Python教學及基于攻擊鼓勵和過程管理的教學系統

董付國，葛詩煜，陳思佳，李 博，馮澤濤

（山東工商學院 計算機科學與技術學院，山東 煙臺 264005）

0 引 言

Python是一門免費、開源、跨平臺的高級動態編程語言，代碼具有非常強的可移植性，幾乎不需要改動即可運行于Unix、Linux、Windows、Mac OS、Android等不同平臺。Python可以和C/C++/C#、Java等主流語言完美地結合到一起，充分發揮每種語言的優勢。目前Python已經滲透到統計分析、大數據處理、數據分析與可視化、移動終端開發、科學計算可視化、系統安全、網絡安全、軟件分析與測試、圖形圖像處理、人工智能、游戲設計與策劃、網絡應用開發、自動運維、輔助設計等幾乎所有行業和領域[1-4]。截至2018年9月，pypi.python.org網站已經維護了超過107萬個涉及不同領域的Python擴展庫。

多年前Python已經成為卡耐基·梅隆大學、麻省理工學院等國外很多著名大學的程序設計入門教學語言，近幾年來北京大學、復旦大學等國內幾百所高校也針對不同專業開設了Python程序設計相關的課程，全國計算機等級考試也于2018年9月加入了二級Python的科目[2]。對于如何講好Python、如何才能發揮Python的最大優勢，不同學校有不同的做法，都取得了一定成效。

1 Python編程模式

Python支持命令式編程、函數式編程，完全支持面向對象程序設計，語法簡潔清晰、代碼優雅、可讀性強，并且擁有大量功能強大的標準庫和擴展庫，可以幫助各領域的工程師、科研人員、策劃師和管理人員快速實現和驗證自己的思路與創意。Python編程模式非常符合人類的思維習慣，程序員只需要把主要精力放在業務邏輯的設計與實現上，不需要過多考慮語言本身的細節，大幅度縮短了開發周期，在開發速度和運行速度之間達到了完美的平衡，其精妙之處令人擊節贊嘆[3-9]。

Python官方網站上在非常醒目的位置有一句話“Python is a programming language that lets you work quickly and integrate systems more effectively”，在The Zen of Python中也反復提到類似的語句，例如“Explicit is better than implicit”“Simple is better than complex”等，這些看上去很普通的語句恰恰點明了Python語言的本質和核心所在。作為Python程序員，應盡量從最自然、最簡潔的角度出發去思考和解決問題，充分利用內置函數和標準庫對象，適當運用擴展庫，充分利用函數式編程，這樣才能寫出更加優雅、更加Pythonic的代碼。

與命令式編程相比，函數式編程的代碼更加簡潔和直觀，代碼效率也比較高，在教學和開發中應該盡量多使用函數式編程模式。

2 基于攻擊鼓勵和過程管理的Python教學系統

在講授Python程序設計課程時，建議采用邊講邊練、學生分組合作的方式，精心設計一些案例帶領學生一起完成并做好嚴格的過程管理，經常鼓勵和引導學生去思考“還有沒有更簡潔更快速更直接更好的方法？”類似的問題，激發學生的潛能，同時也充分挖掘Python語言的潛能。

在講授、學習和應用Python時，切記不要把其他語言的編程習慣和風格帶到Python中來。不能使用其他語言尤其是C語言的思路去編寫Python程序，那會使得代碼變得非常冗長、繁瑣、可讀性差且難以維護，浪費大量的寶貴時間，無法發揮Python的優勢，甚至有可能寫出看似正確實則錯誤的代碼。

2.1 教學方式概覽

近年來編程類課程采用邊講邊練的形式，與傳統的“填鴨式教學”和“滿堂灌”方式不同，在整個教學過程中，以教師講授和輔導為主，學生練習為輔。使用多種形式保證和提高教學質量，例如在線點名、在線提問、在線答疑、在線自測、在線交作業、在線考試，鼓勵學生主動提問和回答問題，適當安排學生講解部分例題，突擊布置限時完成的隨堂作業，鼓勵學生發現教材或講課內容中的錯誤，鼓勵學生分析課堂教學管理系統源代碼并嘗試發現其中的漏洞。

在教學過程中，偶爾會指定一小節內容或者一個例題，讓學生自學5～10分鐘，這段時間內同學之間可以互相討論或者看書看課件，也可以上網查閱資料，甚至可以場外求助，時間到了以后隨機找同學進行講解。這樣不僅可以鍛煉學生的自學能力、思考能力，還能鍛煉學生的口頭表達能力和語言組織能力。

在教學過程中，使用自編軟件隨機提問正在講授的內容中涉及的本課程中學過的知識，或者其他課程中學過但是在本課程中要用到的知識，然后根據學生回答情況進行實時計分。每次會提問誰是毫無規律的，無法提前預測，所以每個學生都要認真準備，提高了學生的整體積極性。

在教學過程中，鼓勵學生批判地學習老師講授的內容，引導學生思考“這個問題還有別的解決辦法嗎？”“這個程序還可以更好嗎？”“這個算法和程序還有優化空間嗎？”“還有沒有考慮周到的地方嗎？”之類的問題。在45分鐘的課堂上，大部分學生能一直保持思維活躍狀態，學習效率非常高。

在教學過程中，每當有學生發現老師講授的算法或程序源碼存在瑕疵，會得到鼓勵和表揚，并被計入平時成績。這樣一來，同學們課下也會積極思考和練習，并嘗試在教材或課件中查找錯誤，不僅能夠提高學生的學習積極性，還能夠培養獨立思考能力和批判性思維，敢于挑戰老師，敢于挑戰權威。

2.2 系統介紹

為提高Python程序設計課程教學質量，開發了一套課堂教學管理系統。除Python基礎知識之外，該系統還用到了數據庫編程、多線程編程、Of fi ce文檔操作、GUI編程、網絡編程、圖像處理等多個領域的知識，既可以用來管理教學過程中的各個環節，又可以根據學生專業從中選擇不同的功能作為教學案例，還能讓學生閱讀和分析源碼提高代碼閱讀能力和軟件測試能力。該系統教師端主界面和學生端界面如圖1和圖2所示。

圖1 教師端主界面

圖2 學生端主界面

2.2.1 在線點名

雖然大部分同學的自制力較好，但仍有部分同學管不住自己，總想逃課。針對這種情況，在課堂教學管理系統中提供了在線點名功能，使用Socket編程與多線程編程技術可以瞬間完成整個班級的點名，不僅節約了寶貴的課堂時間，還能嚴格控制點名時間段，讓學生無法預測點名時間和規律。并且，系統還記錄了學生機器的IP地址、MAC地址和點名時間，可以在技術上防止同學之間的代點名，在很大程度上震懾了個別不愛上課的同學。另外，只要啟動了學生端軟件，就不允許退出，軟件隨時準備接收教師端軟件發送的屏幕廣播信息，保證上課時學生只能聽老師講課，提高了聽課學生的比例[4]。2017—2018學年該系統共生成原始點名記錄5 956條。

2.2.2 隨機提問

在教學過程中，提問環節完全使用自己編寫的課堂教學管理系統，只需要選擇相應的專業然后單擊按鈕“看看誰最幸運”即可隨機抽取一名同學進行提問，并且根據該同學的回答情況記錄成績。這樣可以避免任課老師總是提問固定幾個人的慣性思維，也不用對著名單糾結該提問誰，每個同學都會處于緊張狀態積極思考，不敢輕易走神，盡最大可能讓更多學生處于學習狀態[4]。2017—2018學年該系統共生成提問原始加分與減分記錄121條。

2.2.3 隨堂限時作業與課后大作業

在教學過程中，適當布置限時完成的隨堂作業，嚴格控制作業提交時間段，不僅可以培養學生快速解決問題的能力，還可以節省上課時檢查作業的時間。在配套使用的課堂教學管理系統中采用了兩種提交作業的方式：全屏截圖交作業和上傳文件交作業，對于較小的代碼片段使用截圖交作業的方式，較大的完整程序使用上傳文件交作業的方式，并且自動把文件名修改為學生的“學號+姓名+上傳時間”，以備事后檢查與核對[4]。

另外，使用全屏截圖交作業還能隨時查看學生屏幕，判斷學生是否認真練習老師講過的知識，這樣可以防止學生在練習時偷懶。2017—2018學年兩個學期共使用該系統收取作業文件895個。

2.2.4 在線自測

不同學生的學習進度略有差別，有的很快就可以掌握老師剛剛講過的知識，有的則需要的時間久一些，幾十人的班級很難保證步調一致。為此，在課堂教學管理系統中增加了在線自測功能，內置800道客觀題和參考答案。每次上課時立刻打開該功能，供學習能力較強、學習進度較快、自制力較好的學生自我測試和檢驗，也可以用于所有學生對自己的掌握程度進行檢驗[4]。系統數據顯示，2017—2018年度共有154 500人次使用該系統進行了在線自測。

2.2.5 聽課認真加分

在講課過程中，隨時注意學生的聽課狀態，不僅根據同學們的狀態進行語速和音量的調整，還在系統中及時記錄聽課非常認真和非常不認真的同學進行適當加分和減分，這也是期末成績的一項重要參考。為方便使用，該功能集成到了學生信息查看界面[4]。

2.2.6 挑錯加分

在教學過程中或者布置作業時，精心設計幾個小錯誤讓同學們嘗試發現，經常鼓勵同學們嘗試發現教材、PPT以及所有講授內容中可能存在的錯誤，如果有同學確實發現了錯誤并給出解決方案就適當加分給予鼓勵。事實證明，這個方法非常有效，同學們看書非常認真積極，確實有同學發現過課堂上講過的例題代碼中的bug。

2.2.7 攻擊系統加分

該系統已經正式投入使用6個學期，雖然主要功能一直運行非常穩定，但是也確實存在一些小瑕疵，于是在教學過程中鼓勵同學們隨時對這個系統進行分析和攻擊，然后根據他們的攻擊情況進行加分，同時也不斷對這個系統進行完善和升級。事實證明這是一個非常好的思路，大多數同學覺得這樣的方式很有意思并積極參與系統分析和攻擊，大幅度提高了學習積極性和安全編程意識，同時也為完善這個系統提供了很多重要參考。例如，系統最初使用IP地址來檢測是否存在學生代點名的情況，但是有學生自己編寫Python程序自動修改IP地址實現批量點名，于是系統改用了網卡MAC地址檢測代點名的情況，有效避免了這個問題；為了避免學生在考試時直接復制題目然后在網上或平時整理的題庫中搜索答案，在系統中增加了防作弊功能，在考試模式下不僅禁用了學生端的各種瀏覽器和文本編輯器軟件，還禁用了系統剪貼板。同時，考試模式下的隨機抽題功能使得每個學生不可能同時作答同一個題目，最大程度降低了作弊的可能；曾經有學生試圖編寫自助考試的代碼，雖然沒有成功，但其中的思路還是不錯的。另外，作為大作業，每學期都有幾個學生成功實現了系統中題庫的批量導出，這需要根據學生端軟件源碼來分析和推測教師端通信協議和數據庫結構，有效鍛煉了學生的代碼閱讀和分析能力。當然，也有極個別同學通過分析學生端源代碼發現了獨特的作弊手段，例如使用IDLE或其他Python開發環境打開提前準備好的題庫和答案，這些問題都被及時發現并且迅速修改系統代碼進行了防范[4]。

2.2.8 期末成績計算

在評定學生的期末成績時，不單純使用期末的在線考試成績，還綜合考慮平時的出勤次數、提問情況、作業情況等。其中，出勤次數占總成績的10%，提問情況占10%，作業情況占20%，在線考試成績占60%，這些數據的原始記錄都可以在系統中查詢和匯總。連續6個學期的實踐表明，這樣的計算方法更加客觀，也更能反映學生的綜合能力。

3 結 語

我校計算機科學與技術學院數字媒體技術專業、服務外包專業和網絡工程專業開設了“Python程序設計”課程，會計學院開設了“Python程序設計基礎”，全校范圍開設了公共選修課“Python程序設計基礎”。到目前為止，已經連續8個學期為不同專業開設Python程序設計有關課程，并應邀在全國巡講和作報告50余場，在教學和交流過程中積累了大量教學經驗和教學案例，提出了基于攻擊鼓勵和過程管理的教學方式，極大提高了學生的學習積極性，效果非常顯著。為更好地實踐基于攻擊鼓勵和過程管理的教學方式，使用Python開發了一套課堂教學管理系統。該系統已經投入使用6個學期，在提高學生學習積極性和綜合能力的同時也積累了大量原始數據，對于學生學習情況和學習狀態以及學習效果的進一步分析都有很大幫助，這也正是下一步要做的工作。