基于計算思維的項目驅(qū)動Python程序設(shè)計教學研究

章蓬偉 賈鈺峰 邵小青 劉生智

（新疆科技學院信息科學與工程學院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

Python程序設(shè)計課程是大學計算機類專業(yè)課，其目的是培養(yǎng)學生在信息化社會所必需的信息素養(yǎng)，及運用信息化技術(shù)解決生產(chǎn)生活實際問題的能力。計算機信息素養(yǎng)日益成為創(chuàng)新能力不可或缺的部分。在信息技術(shù)日新月異、爆炸式發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的Python程序設(shè)計課程重在計算機軟件或工具介紹、教授學生零散的計算機編程知識，難以幫助學生提升創(chuàng)新能力，無法有效支持計算機類專業(yè)建設(shè)，更無法滿足未來大數(shù)據(jù)時代各領(lǐng)域?qū)σ杂嬎隳芰橹蔚膹秃闲蛣?chuàng)新人才的需求。因此，以能力培養(yǎng)為導向，確定本課程的培養(yǎng)目標是“培養(yǎng)學生的計算思維，以項目驅(qū)動教學，拓寬學生的知識面，使之掌握基本編程操作技能，提高應用能力和創(chuàng)新能力”。

Python程序設(shè)計是計算機類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課程，和C語言、Java相比，Python的優(yōu)勢明顯。Python是一種免費、開源、解釋型的面向?qū)ο蟮母呒墑討B(tài)編程語言。Python語言目前是最接近人類思維的編程語言，可以應用于數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計、人工智能、Web開發(fā)、云計算等，能方便進行系統(tǒng)維護與管理，是最受歡迎的編程語言之一。在人工智能領(lǐng)域中機器學習、深度學習等方面Python應用廣泛，是人工智能領(lǐng)域最火的計算機編程語言。

1 前期Python程序設(shè)計課程的反思

以培養(yǎng)學生分析問題能力為中心，通過工程實踐項目展開教學改革真正提高學生運用計算機分析、解決問題的能力，是高校教師亟須解決的問題。Python程序設(shè)計是新疆科技學院面向計算機專業(yè)一年級開設(shè)的必修課，總學時36，理論學時18，實踐學時18。

目前的Python程序設(shè)計教學仍存在一些不盡如人意的地方，主要有以下幾方面：學生編程水平差異化嚴重，學生來自全國五湖四海，對Python程序設(shè)計學習的興趣兩極分化，計算機和編程水平參差不齊，對課程實踐教學提出了極大的挑戰(zhàn)。強化理論灌輸、弱化能力培養(yǎng)、教學手段單一在教學中仍然采用理論講解—學生操作—課后練習的傳統(tǒng)教學模式，強化知識灌輸，弱化能力培養(yǎng)。沒有有效將課上與課下形成閉環(huán)，教學手段單一，導致學生實踐環(huán)節(jié)薄弱，不能有效培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。要轉(zhuǎn)變觀念從重學輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變。學生對程序設(shè)計課不能機械地記憶，需要不斷地思考創(chuàng)新，從中獲得學習的樂趣和成就感。

實踐教學環(huán)節(jié)流于形式，加之學生程序設(shè)計的基本功不扎實，久而久之對學習編程和思考問題失去興趣。從教學的角度來看，傳統(tǒng)的教育觀念不是“以學生為中心”而是“以知識為中心”，這種方法表現(xiàn)為：教師無所不知，是不變真理的化身，學生一無所知，只能等待教師的“施舍”，被動地接受知識。灌輸式教學極不利于“以學生為中心”的成長和發(fā)展，灌輸?shù)闹R越多，學生越缺乏批判意識、主體精神和創(chuàng)造性的品質(zhì)，不利于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學方式。面對這些問題，課程組經(jīng)過一年多的教學反思與總結(jié)，對Python程序設(shè)計進行了有效的改革，使Python程序設(shè)計課滿足了新時代對人才培養(yǎng)的要求。

2 教學方法改革

Python語言具有簡潔性、易讀性和可擴展性，只關(guān)注計算問題的解決，是進化最接近自然語言的編程語言，但傳統(tǒng)程序語言設(shè)計都是以教師為中心，學生被動地接受編程知識，并沒有和教師同頻共振，學生實踐環(huán)節(jié)不夠，課程理論與實踐的結(jié)合不夠緊密，學生缺乏主動性等。針對以上問題，經(jīng)過一年的改革與實踐，本文對教學改革進行了歸納總結(jié)。

2.1 以學生為主體、教師為主導，以計算思維為切入點項目驅(qū)動式教學

本教學模式以項目驅(qū)動教學法為主導，以計算思維為切入點，用項目將師生的教與學活動串聯(lián)起來，項目實施完成的過程就是整個教學過程。模式主要由教師、學生兩個主體，項目設(shè)計、項目分析、項目實施、總結(jié)評價五個教學流程構(gòu)成，通過項目串聯(lián)起來組織教學。具體模式構(gòu)建如圖1所示。

圖1 基于計算思維的項目驅(qū)動教學模式

2.2 因材施教多級任務規(guī)劃的衍生進階教學內(nèi)容設(shè)計

教學內(nèi)容逐步的完成過程中，進行分段、進階式教學內(nèi)容的設(shè)計。項目驅(qū)動教學模式是將知識點貫穿到整個項目運作過程中，掌握Python基礎(chǔ)，包括基本數(shù)據(jù)類型、組合數(shù)據(jù)類型、控制結(jié)構(gòu)和文件操作；掌握Python進階，能夠應用第三方庫解決較復雜問題。項目完成過程中，學生也可以提出新的問題進行科學探究和知識的拓展，真正培養(yǎng)分析、解決問題的能力，進而達到思維能力的培養(yǎng)并切身體會創(chuàng)新實踐的樂趣。通過13個分段進階式項目教學化難為易、科學系統(tǒng)的培養(yǎng)學生計算思維的能力。高級模塊推薦給學有余力的學生，包括NumPy、Pandas和Matplotlib等，具體項目方案如表1所示。

表1 基于計算思維的項目進階教學內(nèi)容設(shè)計

2.3 線上線下混合教學模式，使用Educoder+MOOC教學平臺完善項目驅(qū)動教學模式

MOOC一般指大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程，極大豐富了學生課上課下的理論學習與實踐練習。Educoder（頭歌）平臺是學、練、評、測一體化實驗環(huán)境，可以將傳統(tǒng)的知識傳授和工程實戰(zhàn)一體化緊密結(jié)合。使用這兩個平臺互相配合應用到項目驅(qū)動教學的課前、課中和課后3個環(huán)節(jié)。課前教師通過MOOC布置學生預習任務，根據(jù)學生預習情況的數(shù)據(jù)調(diào)整項目驅(qū)動教學的內(nèi)容。以教學大綱為依據(jù)為學生推薦兩門MOOC資源，學生可以在課前預習、課后復習。課中教師通過項目驅(qū)動使學生做中學，項目完成過程中，真正培養(yǎng)分析、解決問題的能力，進而達到思維能力的培養(yǎng)并切身體會創(chuàng)新實踐的樂趣。通過頭歌平臺布置課后實訓作業(yè)。頭歌平臺上有實踐課程、實踐項目、課題教學、案例教學等模塊，有豐富優(yōu)質(zhì)的教學內(nèi)容和實踐項目。如國防科技大學開設(shè)的“大學計算——基于Python的計算思維與工程實踐能力訓練”課程，學生做題前可以通過任務要求復習一遍相關(guān)知識，通過任務驅(qū)動通關(guān)式的程序上機實踐。如果過關(guān)會有相應金幣的獎勵，則提高了學生學習的主動性和趣味性。課后教師可以通過平臺數(shù)據(jù)分析，針對學生不同階段的學習效果，局部調(diào)整項目驅(qū)動教學內(nèi)容，對學生反饋的難點進行針對性的教輔。

2.4 課程考核采用多元評價過程性考核體系

傳統(tǒng)應試教育單憑期末一次性成績內(nèi)容來決定學生的成績，忽視學習過程，不利于綜合素質(zhì)的提高。過程性考核通過學生的學習情況和階段性學習效果，全面考核學生的學習能力、運用能力及創(chuàng)新能力。課程考核采用多元評價體系，最終成績由課前（10%）+課中（45%）+課后（45%）組成。具體標準如表2所示，其中大作業(yè)項目階段考核以小組形式答辯，綜合小組成員自評和對小組成員提問表現(xiàn)。按照一個班級45人的標準，根據(jù)學生的特長進行團隊劃分。將學生分成6～7個團隊，每個團隊在7～8人，然后推薦一名隊長。根據(jù)學生在分組答辯階段性大作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計中的貢獻率和Python語言掌握情況給予客觀的綜合成績。這樣既考核學生的理論知識又考察培養(yǎng)其思維能力，并且將考核貫穿整個學期，促進了學生自主學習，提高了計算思維的能力。課后階段性PTA測試能檢測學生對Python編程語言的掌握情況。學生學習成果的評價方式，不能再是以最終成績一刀切來決定，要明確學習成果的類型，強調(diào)多元過程性考評，通過這種考核方案有助于進一步提高學生學習的積極性，激發(fā)創(chuàng)新熱情，全面提升教學質(zhì)量。

表2 課程考核采用多元評價過程性考核體系

3 結(jié)語

本文根據(jù)Python語言的特點，提出了Python編程與實踐課程教學模式，采用以學生為主體、教師為主導，以計算思維為切入點項目驅(qū)動式教學、因材施教多級任務規(guī)劃的衍生進階教學、采用多元評價過程性考核體系線上線下混合教學模式。不僅激發(fā)了學生的學習興趣，同時提高了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和創(chuàng)新的能力，為高質(zhì)量的人才培養(yǎng)探索提供了有效的解決途徑。