計算思維培養視域下《Python程序設計》課程的教學改革實踐

王亞萍

摘要：針對目前高校計算機程序設計教學的現狀，在計算思維的視域下，以Python語言為載體，總結出以高校計算機程序教學為主陣地培養學生計算思維的改革要點，為高校計算機程序設計教學提供一種可供參考的實踐模式。

關鍵詞：計算思維；Python語言；高校計算機程序教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0099-02

1 概述

2006年3月，美國卡內基.梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機全文期刊《Communications of the ACM》雜志上給出并定義的計算思維（Computational Thinking）。隨著信息技術的迅猛發展，社會各行各業都離不開計算機，面對時代的發展和變遷，計算思維是人們適應社會所必需的一項基本技能。高校作為人才培養的主陣地，須將培養學生的計算思維作為高校計算機基礎教學的教學目標。計算思維幫助學生模擬計算機的思維來思考解決現實問題的思想和方法，提升學生分析和解決問題的能力。2016年，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會發布了《大學計算機基礎課程教學基本要求》（以下簡稱《基本要求》）。《基本要求》綜合信息技術發展及國內高校開展教學情況，建議將C、VB和Python作為首門程序設計課程的教學語言。實踐表明：隨著高中信息技術課程的不斷推進和完善，以C語言和VB語言為主的高校程序設計類課程多年來未曾改變，不能適應社會需求。現在很多高校已認識這一現狀，并開設Python程序設計、JAVA程序設計語言等課程，師生反映良好。本文以Python程序設計語言作為載體，探討如何對高校計算機基礎教學進行改革，在課程中引入對計算思維的培養。

2 目前高校程序設計類課程教學中存在的問題

高校程序設計類課程是培養學生計算思維的核心課程。程序設計類課程是高校計算機基礎教學中的一門必修課程，其教學目標是培養學生的編程思維和編程能力，為后續專業學習奠定基礎。

C語言是一種計算機程序設計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它應用范圍廣泛，具有很強的數據處理能力。C語言語法簡潔，數據結構類型和運算符豐富。但C語言從本質上講是面向過程的語言，語法晦澀難懂，學生的主要精力都花費在了對前期語法的理解和運用，而忽視了面向過程的問題處理，教師無法顧及到學生計算思維的培養。利用C語言進行程序開發時工作量較大，具有一定的難度，很多基本的功能都需要用戶自己設計。因此對于非計算機專業的學生而言選擇C語言進行學習并非明智之取。

VB是Visual Basic的簡寫，是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動范式的結構化高級程序設計語言，難度較低。目前國內很多高校依舊選擇VB6.0的程序開發環境，但VB6.0僅適用于Windows系統，不具備跨平臺的功能。另外VB6.0版本已很長時間沒更新，當下產生和盛行的一些新的編程思想也無法體現。同時目前的主流移動計算平臺大多不支持VB語言作為開發語言。因此，在移動技術快速發展的大背景下，VB語言已無法適應社會發展的現實需求，同時也不利于學生的發展。毫無疑問選擇適應性更強的程序設計語言對于高校計算機基礎教學而言是必要的。

3 Python語言的教學優勢

Python語言是一種被廣泛使用，面向對象的高級通用腳本編程語言，其程序語法簡潔，明晰易懂。它體現的哲學思想是“優雅”“明確”“簡單”。

3.1 簡單易學，程序框架簡單

Python程序設計語言與英語非常相似，語法非常簡單。學生易于理解和書寫，這在一定程度上降低了學生書寫程序代碼時的錯誤率。Python自帶的IDLE可以在多種操作系統平臺上運行，學生可以在自己熟悉的操作系統平臺中書寫程序代碼。Python程序設計語言擁有的列表、字典和元組等高級數據類型可以幫助學生解決更加復雜的問題。

3.2 功能強大

眾所周知，Python程序設計語言是免費開源的程序設計語言。為了方便學習者學習，許多Python語言的熱衷者根據學習者的需求開發了很多功能齊全的Python學習拓展包和插件，這樣學習者就無需花更多的是時間去解決解決較普遍的問題，大大節省了學習者的學習時間，提高了學習者的學習效率。

3.3 可拓展性和持續更新

Python程序設計語言的底層是用C和C++語言編寫的。針對程序編寫過程中那些核心的而且計算龐雜的關鍵模塊，程序開發者可以用C和C++編寫。Python學習者如果要運用到該功能時可以直接調用程序開發者編寫的模塊就可以了，這樣就可以降低程序編寫的難度，同時提高了程序的運行速度。Python程序設計語言自出現之日起已進行了多次的版本更新，更新后的版本更加易于學習者學習。因此Python程序語言的具有較強的可拓展性。

雖然Python程序設計語言也有其不足之處，例如：程序運行速度不夠快、程序代碼縮進語法比較繁瑣等，但其簡單易學的平民化、草根化的特點使其他程序設計語言所替代的，因此將Python程序設計語言作為高校非計算機專業學生的程序學習語言是非常明智的選擇。

4 計算思維視域下《Python程序設計》課程教學改革實踐

隨著信息技術的飛速發展，各行各業對高校畢業生的計算思維提出了更高的要求。為了適應社會的現實需求，高校都在積極進行程序類教學改革，《Python程序設計》課程作為很多高校的理想選擇，并根據本校實際進行了嘗試性的改革。筆者所在學校也進行了這方面的教學改革實踐，具體包括：教學內容的改革、教學模式的改革和教學評價手段的改革，具體內容如下：

4.1 整合教學內容：兼顧編程技術和數據分析技術

為了分層次、分步驟的培養非計算機專業學生的計算思維和數據分析處理能力，Python程序設計課程的內容可以劃分為基礎和高級兩個循序漸進的教學模塊。基礎模塊的內容主要包括：Python的基本介紹和基本編程環境的搭建、基本數據類型、高級數據類型（列表、元組、字典）、表達式、常用系統函數、程序基本流程（順序、選擇、循環）、函數的定義和調用、面向對象的編程。高級模塊主要包括多維結構化數據集分析包pandas、繪制數據圖表的數據可視化庫Matplotlib等。基礎模塊和高級模塊的教學課時根據學生的實際情況確定。任課教師要注重基礎模塊和高級模塊內容之間的有效銜接和融會貫通。例如在應用數據挖掘算法進行分析時會講授程序異常處理。任課教師要將教學內容問題化、案例化和項目化，以具體的問題導入新課，以生動鮮活的案例進行講解，以完成現實項目的情境引導學生進行知識同化、建構和應用。任課教師還需將教學內容電子化、網絡化、立體化，將所有的紙質教學內容電子化，并上傳到相應的課程學習網站上，學生可以隨時隨地在硬件條件循序的條件下進行課前預習、課后復習。任課教師需為學生準備包括教材、教學PPT、應用案例、課程學習視頻及其他參考資料等立體化、多維度的教學內容學習包，這樣學生可以根據自己的實際情況選擇適合自己的教學材料進行學習，這在一定程度上促進了學生的分層學習和混合式學習。endprint

4.2 更新教學模式：基于SPOC的翻轉課堂教學模式

原先該課程的教學是采取教師先講、學生后練習的教學形式，因缺乏有效的監督和監管機制，學生的課前預習和課后復習兩個環節大都是形同虛設，因此該課程的整體教學效果不是很好。本研究試圖將翻轉課堂和SPOC有機的整合在一起，以具體的工作任務為主線，以SPOC在線課程資源為依托，在MOOC學習平臺以及真實教室環境中展開，混合了分層教學、問題式教學、啟發式教學、情景式教學等多種教學方法。

課前導學環節：學生進行分組，并以小組為單位，完成以下任務：①通過自主學習、小組討論、協作探究等方式，通過學校教務處MOOC教學平臺觀看教學微視頻，完成教師布置的課前預任務。②小組內部根據成員自身實際進行分工，準備課堂展示材料。教師則通過MOOC平臺的數據統計和分析功能，對學生在線學習的進度進行關注和監控，并根據學生的反饋信息對教學步驟進行必要的調整。

教師可以根據學生課前預習作業完成情況掌握每個學生的實際情況，使得后續課堂教學過程中的講解和輔導做得更有效的有的放矢。

課堂教學環節：教師首先對學生的預習作業完成情況進行總結，并以學生課前普遍反映的重難點內容或教師預先設定的重難點問題作為課堂面授教學導入話題，并以問題為導向，對內容進行深度剖析。學生在教師的引導下按照課前的學生分組進行小組討論交流，對問題進行認真思考，并提出問題解決方案在交流探討中完成知識的內化。每個小組均需到教師機上向其他同學和教師展示小組成果，其他小組成員和完成知識的對其進行評價。教師會適時監督和輔助學生進行討論、交流和成果展示。教師評價和學生互評兩個環節可以更加有效的促進學生的學習。

課后鞏固環節：學生需要完成以下三個方面的工作，一是在教師規定的時間內完成教師不知的課后作業；二是以小組為單位，對MOOC平臺上教師上傳的拓展性內容進行學習，以小組為單位在線提交學習結果，教師及時批閱，并將批閱意見及時反饋給學生；三是開展在線答疑，項目組負責人安排項目組成員進行定期的在線答疑，及時回答學生的問題，并將學生的在線互動情況納入評價指標體系。

4.3 構建新的評價方式：基于過程的動態綜合評價

目前《Python程序設計》課程的評價方式主要采用期末的總結性評價，即采用期末考試等一次性檢驗方式，以單一的期末考試成績來衡量學生的學習結果和教師的教學質量。這種量化的總結性評價考核的內容的數量和難度有限，只停留在基本陳述性知識和簡單操作步驟的再現，思維成分考核較少。本項目借鑒互動分享的思想，以動態綜合評價，對學生的學習效果、學習能力、合作能力多個指標進行綜合評估，實現形成性評估和總結性評估相結合。其中形成性評估涵蓋課前導學、課堂教學、課后應用的每一個環節。SPOC平臺內設的大數據學習分析技術，可將過程性評價轉化為量化的分數，有助于教師和學生獲得準確客觀的學習評價。該課程的評價體系可概括如下：

5 結束語

本文分析了目前高校程序設計課程的教學現狀、存在問題，并比較了常用的幾種教學語言，闡述了在高校程序設計基礎課程的改革中使用Python語言的必要性和重要性。基于計算思維培養的教學改革需要充分領悟計算思維的時代性，教學改革需與計算機技術的發展保持同步。本文從培養學生計算思維的必要性出發，闡述了傳統程序類課程教學中存在的問題以及Python程序設計語言獨特的教學優勢，并在此基礎上闡述了計算思維視域下《Python程序設計》課程的教學改革措施。

參考文獻：

[1] 教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會.大學計算機基礎課程教學基本要求[J].北京：高等教育出版社，2017.

[2] 鄭戟明.Python程序設計課程中計算思維的應用[J].大學教育，2016（8）：127-129.

[3] 劉研.Python語言在非計算機專業計算機教學改革中的探討[J].科學教育，2016（10）：301-303.

[4] 嵩天，黃天羽，禮欣.Python語言程序設計課程教學改革的理想選擇[J].中國大學教學，2016（2）：42-46.

[5] 劉瓊，史諾.基于計算思維視角的程序設計教學改革研究[J].自動化與儀器儀表，2015（12）：93-94.endprint