基于IPO的Python教學(xué)設(shè)計(jì)

馮艷茹 陳平

摘要：程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是培養(yǎng)大學(xué)生解決計(jì)算問題的思維和能力的課程，使用Python作為大學(xué)生的首門編程語言課程，可操作性強(qiáng)，入門容易，上手快。該文提出了基于IPO的教學(xué)設(shè)計(jì)新思維，使教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)設(shè)計(jì)變得更為清晰，有章可循，更有利于提高程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：IPO；程序設(shè)計(jì)；程序；教學(xué)設(shè)計(jì)；Python

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）11-0001-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)甚至是機(jī)械專業(yè)、電氣自動(dòng)化控制專業(yè)等都會(huì)開設(shè)程序設(shè)計(jì)課程，而且把《C語言程序設(shè)計(jì)》作為程序設(shè)計(jì)課程的入門課程。C語言是一門通用計(jì)算機(jī)編程語言，簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，廣泛應(yīng)用于底層開發(fā)。但是對(duì)于大學(xué)生來說，入門困難而且學(xué)習(xí)吃力，不利于編程思想和邏輯思維的培養(yǎng)。從2009年開始，國(guó)外眾多大學(xué)廣泛開設(shè)了Python語言課程。Python是一種面向?qū)ο蟆⒔忉屝缘某绦蛟O(shè)計(jì)語言，非常簡(jiǎn)單易學(xué)，完全免費(fèi)，上手快，入門容易。Python 語言是比 C 語言、Java 語言、VB 語言以及 VFP 語言更適合以應(yīng)用為主的大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，該語言是目前美國(guó)大學(xué)最受歡迎的程序設(shè)計(jì)語言[1]。2016 年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布了《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》（簡(jiǎn)稱《基本要求》）[2]。《基本要求》首次建議將Python語言作為首門程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)語言，在其推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)高校逐步開設(shè)了Python 語言，成為教學(xué)改革熱點(diǎn)[2]。因此，本人提出了基于IPO的Python教學(xué)設(shè)計(jì)新思維。

1 程序的編寫方法——IPO方法

程序設(shè)計(jì)是給出解決特定問題程序的過程，是軟件構(gòu)造活動(dòng)中的重要組成部分。程序設(shè)計(jì)往往以某種程序設(shè)計(jì)語言為工具，給出這種語言下的程序。計(jì)算機(jī)程序是一組計(jì)算機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的指令，運(yùn)行于電子計(jì)算機(jī)上，滿足人們某種需求的信息化工具。每個(gè)計(jì)算機(jī)程序都用來解決特定的計(jì)算問題[3]。程序的規(guī)模有大有小，無論程序的規(guī)模如何，每個(gè)程序都有統(tǒng)一的運(yùn)算模式：輸入數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，即IPO（Input Process Output）方法。IPO不僅是程序設(shè)計(jì)的基本方法，也是描述計(jì)算問題的方式。

身體質(zhì)量指數(shù)（即：Body Mass Index，簡(jiǎn)稱BMI），是目前國(guó)際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)我們需要比較及分析一個(gè)人的體重對(duì)于不同高度的人所帶來的健康影響時(shí)，BMI值是一個(gè)中立而可靠的指標(biāo)。 BMI的定義如下：

BMI=體重（kg）/身高的平方（m2）

即： BMI是用體重公斤數(shù)除以身高米數(shù)平方得出的數(shù)字

以身體質(zhì)量指數(shù)BMI為例，其IPO描述如下。

輸入：一個(gè)人的體重weight和身高h(yuǎn)eight

處理：計(jì)算bmi的值。

bmi=weight/（height*height）

輸出：bmi值

IPO描述能夠幫助初學(xué)者理解程序設(shè)計(jì)的基本過程，即了解程序的運(yùn)算模式，進(jìn)而理解程序設(shè)計(jì)的基本概念。

2 Python程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)

《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（Python）》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程作用是通過教學(xué)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)編程語言的基本知識(shí)，初步掌握程序設(shè)計(jì)的基本思想和方法，使學(xué)生會(huì)使用Python語言進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)，使學(xué)生具有一定的分析問題、解決問題的能力。具體教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)新探究

在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分結(jié)合 Python 語言特點(diǎn)，采用新思維進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，以任務(wù)或案例的形式來展現(xiàn)。本文以成人的BMI指數(shù)來說明基于IPO的教學(xué)設(shè)計(jì)。成人的身體狀況有以下五種情況：過輕、正常、過重、肥胖、非常肥胖。當(dāng)BMI數(shù)值低于18.5，則“過輕”；BMI數(shù)值在18.5-23.9之間，則“正常”；BMI數(shù)值在24-27之間，則“過重”；BMI數(shù)值在28-32之間，則“肥胖”；當(dāng)BMI數(shù)值高于32，則“非常肥胖”。具體設(shè)計(jì)如下表2所示。

我們可以采用循序漸進(jìn)的方式來逐步解決整個(gè)問題，可以將問題逐步進(jìn)行細(xì)化，分步驟分階段地來完成和實(shí)施。每完成一個(gè)任務(wù)，再適當(dāng)?shù)卦黾与y度，不斷拓展知識(shí)和技能的容量。學(xué)生上手快，容易解決，能夠從完成任務(wù)的過程中獲得滿足感，從而激發(fā)他進(jìn)一步探究解決問題的主觀能動(dòng)性。對(duì)于不同程度的大學(xué)生來說，完成這個(gè)任務(wù)需要的時(shí)間也不一致完成這個(gè)案例大概需要10個(gè)學(xué)時(shí)。

學(xué)生一般都比較喜歡打游戲，游戲中的一關(guān)又一關(guān)的闖關(guān)過程使游戲者獲得了滿足感和成就感，身心愉悅而亢奮。那我們?cè)谠O(shè)計(jì)問題時(shí)，如果像游戲中的關(guān)卡一樣，一個(gè)比一個(gè)復(fù)雜一點(diǎn)點(diǎn)，難度一點(diǎn)點(diǎn)加大，會(huì)給學(xué)生留下一些想象和思考的空間，會(huì)激發(fā)學(xué)生探究的好奇心和熱情，學(xué)習(xí)的效率和動(dòng)力會(huì)不斷地加強(qiáng)。由此，我們將成人的BMI數(shù)值問題設(shè)置為不同級(jí)別的版本，一個(gè)版本又一個(gè)版本的實(shí)現(xiàn)和闖關(guān)。

（1）成人的BMI數(shù)值1.0版本

在成人的BMI數(shù)值1.0版本中，主要學(xué)習(xí)IPO方法，數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的輸出。

輸入：身高和體重值。實(shí)現(xiàn)方法：采用python解釋器中內(nèi)置的函數(shù)input（）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入，該函數(shù)的返回值是字符串。同時(shí)說明字符串的概念及表示。

處理：計(jì)算BMI值。實(shí)現(xiàn)方法：使用eval（）函數(shù)將我們輸入的身高和體重值轉(zhuǎn)換為數(shù)值；并使用算術(shù)運(yùn)算符完成BMI值的計(jì)算。

輸出：BMI值。實(shí)現(xiàn)方法：使用print（）函數(shù)輸出BMI值，重點(diǎn)講解print（）函數(shù)的使用。

程序的流程圖如圖1所示。

說明：其中圖2的1和2行語句實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的輸入；3-5行語句實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的處理；第6行語句實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的輸出。

（2）成人的BMI數(shù)值2.0版本

任務(wù)描述：在成人的BMI數(shù)值1.0版本的基礎(chǔ)上，增加對(duì)BMI值的判斷，得出一個(gè)人的身體狀況。數(shù)據(jù)的輸入和輸出沒有問題，重點(diǎn)的是數(shù)據(jù)的處理。在上次的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上，我們?cè)偈褂梅种ЫY(jié)構(gòu)來處理。

輸入：體重weight和身高h(yuǎn)eight

處理：

將身高和體重轉(zhuǎn)換為數(shù)值；

計(jì)算BMI指數(shù)

判斷BMI，給出相應(yīng)的身體狀況。如果BMI數(shù)值低于18.5，則身體狀況是“過輕”；如果BMI數(shù)值在18.5-23.9之間，則身體狀況是“正常”；如果BMI數(shù)值在24-27之間，則身體狀況是“過重”；如果BMI數(shù)值在28-32之間，則身體狀況是“肥胖”；如果BMI數(shù)值高于32，則身體狀況是“非常肥胖”。

輸出：身體狀況body_situation

BMI指數(shù)2.0版本參考代碼，如圖3：

（3）成人的BMI數(shù)值3.0版本

任務(wù)描述：在成人的BMI數(shù)值2.0版本的基礎(chǔ)上，增加對(duì)多個(gè)人BMI值的判斷，得出多個(gè)人的身體狀況。問題的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)的處理，我們采用循環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)循環(huán)的語句有while、 for等語句，我們可以選擇容易理解和上手快的while語句先來實(shí)現(xiàn)。

（4）成人的BMI數(shù)值4.0版本

任務(wù)描述：在成人的BMI數(shù)值3.0版本的基礎(chǔ)上，把處理對(duì)多個(gè)人BMI值的判斷，得出多個(gè)人的身體狀況這個(gè)問題封裝到函數(shù)。數(shù)據(jù)的輸入和輸出沒有問題，數(shù)據(jù)的處理采用函數(shù)來完成。問題的重點(diǎn)就是函數(shù)的定義以及調(diào)用。

（5）成人的BMI數(shù)值5.0版本

任務(wù)描述：在成人的BMI數(shù)值4.0版本的基礎(chǔ)上，增加的功能是把上次得出多個(gè)人的身體狀況寫入到一個(gè)文件中保存。問題的重點(diǎn)就是文件的打開以及寫入操作。

在使用IPO方法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，輸入和輸出比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)和掌握，重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的處理過程，在python中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的主要有程序的控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)以及類等，這些才是我們學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。如何將這些知識(shí)融合到教學(xué)設(shè)計(jì)中，這才是我們應(yīng)該研究的問題。

4 總結(jié)與反思

本文談?wù)摰幕贗PO的Python教學(xué)設(shè)計(jì)有利于不斷激發(fā)學(xué)生的探究問題的興趣和解決問題的能力，從而提高課程的教學(xué)效果，當(dāng)然也會(huì)存在一些不足和局限性。Python 語言簡(jiǎn)潔、高效和生態(tài)的特點(diǎn)能夠較好地培養(yǎng)大學(xué)生解決計(jì)算問題的思維和能力。在Python中還有一些實(shí)現(xiàn)圖形和圖像的庫，比如turtle、tkinter、graphics等，可以繪制一些平面圖形、圖像處理等。如果我們?cè)诮虒W(xué)過程中，再以有趣、生動(dòng)的圖形圖像的繪制來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使程序設(shè)計(jì)變得直觀、生動(dòng)、形象并且切合實(shí)際。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)時(shí)，就不會(huì)感到枯燥、無趣了，從而能夠更好地提高課堂的教學(xué)效率。如果我們?cè)诮虒W(xué)過程能夠多思考勤于總結(jié)，一定能夠得到更好更優(yōu)的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮艷紅. Python語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式探索[D].福建電腦，2018.10.

[2] 嵩天，黃天羽，禮欣. Python語言： 程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的理想選擇[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)， 2016（2）： 42-47.

[3] 嵩天，黃天羽. Python 語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)案例新思維基礎(chǔ)[D].計(jì)算機(jī)教育， 2017.12

[4] 嵩天，禮欣，黃天羽. Python 語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 2 版. 北京： 高等教育出版社， 2017.

【通聯(lián)編輯：王力】