(yōu)化與改進。