獨(dú)立學(xué)院非計(jì)算機(jī)專業(yè)Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

冉娟++張鋼

摘 要：針對獨(dú)立學(xué)院非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，分析程序設(shè)計(jì)課程目前存在的問題，提出“以思維培養(yǎng)為主體，以能力培養(yǎng)為核心，以服務(wù)專業(yè)為目標(biāo)”的教學(xué)改革目標(biāo)，結(jié)合天津大學(xué)仁愛學(xué)院Python程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)情況，探討以程序設(shè)計(jì)思想為重心的“精講導(dǎo)學(xué)+課堂翻轉(zhuǎn)，RAPTOR流程圖+程序設(shè)計(jì)，實(shí)例貫穿”等多元化教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立學(xué)院；計(jì)算思維；精講導(dǎo)學(xué)；實(shí)例貫穿；RAPTOR流程圖+程序設(shè)計(jì)

0 引 言

2017年，教育部啟動“新工科”發(fā)展研究工作，即針對新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)與社會新形態(tài)的變化，推進(jìn)面向可持續(xù)競爭力的新型工科人才培養(yǎng)模式改革[1]。基于此人才培養(yǎng)模式改革，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的任務(wù)和目標(biāo)更要注重培養(yǎng)各專業(yè)學(xué)生在理解知識的基礎(chǔ)上，掌握和應(yīng)用知識，從而達(dá)到能力和素質(zhì)的提升[2]。程序設(shè)計(jì)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心課程之一，正是在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生逐步掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的思維習(xí)慣和能力，讓學(xué)生真正掌握利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)問題的通用方法。面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)第一門程序設(shè)計(jì)課程時(shí)，要考慮以下幾點(diǎn)：①非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程后，可能不再學(xué)習(xí)其他計(jì)算機(jī)課程，要通過該課程盡可能激發(fā)學(xué)生對程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣，并讓學(xué)生今后能夠以此為基礎(chǔ)，自學(xué)其他計(jì)算機(jī)知識；②非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生通過學(xué)習(xí)該課程，應(yīng)該掌握程序設(shè)計(jì)的思想和方法，重點(diǎn)是學(xué)會利用計(jì)算機(jī)解決問題，而不是關(guān)注其底層實(shí)現(xiàn)；③非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生除了要學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的一些基本概念外，還要學(xué)習(xí)今后可能用到的專業(yè)技術(shù)和知識，以更好地為專業(yè)服務(wù)。

1 獨(dú)立學(xué)院程序設(shè)計(jì)課程面臨的問題

長期以來，我國高校針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)普遍開設(shè)C語言程序設(shè)計(jì)課程，實(shí)際教學(xué)內(nèi)容圍繞數(shù)據(jù)類型、指針、內(nèi)存、字符操作等開展[3]。由于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生缺少計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)知識、沒有專業(yè)需求、認(rèn)識程度不高、學(xué)習(xí)困難等諸多因素，C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)出現(xiàn)前所未有的困難，無法滿足非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在后續(xù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用中繼續(xù)使用該語言解決問題。對此，2015年開始，天津大學(xué)仁愛學(xué)院嘗試用Python語言替代非計(jì)算機(jī)專業(yè)的C語言，主要出于以下幾個(gè)原因：①語言代碼簡潔，不要求程序通過函數(shù)封裝，代碼行數(shù)比C語言簡短；②語法簡單，沒有C語言中的指針、地址等涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的元素，能降低非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)難度；③擁有豐富的圖形庫和科學(xué)計(jì)算庫，能夠完成各種實(shí)用程序，特別是具有圖形界面的應(yīng)用程序能夠很好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，如藝術(shù)圖形繪制；④強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)庫可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲等，有助于學(xué)生學(xué)會一種終身受用的編程語言。用Python語言替代非計(jì)算機(jī)專業(yè)的C語言是程序設(shè)計(jì)課程發(fā)展的必然趨勢[3]，但在教學(xué)實(shí)踐中仍然面臨以下問題。

（1）Python語言成為C語言的替代品，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)案例卻都照搬C語言，仍然圍繞編程語言展開教學(xué)，無法體現(xiàn)Python語言自身的優(yōu)勢，課程內(nèi)容“換湯不換藥”。

（2）課程教學(xué)內(nèi)容沒有針對不同專業(yè)做適當(dāng)調(diào)整，學(xué)生仍然認(rèn)為學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程沒有用處，與其專業(yè)的后續(xù)課程沒有必然聯(lián)系，學(xué)習(xí)本課程只追求拿到學(xué)分。

（3）教學(xué)模式?jīng)]有隨程序設(shè)計(jì)語言的改變而改變，仍然是“以教師為中心”，且采用“課堂講授理論—上機(jī)操作—課后練習(xí)”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣仍然不高、學(xué)習(xí)了編程卻不會編程，也不會利用計(jì)算機(jī)解決問題。

綜上所述，用Python語言替代非計(jì)算機(jī)專業(yè)的C語言，初衷是一方面可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生能夠運(yùn)用Python語言解決實(shí)際問題，以更好地服務(wù)于專業(yè)。然而，教學(xué)實(shí)踐反映出學(xué)生對該課程仍然很迷茫，他們認(rèn)為只是更換一種語言，與本專業(yè)聯(lián)系不大，課程用處不大，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程目的只是獲得學(xué)分，從而失去替換的真正意義。

2 Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革探索

2.1 課程定位和目標(biāo)制訂

在深入分析研究“教指委”提出的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求”有關(guān)Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上[4]，2016年，天津大學(xué)仁愛學(xué)院重新探討和研究面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)Python語言程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)定位和目標(biāo)，確定“以思維培養(yǎng)為主體，以能力培養(yǎng)為核心，以服務(wù)專業(yè)為目標(biāo)”的課程教學(xué)定位，突出不同專業(yè)的特點(diǎn)與需求，突出學(xué)生創(chuàng)新思維能力和計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，探索該課程新的教學(xué)內(nèi)容體系、研究和實(shí)踐新的教學(xué)模式與教學(xué)方法，讓學(xué)生能將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為能力，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，讓學(xué)生真正掌握利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)問題的通用方法。

2.2 課程教學(xué)內(nèi)容改革

根據(jù)課程定位與目標(biāo)，我們對該課程教學(xué)內(nèi)容改革并重新規(guī)劃，將其分為基礎(chǔ)部分、能力部分以及應(yīng)用部分。其中，基礎(chǔ)部分主要包括基礎(chǔ)語法和基本程序結(jié)構(gòu)；能力部分包括基本算法和高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；應(yīng)用部分根據(jù)專業(yè)需求不同設(shè)計(jì)不同的專題應(yīng)用，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)綜合系統(tǒng)地開展程序設(shè)計(jì)，達(dá)到學(xué)以致用的效果。這種課程內(nèi)容組織形式不僅有利于教師在教學(xué)過程中把握教學(xué)知識點(diǎn)，還有利于學(xué)生理解課程的總體結(jié)構(gòu)；同時(shí)，遵循循序漸進(jìn)的原則，讓學(xué)生逐步提高計(jì)算思維能力和系統(tǒng)能力。課程所涉及的語法知識在課堂上簡單講解，并利用SPOC給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)平臺。課程教學(xué)內(nèi)容劃分[5]見表1。

2.3 教學(xué)過程組織和教學(xué)模式改革

程序設(shè)計(jì)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，針對該課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)理念，整個(gè)教學(xué)過程組織將傳統(tǒng)“理論+實(shí)踐”相融合，即充分體現(xiàn)“理論教學(xué)融于實(shí)踐、實(shí)踐貫穿教學(xué)全過程”。在教學(xué)學(xué)時(shí)不變的情況下，授課地點(diǎn)全部安排到機(jī)房，教師講完理論知識，學(xué)生可以立即實(shí)踐驗(yàn)證，并配合相應(yīng)練習(xí)以鞏固對知識點(diǎn)的理解。這種教學(xué)過程組織能夠及時(shí)解決學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的疑惑，使教師更容易開展計(jì)算思維教學(xué)活動，使學(xué)生在思維和技能兩方面都受益。endprint

程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)重點(diǎn)是讓學(xué)生能將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為能力，真正掌握利用計(jì)算機(jī)解決問題的通用方法，從而培養(yǎng)計(jì)算思維能力。在前導(dǎo)課程RAPTOR可視化程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，教師要進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和計(jì)算思維能力，積極推行“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，改變以往傳統(tǒng)的教學(xué)模式，建立以程序設(shè)計(jì)為重心的“精講導(dǎo)學(xué)+課堂翻轉(zhuǎn)，RAPTOR流程圖+程序設(shè)計(jì)，實(shí)例貫穿”等多元化教學(xué)模式，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生按照“提出問題—分析問題—解決問題”的方法進(jìn)行主動學(xué)習(xí)。

3 基于計(jì)算思維的多元化教學(xué)模式

3.1 精講導(dǎo)學(xué)+課堂翻轉(zhuǎn)

傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方式是“課堂講授理論—上機(jī)操作—課后練習(xí)”，教師花費(fèi)大量時(shí)間用于課堂講解語法結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)理論知識，學(xué)生在實(shí)踐課上按照教師布置的實(shí)驗(yàn)題目將程序錄入，調(diào)試程序就算完成任務(wù)[6]。這種教學(xué)模式下，教學(xué)過程枯燥無味，學(xué)生只能一味地接受知識，容易失去學(xué)習(xí)興趣。為了解決這個(gè)問題，我們認(rèn)為教學(xué)過程在體現(xiàn)“理論教學(xué)融于實(shí)踐，實(shí)踐貫穿教學(xué)全過程”的同時(shí)，教師還應(yīng)將教學(xué)重心轉(zhuǎn)移為程序設(shè)計(jì)的思想和方法。對此，我們借助北京理工大學(xué)Python語言程序設(shè)計(jì)MOOC課程資源，采用“精講導(dǎo)學(xué)+課外自主學(xué)習(xí)+自測”的方式完成理論知識的教學(xué)，教學(xué)模式包括創(chuàng)建SPOC、課前自主學(xué)習(xí)、課堂精講、課后自測4個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

（1）創(chuàng)建SPOC。我們基于北京理工大學(xué)Python語言程序設(shè)計(jì)MOOC課程資源，建設(shè)本校SPOC；根據(jù)課程教學(xué)需求，為學(xué)生建立學(xué)習(xí)資源、提供網(wǎng)絡(luò)交流平臺并設(shè)置課前引導(dǎo)問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行課前學(xué)習(xí)。

（2）課前自主學(xué)習(xí)。根據(jù)教師指定的教學(xué)任務(wù)和引導(dǎo)問題，學(xué)生在課前通過SPOC資源和“雨課堂”智慧教學(xué)工具，對課程視頻和課件進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，可以提前發(fā)現(xiàn)自己難以理解的知識點(diǎn)，并在自主學(xué)習(xí)過程中利用“雨課堂”及時(shí)反饋給教師，讓教師準(zhǔn)確了解學(xué)習(xí)的程度，以便在課程講解時(shí)做到有的放矢。

（3）課堂精講，主要完成課前小測——編程——實(shí)踐。教師利用“雨課堂”教學(xué)工具，在課前5～10min對學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行小測試，如圖1所示，以及時(shí)獲知學(xué)生的答題和知識掌握情況，有針對性地開展課堂教學(xué)；將更多課堂時(shí)間用于引導(dǎo)學(xué)生討論和分析問題，提出解決問題的方法和途徑；將理論知識融于程序設(shè)計(jì)中，讓學(xué)生在課堂上開展編程實(shí)踐，及時(shí)理解并解決問題。教師在整個(gè)教學(xué)過程中只需要講解重點(diǎn)與難點(diǎn)，提高課堂利用率。

（4）課后自測。學(xué)生在課后除了要完成必要的基礎(chǔ)編程題目外，還需要完成SPOC資源中的課后自測題目，以鞏固所需理論知識點(diǎn)。

3.2 以“RAPTOR流程圖+程序設(shè)計(jì)”為框架

程序設(shè)計(jì)是計(jì)算思維的教學(xué)重點(diǎn)，對于大一新生而言，理解和掌握程序設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，對于“三本”院校的學(xué)生更是如此。為了讓學(xué)生更好地理解和掌握，在前導(dǎo)課程RAPTOR可視化程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，與Python程序設(shè)計(jì)相結(jié)合，既能強(qiáng)化學(xué)生的思維訓(xùn)練，又能輔助學(xué)生更好地理解Python程序設(shè)計(jì)語法結(jié)構(gòu)。以實(shí)現(xiàn)“PM2.5空氣污染指數(shù)分級問題”為例，講解Python的分支嵌套結(jié)構(gòu)，學(xué)生往往在理解分支嵌套結(jié)構(gòu)上容易出現(xiàn)困難，即如何給出一個(gè)清晰的嵌套結(jié)構(gòu)，對此，教師在教學(xué)過程中不應(yīng)急于講解Python分支嵌套語法結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該先讓學(xué)生使用RAPTOR給出解決該問題的流程圖。由于思維模式不同，學(xué)生可能會給出圖2所示的2種流程圖；教師可以根據(jù)前面所學(xué)的if-else結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生對照RAPTOR流程圖逐步寫出分支嵌套結(jié)構(gòu)，以圖3（a）為例寫出Python代碼，如圖3（b）所示，并在此流程圖的基礎(chǔ)上，引出為避免程序代碼縮進(jìn)越來越多，給出Python特有的分支嵌套結(jié)構(gòu)if-elif-else以一次性寫完程序條件，如圖3（c）所示，從而讓學(xué)生了解程序設(shè)計(jì)的不同方法，引導(dǎo)學(xué)生從流程圖角度理解程序設(shè)計(jì)，具有更直觀、更感性的認(rèn)識。

3.3 以“實(shí)例化”貫穿

教學(xué)過程中要實(shí)現(xiàn)“以思維培養(yǎng)為主體，以能力培養(yǎng)為核心”的目標(biāo)，必須根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)精心選取并設(shè)計(jì)教學(xué)案例，以“實(shí)例化”引導(dǎo)學(xué)生從基本問題到綜合問題逐步深入學(xué)習(xí)，充分利用Python語言優(yōu)勢，讓學(xué)生感受到Python語言與其他語言的不同，培養(yǎng)學(xué)生的編程興趣，掌握利用計(jì)算機(jī)解決問題的方法，提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。因此，教學(xué)案例選取要從以下兩方面著手：一是以圖形化案例培養(yǎng)學(xué)生對Python程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)興趣；二是案例既要典型，又不要過于復(fù)雜，還要具有趣味性，可以融會貫通知識點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力的目標(biāo)。

例如，利用Turtle庫繪制一個(gè)簡單等邊三角形，首先引出如何使用Python庫和程序順序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；其次講解如何利用循環(huán)結(jié)構(gòu)方法簡化代碼行，進(jìn)一步引出循環(huán)結(jié)構(gòu)；最后擴(kuò)展使等邊三角形旋轉(zhuǎn)形成螺旋等邊三角形且每個(gè)等邊三角形邊顏色不同，引出高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)列表的概念和使用。這樣由一個(gè)簡單繪制等邊三角形，就讓學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)同類問題。

此外，還有一些實(shí)例可以聯(lián)系起來，如根據(jù)某人出生年份判斷其屬相。學(xué)生初學(xué)時(shí)，可以讓其使用if-else結(jié)構(gòu)或者if-elif-else結(jié)構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)，之后使用列表結(jié)構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生比較這兩種方法的不同，進(jìn)一步引出是否所有if-elif-else結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的代碼都可以使用列表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。教師除了精選教學(xué)案例解決問題之外，還要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，制作更有趣的教學(xué)案例，如利用Turtle庫繪制精彩藝術(shù)圖“火柴人”等。

4 教學(xué)效果分析

通過對學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上問卷調(diào)查，我們共收集了285份問卷，如圖4所示，將多元化教學(xué)模式運(yùn)用于Python程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)實(shí)踐中，教與學(xué)雙方都有了較大轉(zhuǎn)變。從學(xué)生角度分析，65.96%的非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生不再認(rèn)為程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)專業(yè)特有的課程內(nèi)容，并認(rèn)為可以在今后工作中幫助其解決專業(yè)問題；63.86%的學(xué)生認(rèn)為程序設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)計(jì)算思維能力；32.28%的學(xué)生認(rèn)為“RAPOTR流程圖+程序設(shè)計(jì)”教學(xué)模式使編寫程序變得容易；47.72%的學(xué)生愿意開展SPOC課堂翻轉(zhuǎn)，認(rèn)為這種教學(xué)模式對課程學(xué)習(xí)有幫助；52.98%的學(xué)生認(rèn)為以“實(shí)例化”引導(dǎo)其從基本問題到綜合問題逐步深入，對于學(xué)習(xí)該課程有很大的幫助。從教師角度分析，教師不再僅僅是教授知識，而是從單一知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)設(shè)計(jì)者、引導(dǎo)者和管理者。不僅如此，這種教學(xué)模式還有效提升了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和問題求解能力，學(xué)科之間的差異也讓他們相互之間有了更多的學(xué)習(xí)機(jī)會[7]。

5 結(jié) 語

針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的Python程序設(shè)計(jì)課程，實(shí)施以程序設(shè)計(jì)為重心的“精講導(dǎo)學(xué)+課堂翻轉(zhuǎn)，RAPTOR流程圖+程序設(shè)計(jì)，實(shí)例貫穿”等多元化教學(xué)模式，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和問題求解能力，并在一定程度上突出了不同專業(yè)特點(diǎn)與需求。下一步，我們將繼續(xù)以學(xué)生為教學(xué)主體，持續(xù)探索如何將程序設(shè)計(jì)課程與專業(yè)實(shí)踐應(yīng)用更好地結(jié)合，以最大限度地提高程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生程序設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力。

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（編輯：宋文婷）endprint