面向新文科的Python課程項目式學習教學研究

房 媛，王美航，趙秀巖，邵 利，王偉珍，于曉強

（1.大連工業大學 工程訓練中心（創新與創業教育中心）；2.大連工業大學服裝人因與智能設計研究中心，遼寧 大連 116034）

0 引言

“數字化+智能化”的時代浪潮涌動，高等教育面臨著歷史性變革和挑戰。與此同時，以計算機技術為基礎的人工智能、信息物理系統、物聯網、大數據等智能技術已成為推動科技發展最強勁的動力，以計算為基礎的學科交叉融合越來越廣泛且深入，信息素養的培養理念、教育模式和課程體系均面臨迭代需求。2019年4月，教育部、工業和信息化部、科技部等13個部門聯合啟動了“‘六卓越一拔尖’計劃2.0”，該計劃提出并強調發展新工科、新醫科、新農科、新文科建設［1］。新文科建設的使命光榮、責任重大、任務艱巨。據教育部2020年1月的統計數據顯示，文科學科門類包含文學、哲學、歷史學、經濟學、管理學、法學、藝術學、教育學八大類別，在學科門類中占比61.5%（8：13），專業設置占比47.1%（331：703），開設文科門類的高校數量占全國高校數量的98%（1240：1265），在校學生人數為877.9萬人，占比50.2%。2020年11月，教育部新文科建設工作組發布《新文科建設宣言》，對新文科建設作出全面部署，提出了新文科的推進要“守正創新”，要與現代信息技術融合，與其他學科交叉融合，與相近專業集群融合，以全面提高高等教育人才培養質量［2］。

Python語言是目前最接近自然語言的通用編程語言，因能夠充分展現計算思維的先進性而得到了廣泛應用。面對數智時代，文科學生需要更豐富的思維模式來培養綜合分析問題的能力，其中不可或缺的就是計算思維。Python語言有助于進一步釋放師生的活力和創新熱情，全面提升教學質量，使“新文科”專業學生有機會掌握一門終身受用的程序設計語言，非常適合作為第一門程序設計科目進行教學［3］。此外，Python靈活、豐富的第三方庫與快捷的數據處理能力都為文科生提供了數據思維和數據能力鍛煉的良好基礎。因此，如何對普通高校的程序設計通識課進行改革，滿足新時代高等教育“四新”人才培養教育理念，是目前亟待解決的問題。

1 相關研究

在Python課程的項目式教學方面，盧海麗等［4］提出在智能時代背景下的項目式學習模式，包括項目準備、項目規劃、項目實施、復盤與評價4個主要環節；李小青［5］闡述了在Python程序設計課程中，應用PBL理念引導學生發現問題，激發學生興趣進行分組討論，并展示解決問題方案；戴成秋［6］針對傳統教學方式中存在的普遍問題，提出Python語言程序設計課程融合PBL的MOOC+SPOC混合式教學方案，將教學設計分為問題/項目、學生和教師三大部分，教學活動設計上采用小項目以3～7人為小組展開；王菲等［7］在分析“新文科”大學生信息素養要求的基礎上，探討合理設置Python語言課程的教學內容、知識體系與考核方法。本文在新文科建設背景下，結合新一代信息技術產業技術發展需求與項目式學習教學理念，以Python程序設計課程的綜合項目式教學為切入，從培養學生的計算思維與計算能力、數據思維與數據能力和系統思維與應用能力3個主要方面為課程目標，深入研究了“九步三逐”項目式教學模式、教學效果和形成性評價考核等內容。

2 新文科人才先進計算素養需求

2018年8月在全國教育大會召開之前，中共中央發文提出“高等教育要努力發展新工科、新醫科、新農科、新文科”（簡稱“四新”建設），正式提出“新文科”概念。這一概念提出后，近年來新文科建設領域涌現出大量研究成果。如吳巖［8］提出創新是高等教育的生命線，新時代新形勢需要高等文科教育創新發展，因此要應新時代哲學社會科學發展的新要求，推進哲學社會科學與新一輪科技革命和產業變革交叉融合；黃啟兵等［9］認為新文科是在新技術的推動、新需求的產生以及新國情的需要等時代背景下出現，具備學科交叉、知識應用、適應國情等一系列特征；樊麗明［10］提出中國建設“新文科”的核心要義在于新專業或新方向、新模式、新課程、新理論的探索與實踐；王銘玉［11］認為創新領域新對象促生新文科，人工智能、區塊鏈、基因工程、虛擬技術等大量新興技術的出現反映了時代的新潮和新的研究方向，引起了新一輪科技革命和產業變革，人文社會學科不可能“獨善其身”，紛紛與理學、工學的新興領域產生了交叉融合；張銘凱等［12］提出新文科背景下首要解決的是課程問題，而不能成為交叉、融合、混搭后的“四不像”存在。

在大學教育通識階段，計算機程序設計課程用于普及新一代信息技術，打破傳統學科壁壘，是為傳統人文社會學科賦能的最佳陣地。計算力就是生產力，從結繩計數到算盤算尺，到計算器再到電子計算機，每次新計算技術的出現都從根本上促進了生產力發展。自20世紀計算機誕生以來，計算技術不斷演進迭代，經歷了由量變到質變的發展，計算能力提升、計算方式優化、計算數據呈指數級增長。先進計算是融合了計算、存儲、網絡、控制等技術，以更高效地實現人、機、物互通和智能應用的新一代信息基礎設施，是從單一的計算設備及技術向多元化計算系統及應用的演進，具有先進性、泛在性、多樣性，也是新一代信息技術產業的本質和核心。先進計算的內涵包括算力、算法、算據三大要素。近年來，先進計算與大數據、物聯網、人工智能等技術進行融合，成為促進國家經濟建設、社會發展、科學進步的重要推動力量。

對標新一代信息技術產業的發展與新文科人才培養需求，結合計算機程序設計公共基礎課程特點，提出3點面向新文科的先進計算素養需求，分別是：①計算思維與計算能力。能夠將現實問題模型轉換為計算模型，有能力借助先進計算手段完成自動計算；②數據思維與數據能力。能夠正確描述數據需求，具備一定的行業數據感知力、數據分析力與數據呈現力；③系統思維與應用能力。能夠系統設計問題實現步驟，具備一定的處理現實問題的應用能力。本文利用Python語言易學易用的特點，內涵結合專業特色進行項目驅動式教學設計，外延著力打造全程數字鏡像形成性評價的教學環境，從根本上滿足新時代對新文科人才的培養需求。

3 項目式學習教學模式

項目式學習（Project Based Learning，PBL）是一種以學生為主體的教學模式，解決的是如何學的問題，由克伯屈（William Hurd Cobbler，1918）提出的“設計教學法”演變而來。PBL教學的四大要素是內容、活動、情境和結果。胡紅杏［13］提出開展項目式學習的價值，在于圍繞挑戰性的學習主題提出問題，深度參與探究，從而提升核心素養和能力；葉荔輝［14］提出基于科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）4門“元學科”STEM教育理念的PBL教學模式設計，應聚焦工程創新素養、工程人文素養、AI素養的人才培養目標設計，同時注重“探究—實踐—交流”的科學程序設計。

3.1 基于PBL的教學內容重構

Python課程是面向大連工業大學經管文科類專業開設的公共基礎必修課。課程名稱是Python語言與數據處理，共48學時，采用線下機房“教—學—練—創”一體化授課模式。在課程學時有限的條件下，既要完成基礎能力訓練，又要完成高階性和創新性的課程目標，因此本文在課程內容上進行了重構。將課程內容按照模塊形式重組為四大模塊：①基礎模塊（語言基礎，數據類型，語句，函數）；②數據處理模塊（第三方庫，文件，數據獲取，數據預處理）；③數據可視化模塊（數據可視化）；④Python+專業應用（項目式學習）。

除課程內容的模塊重組外，還進行了符合新文科需求的課程創新項目甄選。例如，“某商品消費者評價數據挖掘”“某招聘崗位與專業設置關聯度分析”“人口數據背后的故事”等多種選題。

3.2 創新的PBL教學模式

創新的PBL教學模式整體設計遵循“三逐”原則，即逐個完成小任務，逐步樹立成就感，逐漸達到大目標。共由9個步驟組成，分別是：①誠信承諾書；②預選題；③分組確認；④需求分析報告；⑤需求分析報告評價反饋；⑥數據處理報告；⑦數據處理報告評價反饋；⑧小組報告與考核資料匯總；⑨優秀項目展示。以上簡稱為“九步三逐”（Nine Steps Three Progression，NSTP）的PBL教學模式，如圖1所示。

Fig.1 " Nine steps three progression " PBL teaching mode圖1 “九步·三逐”PBL教學模式

本文以某商品消費者評論數據挖掘項目為實施樣例，在圖2中詳細列出了NSTP教學流程。

Fig.2 PBL implementation example of Python programming and data processing圖2 Python語言與數據處理的PBL教學實施樣例

3.3 學生小組PBL合作模式

項目小組最多由3人隨機組成，在整個項目實施過程中，采用“分分合合”的合作模式。選題分析合作，分析確定分類項中的具體題目；需求分析獨立完成，培養個人對需求分析的獨立理解能力與獨立查閱資料的能力；數據處理合作，作為數據思維和能力培養的主要手段，將一個人無法完成的數據處理工作進行必要的分工合作；數據分析獨立完成，培養面對行業專業數據時的獨立分析能力；小組項目報告合作，通過通力合作完成小組項目報告，完成項目全流程的總結陳述與討論分析，使所有成員達成共識。“分分合合”合作模式如圖3所示。

Fig.3 "On-off and on-off" cooperation mode圖3 “分分合合”合作模式

3.4 課程考核

本門課程采用全過程形成性評價，分數占比分別為：課堂表現25%，作業25%，隨堂測試25%，創新項目25%。其中，課堂表現由每節課的課堂熱身和課堂練習兩部分組成。課程采用線下教學方式，并將學習歷程在線上進行全過程鏡像記錄。尤其是全過程鏡像學習記錄，既能適應非疫情期的線下教學需要，又能適應疫情期間居家線上學習的需要。創新項目評價的分數占比為：誠信承諾書5%，小組討論記錄10%，需求分析報告10%，數據處理報告10%，小組總報告15%，源數據15%，處理后的數據10%，源代碼25%。

4 課程改革實施效果

（1）賦能新文科專業人才培養，切實提升學習者的先進計算素養。項目選題貼近于專業，賦能專業的延伸應用，充分發揮課程的延展性和高階性。Python課程實施PBL教學兩年以來，學生開展項目選題近百個。

（2）潤物無聲的課程思政，啟智潤心。例如，項目誠信承諾書的簽署，體現了契約精神。數據獲取階段通過展示國家數據中心網站及其數據獲取等操作，介紹了我國國家數據、信息安全戰略，為學生樹立基本的數據安全意識等。

（3）過程評價不可逆，提高了學生的學習積極性。采用全程分散的考核方式，學生學習的積極性大幅提高。據不完全統計，僅一個學期，學生在智慧教學平臺的訪問次數生均達到2 300次，按照48學時折合每學時生均訪問次數為48次。學生成績較傳統教學方式提升明顯，不及格率顯著下降。

（4）小成果積累大成就，學生課程收獲感提升。項目式學習采用分步驟推進的教學方式，逐步建立小成果。例如將傳統只收取一份大報告的形式分解為組成大報告的若干小報告，隨時反饋小報告的優缺點，學生及時獲得滿足感和成就感。課程結束后，學生投稿期刊論文2篇，利用課程成果參加各級各類創新創業項目與競賽近10項，獲批大創項目2項，獲得競賽獎項3項。

5 結語

為應對新一輪科技革命與產業變革的時代需求，本文著力面向新文科的Python程序設計課程建設與改革研究，秉承計算生態思維，以創新、賦能、提升為理念，使學生扎實掌握以Python語言為代表的先進計算能力，掌握數據分析及人工智能應用的基本能力，提升計算思維能力以及全方位的信息技術綜合運用能力，以全面支撐新文科人才的培養需求。本文結合項目式教學的要素，提出符合新文科人才培養目標的Python課程項目式學習教學模式，探索了NSTP的組織課程實施方案。接下來，在課程建設方面還會不斷開拓創新，在項目式教育教學改革方面作出更多探索。