以問題為導(dǎo)向的信號(hào)量機(jī)制課堂思政教學(xué)設(shè)計(jì)

張曉嬌，李耀星，郭曜源

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)工程系，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 01700)

0 引言

信號(hào)量機(jī)制是荷蘭學(xué)者Dijkstra 提出的一種卓有成效的進(jìn)程同步工具[1]。在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，信號(hào)量機(jī)制被廣泛應(yīng)用于進(jìn)程同步與互斥中。以問題解決為導(dǎo)向的信號(hào)量機(jī)制課堂思政教學(xué)設(shè)計(jì)中，以去年全球疫情為例，提出國(guó)內(nèi)采用精準(zhǔn)防控，在應(yīng)檢盡檢的核酸檢測(cè)隊(duì)伍中，將檢測(cè)人群中的個(gè)人看作是進(jìn)程，再將信號(hào)量機(jī)制的同步與互斥應(yīng)用于核酸檢測(cè)，學(xué)生們?cè)趩栴}求解中體驗(yàn)學(xué)有所用的價(jià)值，激發(fā)學(xué)生積極探索的求知欲，為以后從事自主可控，安全可靠的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)和利用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的基本思想、信號(hào)量機(jī)制解決計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 信號(hào)量機(jī)制課堂教學(xué)中蘊(yùn)含的思政元素

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“為誰培養(yǎng)人、培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人”始終是教育的根本問題。落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，必須將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可割裂[2]。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者，也是所有其他軟件與計(jì)算機(jī)硬件的唯一接口，所有用戶在使用計(jì)算機(jī)時(shí)都要用到操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。操作系統(tǒng)技術(shù)也是衡量一個(gè)國(guó)家計(jì)算機(jī)技術(shù)整體實(shí)力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。在操作系統(tǒng)課程有效課堂設(shè)計(jì)中，以潤(rùn)物細(xì)無聲的方式融入“立德樹人”的思政元素，以解決信號(hào)量機(jī)制問題為導(dǎo)向，采用BOPPPS模型，精細(xì)設(shè)計(jì)每一環(huán)節(jié)呈現(xiàn)內(nèi)容，提高學(xué)生探索和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地、精益求精的工匠精神的同時(shí)，堅(jiān)定文化自信、制度自信與家國(guó)情懷。

2 信號(hào)量機(jī)制課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)本次課的教學(xué)目標(biāo)及要求，將信號(hào)量機(jī)制的教學(xué)目標(biāo)分為德育目標(biāo)、知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo)。結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，選取與本課對(duì)應(yīng)的能力指標(biāo)，將思政元素融入教學(xué)內(nèi)容的培養(yǎng)途徑如表1所示。

表1 教學(xué)目標(biāo)與思政元素培養(yǎng)途徑

表2 教學(xué)重難點(diǎn)與解決措施

2.2 學(xué)情分析

大二學(xué)生已經(jīng)從適應(yīng)大學(xué)生活的準(zhǔn)備階段跨入穩(wěn)定發(fā)展階段，能適應(yīng)大學(xué)生的學(xué)習(xí)與生活。學(xué)生思維較活躍，接受新知識(shí)的能力比較強(qiáng)，大部分學(xué)生已經(jīng)逐漸養(yǎng)成良好的課前、課后自主完成MOOC、雨課堂任務(wù)的學(xué)習(xí)習(xí)慣，但仍不排除一些自控力較差的學(xué)生，尤其是網(wǎng)課，自控力差的學(xué)生表現(xiàn)尤為突出；大部分學(xué)生具備一定的問題求解、計(jì)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(wù)，并根據(jù)所學(xué)知識(shí)，完成算法分析與代碼編寫，也具有一定的自主學(xué)習(xí)與合作探究能力。還需進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，爭(zhēng)取引導(dǎo)自控力差的學(xué)生有明顯進(jìn)步。

2.3 教學(xué)內(nèi)容

信號(hào)量機(jī)制的課堂主要教學(xué)內(nèi)容有信號(hào)量類型、信號(hào)量概念、用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥與同步，具體如圖1所示。

圖1 信號(hào)量機(jī)制課堂教學(xué)內(nèi)容

2.4 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

2.5 課堂教學(xué)過程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)過程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以學(xué)生為中心的BOPPPS模型，該模型是在交際法、建構(gòu)主義等理論的指導(dǎo)下，強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與和反饋的閉環(huán)教學(xué)過程模型，是加拿大乃至全球許多國(guó)家比較推崇的有效課堂教學(xué)模型[3-4]。該模型分為引入(Bridge -in) 、目標(biāo)(Objective) 、預(yù)評(píng)價(jià)(Pre-assessment) 、參與學(xué)習(xí)(Participatory learning) 、后評(píng)價(jià)(Post-assessment) 和小結(jié)(Summary) 六個(gè)部分[5]，一是強(qiáng)調(diào)和明確學(xué)習(xí)目標(biāo)；二是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的積極參與過程；三是強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程的反思[6]。將立德樹人的思政元素融入教學(xué)的各個(gè)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(cè)過程中多進(jìn)程并發(fā)時(shí)的信號(hào)量機(jī)制，引起學(xué)生關(guān)注時(shí)事，激發(fā)學(xué)生探究問題的興趣。教學(xué)案例如下：

疫情期間，居民排隊(duì)混檢核酸。設(shè)每一個(gè)二維碼最多可供10 人檢測(cè)，當(dāng)錄入人員發(fā)現(xiàn)掃碼少于10 人時(shí)，排隊(duì)居民可立即登記，否則需等待。若把一個(gè)居民看作一個(gè)進(jìn)程，請(qǐng)用信號(hào)量機(jī)制管理并發(fā)進(jìn)程，嘗試解決以下問題。①寫出信號(hào)量的初值以及信號(hào)量各種取值的含義。②根據(jù)所定義的信號(hào)量，請(qǐng)用P、V操作實(shí)現(xiàn)核酸檢測(cè)過程中的代碼。

在給出案例初始解決方法的過程中，要求學(xué)生獨(dú)立思考、自主分析問題、積極探索用信號(hào)量求解。同時(shí)讓學(xué)生查閱國(guó)內(nèi)外疫情防控情況，感悟人民至上，生命至上的理念。

2) 目標(biāo)(Objective)

教師以核酸檢測(cè)為例，探討了信號(hào)量在居民與醫(yī)護(hù)人員進(jìn)程間同步與互斥。引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)定文化自信，制度自信。

3) 預(yù)評(píng)價(jià)(Pre-assessment)

教師采用問題引導(dǎo)，啟發(fā)式與互動(dòng)式相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生勤于思考，要求學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，積極探索“引入”階段提出的問題，分析算法描述，培養(yǎng)學(xué)生腳踏實(shí)地、精益求精的工匠精神與科學(xué)創(chuàng)新精神。

4) 參與學(xué)習(xí)(Participatory learning)

在參與學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教師先拋出前趨圖，讓學(xué)生回顧前趨關(guān)系，再對(duì)前趨關(guān)系上的進(jìn)程P1 和P2 共享一個(gè)公用信號(hào)量S 進(jìn)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(jìn)程P1中，用S1;signal(S);

在進(jìn)程P2中，用wait(S);

在提問與解釋下完成信號(hào)量應(yīng)用理論與代碼編寫。然后采用小組協(xié)作與討論，完成復(fù)雜前趨關(guān)系，并利用P、V原語進(jìn)行描述。通過小組討論，組員間相互交流、互相學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)與協(xié)作能力。學(xué)生完成前趨關(guān)系的算法設(shè)計(jì)與代碼編寫后，再解決核酸檢測(cè)過程中的進(jìn)程同步與互斥，思考核酸檢測(cè)過程中多進(jìn)程并發(fā)時(shí)如何用P、V 原語描述。每個(gè)學(xué)生在小組中先講述自己的解決方法，然后小組集體討論評(píng)議每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后評(píng)議出本組的最佳解決方法。

5) 后評(píng)價(jià)(Post-assessmen)

在后評(píng)價(jià)部分，首先解決前趨圖中用P、V原語實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程同步，強(qiáng)調(diào) P、V 原語書寫規(guī)則，然后解決核酸檢測(cè)中多居民進(jìn)程并發(fā)的進(jìn)程同步問題，用P、V原語實(shí)現(xiàn)算法分析與代碼編寫，并發(fā)送雨課堂測(cè)試題。引導(dǎo)學(xué)生注重信號(hào)量書寫規(guī)范，避免由于細(xì)小錯(cuò)誤而導(dǎo)致死鎖問題，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，并給出標(biāo)準(zhǔn)答案，見圖2。

圖2 居民核酸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)答案

6) 小結(jié)(Summary)

教師引領(lǐng)學(xué)生回顧本次課學(xué)會(huì)了什么。學(xué)生整理筆記，梳理學(xué)習(xí)內(nèi)容，并完成課堂知識(shí)小結(jié)。同時(shí)教師提出高階問題，如果是多居民、多窗口、多檢測(cè)人員如何用信號(hào)量機(jī)制解決進(jìn)程同步與互斥。引導(dǎo)學(xué)生舉一反三，能夠靈活運(yùn)用信號(hào)量機(jī)制解決實(shí)際生活問題。督促學(xué)生關(guān)注時(shí)事，提高社會(huì)責(zé)任感，牢固樹立有國(guó)才有家的家國(guó)情懷。

3 教學(xué)效果與反思

3.1 雨課堂形成性檢測(cè)評(píng)價(jià)與分析

雨課堂形成性檢測(cè)分為理解和應(yīng)用兩個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)層次，具體如表3所示。

表3 雨課堂形成性檢測(cè)

通過雨課堂對(duì)20 大數(shù)據(jù)54 人、20 計(jì)科56 人、21專升本1 班35 人、21 專升本2 班2 班39 人進(jìn)行測(cè)試，分出本科層次110 人，?？茖哟?4 人，信號(hào)量機(jī)制的測(cè)試結(jié)果匯總情況如圖3、圖4所示。

圖3 本科層次評(píng)測(cè)結(jié)果

圖4 專升本層次評(píng)測(cè)結(jié)果

表4 雨課堂投票及教學(xué)評(píng)價(jià)

從雨課堂各個(gè)班級(jí)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(shù)據(jù)表現(xiàn)來看，專升本層次的學(xué)生比本科層次的學(xué)生出勤率高，本科層次的個(gè)別同學(xué)沒有完成試卷，自律欠佳，總體上來看較好地達(dá)到了本次課堂的教學(xué)目標(biāo)。

3.2 雨課堂投票分析

雨課堂投票是在課程結(jié)束后，為了檢驗(yàn)信號(hào)量機(jī)制教學(xué)效果，要求學(xué)生利用3～5分鐘完成的雨課堂投票，即對(duì)課堂教學(xué)與課堂思政的一個(gè)小調(diào)查，共有5個(gè)題目，4個(gè)班級(jí)184名同學(xué)中，有177人完成了投票，有效率為96.2%。每個(gè)投票選項(xiàng)的百分比計(jì)算公式為：

根據(jù)表4 的投票及結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，信號(hào)量機(jī)制課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與思政元素融入方面取得效果較好。

3.3 教學(xué)反思

本次課采用釘釘直播+雨課堂智慧平臺(tái)，將BOPPPS 模型引入教學(xué)過程，完成了信號(hào)量機(jī)制的學(xué)習(xí)。教師先引入荷蘭學(xué)者Dijkstra 與信號(hào)量，再以國(guó)內(nèi)疫情防控過程中核酸檢測(cè)為例，分析該案例中居民、掃碼人員與檢測(cè)人員三者之間的同步與互斥關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的求知欲。其次，問題引導(dǎo)的BOPPPS有效課堂教學(xué)有利于增強(qiáng)學(xué)生的問題意識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在課后與學(xué)生交流的過程中，大多數(shù)學(xué)生表示能夠在問題引導(dǎo)下，自己去尋找答案。通過以問題為主線的探究，培養(yǎng)了學(xué)生的自主意識(shí)與自主學(xué)習(xí)能力。其三，將家國(guó)情懷、人民至上、生命至上的思政元素融入課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，有效地發(fā)揮了課程思政的育人作用。其四，學(xué)生獲取知識(shí)與信息的方式多元化，有助于拓寬學(xué)生的視野。在課前、課中、課后的整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，大部分學(xué)生能夠按時(shí)完成資料查閱，雨課堂預(yù)習(xí)內(nèi)容與測(cè)試，也有個(gè)別學(xué)生未完成，尤其是自主學(xué)習(xí)的MOOC 內(nèi)容，需要進(jìn)一步加強(qiáng)激勵(lì)與督促機(jī)制，完成后續(xù)教學(xué)。

4 結(jié)束語

本文以操作系統(tǒng)中信號(hào)量機(jī)制為例，課堂采用BOPPPS 教學(xué)模型，教師提出問題，學(xué)生分析問題、解決問題。學(xué)生從專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，在解決鮮活、形象的問題中，激發(fā)學(xué)生求知欲。在潛移默化的思政過程中，也讓學(xué)生明白核心技術(shù)是國(guó)之重器，是我們民族最大的命門，但多項(xiàng)上游核心技術(shù)受制于人，年輕一代要對(duì)自己國(guó)家篤定自信，形成認(rèn)同內(nèi)化。