面向非計算機專業Python程序設計實驗教學改革措施探討

邵仲世，邵煒世

（1.陜西師范大學計算機科學學院，陜西 西安 710119；2.南京師范大學計算機與電子信息學院/人工智能學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

在傳統面向非計算機專業的編程語言中，多數以C語言為主，但隨著大數據和人工智能時代的到來，大量數據需要仿真建模、分析、可視化等，C語言就不再是最佳選擇。Python作為一門跨平臺、開源、免費的編程語言，已在各領域有廣泛的應用。國內諸多高校已開設了Python程序設計，開設專業不僅包括計算機、軟件工程、人工智能等信息類專業，也包括了物理、生物、食品、機械、管理等專業[1]。

實驗教學是程序設計類教學的關鍵環節，目的是培養學生的編程思維、動手時間能力、解決實際問題和運用知識的能力。實驗課時提成編程能力的最有效的途徑。如何進行有效的實驗教學顯得至關重要。文獻[2]提出結合成果導向、案例式教學和混合式教學的Python基礎課程教學實驗方法；文獻[3]針對Python實驗教學中存在的教學內容分散的問題，提出以問題驅動、分散實施為理念的實驗內容設計方案；盡管已有一些學者對Python實驗教學進行了探討，但相關研究仍然較少。本文對Python實驗教學中存在的問題進行了分析，并探討了相應的解決方法。

1 Python程序設計實驗教學現狀

Python程序設計以其簡潔、高效和擁有強大計算生態的特點，逐步成為各大高校非計算機專業首選的程序設計語言。以下從4個方面分析了Python程序設計實驗教學中的不足。

（1）實驗教學內容分散，缺少整體性思路。目前，許多高校開展的Python程序設計實驗教學大都遵循實驗教學與教材同步，以復習、鞏固理論知識為主。通過重新實現課堂上的代碼來熟悉所講授的語法、函數和算法，這樣的方式有利于緊密結合課堂內容，易于鞏固理解知識；不足在于各章節實驗聯系不夠緊密。特別是面對非計算機專業的學生，由于對計算機程序設計缺乏正確的認識和應有的積極性，大量知識點的堆砌以及與專業不相關的實驗內容，使得他們逐漸失去對學習計算機程序設計的熱情和積極性。

（2）缺乏有效的實驗課程教學考核機制。許多高校的程序設計課程沒有建立完善的考核機制，幾乎都是通過最后的期末機試來完成考核，即便是實驗課在最后的綜合成績中占據一定的比例，在目前“實驗課盡量不要讓學生掛科”的普遍“共識”下，實驗課程的學習評價就變得無足輕重。當學生沒有了考核要求，同時缺乏對課程的熱情，自然而然就成了“程序錄入員”。因此，建立合理的實驗教學考核機制就顯得尤為重要。

（3）缺乏專業相關的實驗案例。在諸多高校的編程類課程的實驗課中，仍舊采用經典的訓練實例，而不同語言具有不同的特點，千篇一律的訓練內容已不能滿足學生的要求。Python語言在數據分析和人工智能等領域具有廣泛的應用，具有豐富的實驗設計案例，依據專業背景設計有效的實驗案例顯得尤為重要。特別是在實驗案例的設計過程中，應注重基礎知識與專業背景問題的結合。如果實驗案例設計得過難而脫離課堂中所學的基礎知識，那么很難起到鞏固基礎知識的作用。

（4）缺少有效的實驗平臺。大部分高校所采取的紙質或者電子版的實驗報告形式呈現實驗過程，學生在實驗的過程中幾乎都是在本機進行自主編程，通過自行設計一些測試用例來驗證程序的正確性，最后撰寫實驗報告。通過這種傳統方式，任課教師很難在學生進行自主編程的過程中的發現問題，因此，建立滿足學生編程需求同時能夠及時檢測學生實驗行為的實驗平臺是實現高效Python實驗教學的亟待解決問題。

2 Python程序設計實驗教學的改進措施

（1）注重進階式的實驗內容。基礎知識是培養編程思維的關鍵，堅實的基礎知識使得學生解決問題時更加游刃有余。Python程序設計的實驗內容應緊緊結合知識點，具有一定的進階性。特別是非計算機專業學生在掌握了一點基礎知識后，應注重知識點之間的串聯，建立相應的知識體系，以便后期進行技能提升。具體將實驗內容分為兩個階段：第一階段為“基礎”階段，主要內容包括運算符、表達式、序列、函數、字符串、程序控制結構；第二階段為“進階”階段，主要掌握文件和文件夾的操作、異常處理機制、復雜函數實現，并結合相關專業問題，掌握專業第三方庫的使用，熟悉異常處理。

（2）依托專業背景，豐富實驗案例。任課教師應從科學研究、實際生活中獲取大量的實例，從中精選指向具體專業背景的應用，將其設計為實驗案例，以豐富實驗課內容。具體可從以下幾方面來考慮實驗案例：①實驗案例選取應遵循“易理解、能分析、可實現”的原則，根據學生的能力和知識體系設計實驗案例，防止過難而超出知識范圍，避免學生在實驗課教學中的挫折感。②實驗案例應注重循序漸進，考慮知識點串聯。③實驗案例應盡量與不同專業的背景相關。④實驗案例應注重培養編程思維，鼓勵學生根據自己所學的專業知識結合編程語言，分析問題并設計問題的解決方案。

（3）項目驅動的非計算機專業Python程序設計實驗教學。在學生掌握了一定的基礎知識后，實驗課可以采用項目驅動的方式，以提升學生解決問題的能力。具體可從以下幾方面入手：①選擇貼合實際應用的項目案例，突出專業特色，注重與課本知識點的串聯。②任課教師在實驗教學過程中應給學生提供一個解決問題的思路或方向，讓學生自己動手去解決問題，調動學生的主動性。③將項目按模塊劃分，得到若干模塊，將每個具體模塊的實現安排在每次實驗課上進行，形成一個“實驗”到“項目”的任務體系。每個模塊的解決方案應與對應的課堂教學內容具有較強的關聯度。

（4）基于線上平臺實驗教學考核。實驗教學考核又與課堂考核有所區別，其包含了兩部分：過程和結果。過程考核重點考查學生思考、分析和解決問題的能力，引導學生全面提高專業素養和綜合素質，提高學生的學習能力；結果考核主要是對實驗內容的完成情況進行考核，并結合實驗報告進行評定[4]。其中，實驗過程的考核在考核中占據主要的組成部分。如何記錄實驗過程是實驗考核的關鍵，為此可采用在線實驗教學平臺。學生在線上平臺自主進行實驗，對每次提交的代碼進行記錄，可通過對一些指標的分析來評估學生在實驗過程總體的表現。

（5）建立Python實驗教學平臺。Python實驗教學平臺對掌握Python語言具有至關重要的作用。不僅需要滿足日常上機實驗，還要考慮實驗報告的提交形式、實驗過程的追蹤、實驗課在線教學、實驗課考核。具體可從以下幾方面來建立實驗教學平臺：①針對不同專業的學生和不同學習階段，建立實驗案例庫。②具備自動程序驗證功能，通過不同特征的測試用例來測試學生提交的代碼，并在驗證之后給出相應的用例驗證結果，以便幫助學生進行反思。③記錄學生每次提交代碼的驗證結果，通過后臺數據分析給出在實驗過程中存在的問題，并報告給任課教師。④基于學生實驗過程的行為和實驗報告，依托一些定量指標對實驗過程進行輔助評價。⑤引入輔助在線教學平臺，學生通過在線教學平臺可隨時回顧知識點，并解決實驗過程中出現的問題。

3 結語

Python語言已成為非計算機專業程序設計類課程的首選，然而傳統程序設計的實驗教學方法很難滿足現有教學要求。因此，Python程序設計實驗教學的改革迫在眉睫。本文通過分析Python程序設計教學的現狀，在實驗內容、實驗案例、實驗考核、實驗平臺等方面對實驗教學改革措施進行了探討，力求提升Python實驗教學的質量。