使用Python進(jìn)行非計算機專業(yè)程序入門教學(xué)的探討

計算機教學(xué)的目標(biāo)之一，是要使學(xué)生具有“扎實的問題分析能力和獨立的思考能力”。要達(dá)到這個目標(biāo)，一定程度的算法能力和編程實踐能力必須盡早的教授給學(xué)生，也許大一第一/二學(xué)期就應(yīng)該開始。目前，很多學(xué)校的計算機相關(guān)專業(yè)都在不斷的發(fā)展和實踐各種不同的教學(xué)方法，期望能讓學(xué)生更好更快的入門編程。

但是，眾所周知，無論使用哪種編程語言（C，C++等），程序入門教學(xué)都是比較困難的。程序入門教學(xué)的對象是“初學(xué)者”（包括計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)），他們一般只具有很少甚至沒有任何編程經(jīng)驗和背景。程序入門課程面對的困難是：在教會學(xué)生掌握分析和思考能力的同時，也要讓學(xué)生掌握一門具體編程語言的概念及使用。針對這個教學(xué)目的，衍生出很多創(chuàng)新的教學(xué)方式。而針對這個問題，本文也提出了一種創(chuàng)新的教學(xué)方式，即使用Python編程語言進(jìn)行教學(xué)。這一教學(xué)方式在我校的計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)都進(jìn)行了嘗試，結(jié)果證明這一教學(xué)方式是有效和令人滿意的。根據(jù)學(xué)生的反饋和調(diào)查，以及不斷增長的參加這門課程的學(xué)生人數(shù)，我們相信這個教學(xué)方式值得推廣，可以廣泛應(yīng)用到各種不同的計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)的程序入門課程。

表1

1.為什么選擇Python?

對大多數(shù)學(xué)校而言，針對非計算機專業(yè)開發(fā)這門課程是個挑戰(zhàn)：首先，學(xué)習(xí)這門課程的學(xué)生完全是一張白紙，沒有任何計算機編程或程序設(shè)計的概念。其次，通常程序入門是非計算機專業(yè)的一門選修課，學(xué)生來自不同的專業(yè)，有的具有很好的數(shù)學(xué)背景而有些沒有。第三，這門課程教授的編程語言必須符合計算機發(fā)展的潮流，應(yīng)該具有面向?qū)ο蟮奶攸c。當(dāng)然，可供選擇的語言有很多，從C，C++到Java，但是，問題是，哪一種語言既足夠簡單能讓學(xué)生快速上手，同時又能用來解決實際問題。在課程開始的一段時間里，大多數(shù)學(xué)校一直使用的是C語言。根據(jù)我們自己的經(jīng)驗以及學(xué)生的反饋，我們認(rèn)為，C語言雖然強大，但并不適于教授給沒有任何編程背景和經(jīng)驗的非計算機專業(yè)學(xué)生。

問題是為什么選擇Python?免費，開源，跨平臺，面向?qū)ο螅S富的Python教程，這些都是選擇的理由，但最重要的還是因為Python本身極高的易用性和強大的功能。根據(jù)我們最近兩年的教學(xué)實踐，Python得到這一評價是實至名歸的。Python的極高的易用性是學(xué)生可以把精力集中在對問題的分析和思考上，而不是花在學(xué)習(xí)復(fù)雜的語言結(jié)構(gòu)和語法上。

2.教學(xué)方式

給非計算機專業(yè)教授程序設(shè)計，即使是入門級的課程，也是很有挑戰(zhàn)性的。傳統(tǒng)的程序設(shè)計教學(xué)包含很多的課時，測試以及考試，對于非計算機專業(yè)入門課程來說，這并不是一個很好的方式。主要因為以下幾點：第一，因為學(xué)生的背景是各不相同，因此需要很多課時來學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的編程知識。第二，大部分學(xué)生都不喜歡冗長的靜態(tài)教學(xué)，100分鐘的課堂很難一直保持注意力。第三，課后作業(yè)（包括練習(xí)，試驗等）并不能真正的讓學(xué)生理解編程。實際上學(xué)生總是在互相copy彼此的作業(yè)。為了避免這些問題，教學(xué)時應(yīng)盡可能的使學(xué)生在課堂上練習(xí)思考和研究問題，以提高學(xué)生獨立思考和解決問題的能力。為了鼓勵學(xué)生，對于能獨立在課堂上完成的學(xué)生，應(yīng)給予額外加分。總的來說，教學(xué)方式的核心思想是把教師的職能從“高高在上的圣人”，變?yōu)椤爸笇?dǎo)學(xué)生的助手”，從而來達(dá)到我們的教學(xué)目的。讓學(xué)生通過有挑戰(zhàn)性的問題，聯(lián)系課堂活動，來理解程序設(shè)計。經(jīng)過一段對課程的實踐，我們觀察到了學(xué)生的進(jìn)步。首先，學(xué)生喜歡這樣的互動教學(xué)模式（通過對學(xué)生調(diào)查和反饋）；第二，學(xué)生愿意在課堂上花費更多的時間（有些學(xué)生甚至建議增加課時）；第三，學(xué)生變得更加自信并且測驗和考試通過率也更高。總而言之，學(xué)生比教學(xué)方式改變之前學(xué)得更好，期末平均成績證明了這一點。

3.教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)

程序入門教學(xué)要達(dá)到以下教學(xué)目標(biāo)：

(1)教授給學(xué)生足夠的計算機組織與結(jié)構(gòu)知識(軟件和硬件)；

(2)教授給學(xué)生獨立的使用Python編程語言的能力；

(3)提供符合教學(xué)要求和大綱的各種不同的實例和項目，幫助學(xué)生掌握獨立思考能力和實際問題解決能力；課程是入門級的課程，基本不考慮學(xué)生背景的差異。

我們教學(xué)方式符合下面這些教學(xué)目標(biāo)：

(1)教授給學(xué)生基礎(chǔ)的Python程序語言概念

(2)教授給學(xué)生基礎(chǔ)的程序設(shè)計概念

(3)讓學(xué)生理解以下概念：抽象，調(diào)試程序，函數(shù)和對象，遞歸，重用等

(4)教授學(xué)生程序邏輯思維和解決問題技巧

(5)教授學(xué)生發(fā)展團隊合作技能

(6)教授學(xué)生發(fā)展交流技巧

(7)教授學(xué)生把學(xué)到的編程技巧應(yīng)用和其他知識融合

4.課程特點和結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)此種教學(xué)方式，我們依據(jù)課程特點設(shè)計和測試了以下課程結(jié)構(gòu)并得到了學(xué)生的積極反饋：

●Python語言的易用性使得學(xué)生把精力集中在對問題的分析和思考上，而不是花在學(xué)習(xí)復(fù)雜的語言結(jié)構(gòu)和語法上

●強調(diào)邏輯推理能力，課程理論和實踐都圍繞這一點

●每個星期課程都包含三部分內(nèi)容，分別有理論學(xué)習(xí)，課堂實踐，學(xué)生練習(xí)以及團隊合作。課后作業(yè)也是緊密聯(lián)系本節(jié)所講授的重點。如表1所示。

●每節(jié)課都包含有一個“解決問題”環(huán)節(jié)，緊密聯(lián)系當(dāng)前階段所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，重點是問題分析能力以及把字面問題轉(zhuǎn)換為計算機能理解的問題。

●如果時間允許，和計算機相關(guān)的高級內(nèi)容也可以介紹一些。

●課堂時間環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)學(xué)生用軟件方法解決問題的能力。選擇的問題要盡可能的接近實際并鼓勵學(xué)生去解決實際問題。課堂要盡可能互動，要選擇一些容易讓學(xué)生互動的方式和問題。

●詳細(xì)講解每一個課堂示例。

●試驗環(huán)節(jié)要包括需要團隊合作才能完成的內(nèi)容。

5.教學(xué)大綱

●介紹：計算機里面有什么？

○這節(jié)內(nèi)容簡要的介紹一下計算機組織與結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)和編程語言。

●Python開發(fā)環(huán)境

○這節(jié)內(nèi)容介紹Python的安裝以及運行環(huán)境。

●Python的第一個程序

○這節(jié)內(nèi)容介紹幾個簡單的Python程序

○課堂實踐環(huán)節(jié)介紹一下Python的運行模式：運行模式和編輯模式

○跳過main函數(shù)，直接在命令行中運行程序，以便降低難度并讓學(xué)生有一個直觀的認(rèn)識

●介紹軟件開發(fā)流程

○這節(jié)課程，對軟件開發(fā)流程進(jìn)行一個詳細(xì)的介紹

○根據(jù)內(nèi)容，例舉一些軟件開發(fā)的例子（如Windows是如何全球協(xié)作開發(fā)）

●Python基礎(chǔ)語法和命令

○介紹Python的輸入和輸出，以及賦值語句

○介紹Python的兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型：數(shù)值型和字符串類型

●循環(huán)和判斷

○介紹if，if-else，if-elif-else

○介紹for循環(huán)

●函數(shù)

○介紹基礎(chǔ)的函數(shù)式編程（根據(jù)我們的經(jīng)驗，對于非計算機專業(yè)學(xué)生而言，函數(shù)式編程要容易理解的多）

○函數(shù)的概念，對于沒有屬性背景的學(xué)生而言，會有一點困難

●遞歸函數(shù)

○本節(jié)是整個課程中的一個難點

○通過分解復(fù)雜問題為簡單問題，通過實例介紹此概念

●簡單數(shù)據(jù)類型，比如列表，數(shù)組和字典

○介紹數(shù)據(jù)類型的概念

○通過實例使用列表，數(shù)組和字典來理解它

○介紹Python的兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型：數(shù)值型和字符串類型

●算法

○介紹算法的設(shè)計基礎(chǔ)

○重點介紹算法是如何讓復(fù)雜問題變得簡單并如何應(yīng)用到實際生活中

●高級話題，包括面向?qū)ο笤O(shè)計，網(wǎng)絡(luò)編程等

6.結(jié)論

無論對于計算機專業(yè)還是非計算機專業(yè)，程序設(shè)計都不是一門簡單的課程。對于非計算機專業(yè)的學(xué)生，根據(jù)我們的教學(xué)經(jīng)驗，Python編程語言因其極為簡潔的語法和強大的功能，以及優(yōu)秀的面向?qū)ο竽芰Γ浅＿m合于編程入門教學(xué)。我們使用的創(chuàng)新的教學(xué)方法已經(jīng)在我們學(xué)院被測試過。教學(xué)成果表明課堂實踐聯(lián)系要比冗長的課程更有效率。課堂實踐總是和當(dāng)前教授的內(nèi)容緊密結(jié)合，團隊協(xié)作任務(wù)和獨立完成任務(wù)也總是相輔相成。總的來說，這種教學(xué)方法是有效的將學(xué)生與教師結(jié)合在了一起，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，也提高了教師教學(xué)的積極性，這種教學(xué)方式是值得推廣的。

[1](挪)Magnus Lie Hetland.Python基礎(chǔ)教程(第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[2](美)Magnus Lie Hetland.Python核心編程[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[3](美)Mark Lutz.Python學(xué)習(xí)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4]David Ranum,Bradley Miller,John M.Zelle,Mark Guzdial.Successful approaches to teaching introductory computer science courses with python.Technical Symposium on Computer Science Education-SIGCSE,2006:396-397.

[5]Nitin Madnari.Getting started on natural language processing with python.ACM Crossroads Student Magazine-XRDS,2007,13(4):5-5.