計(jì)算思維培養(yǎng)視域下《Python程序設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)改革實(shí)踐

王亞萍

摘要：針對(duì)目前高校計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的現(xiàn)狀，在計(jì)算思維的視域下，以Python語(yǔ)言為載體，總結(jié)出以高校計(jì)算機(jī)程序教學(xué)為主陣地培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的改革要點(diǎn)，為高校計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)教學(xué)提供一種可供參考的實(shí)踐模式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；Python語(yǔ)言；高校計(jì)算機(jī)程序教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0099-02

1 概述

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)全文期刊《Communications of the ACM》雜志上給出并定義的計(jì)算思維（Computational Thinking）。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)各行各業(yè)都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，面對(duì)時(shí)代的發(fā)展和變遷，計(jì)算思維是人們適應(yīng)社會(huì)所必需的一項(xiàng)基本技能。高校作為人才培養(yǎng)的主陣地，須將培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維作為高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)。計(jì)算思維幫助學(xué)生模擬計(jì)算機(jī)的思維來(lái)思考解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的思想和方法，提升學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。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》（以下簡(jiǎn)稱《基本要求》）?！痘疽蟆肪C合信息技術(shù)發(fā)展及國(guó)內(nèi)高校開(kāi)展教學(xué)情況，建議將C、VB和Python作為首門程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)語(yǔ)言。實(shí)踐表明：隨著高中信息技術(shù)課程的不斷推進(jìn)和完善，以C語(yǔ)言和VB語(yǔ)言為主的高校程序設(shè)計(jì)類課程多年來(lái)未曾改變，不能適應(yīng)社會(huì)需求?，F(xiàn)在很多高校已認(rèn)識(shí)這一現(xiàn)狀，并開(kāi)設(shè)Python程序設(shè)計(jì)、JAVA程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言等課程，師生反映良好。本文以Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言作為載體，探討如何對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)進(jìn)行改革，在課程中引入對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)。

2 目前高校程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

高校程序設(shè)計(jì)類課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的核心課程。程序設(shè)計(jì)類課程是高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的一門必修課程，其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的編程思維和編程能力，為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

C語(yǔ)言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它既具有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。它應(yīng)用范圍廣泛，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。C語(yǔ)言語(yǔ)法簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型和運(yùn)算符豐富。但C語(yǔ)言從本質(zhì)上講是面向過(guò)程的語(yǔ)言，語(yǔ)法晦澀難懂，學(xué)生的主要精力都花費(fèi)在了對(duì)前期語(yǔ)法的理解和運(yùn)用，而忽視了面向過(guò)程的問(wèn)題處理，教師無(wú)法顧及到學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)時(shí)工作量較大，具有一定的難度，很多基本的功能都需要用戶自己設(shè)計(jì)。因此對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言選擇C語(yǔ)言進(jìn)行學(xué)習(xí)并非明智之取。

VB是Visual Basic的簡(jiǎn)寫，是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)范式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，難度較低。目前國(guó)內(nèi)很多高校依舊選擇VB6.0的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，但VB6.0僅適用于Windows系統(tǒng)，不具備跨平臺(tái)的功能。另外VB6.0版本已很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)更新，當(dāng)下產(chǎn)生和盛行的一些新的編程思想也無(wú)法體現(xiàn)。同時(shí)目前的主流移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)大多不支持VB語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。因此，在移動(dòng)技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，VB語(yǔ)言已無(wú)法適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，同時(shí)也不利于學(xué)生的發(fā)展。毫無(wú)疑問(wèn)選擇適應(yīng)性更強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)于高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)而言是必要的。

3 Python語(yǔ)言的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

Python語(yǔ)言是一種被廣泛使用，面向?qū)ο蟮母呒?jí)通用腳本編程語(yǔ)言，其程序語(yǔ)法簡(jiǎn)潔，明晰易懂。它體現(xiàn)的哲學(xué)思想是“優(yōu)雅”“明確”“簡(jiǎn)單”。

3.1 簡(jiǎn)單易學(xué)，程序框架簡(jiǎn)單

Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與英語(yǔ)非常相似，語(yǔ)法非常簡(jiǎn)單。學(xué)生易于理解和書寫，這在一定程度上降低了學(xué)生書寫程序代碼時(shí)的錯(cuò)誤率。Python自帶的IDLE可以在多種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，學(xué)生可以在自己熟悉的操作系統(tǒng)平臺(tái)中書寫程序代碼。Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言擁有的列表、字典和元組等高級(jí)數(shù)據(jù)類型可以幫助學(xué)生解決更加復(fù)雜的問(wèn)題。

3.2 功能強(qiáng)大

眾所周知，Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是免費(fèi)開(kāi)源的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。為了方便學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，許多Python語(yǔ)言的熱衷者根據(jù)學(xué)習(xí)者的需求開(kāi)發(fā)了很多功能齊全的Python學(xué)習(xí)拓展包和插件，這樣學(xué)習(xí)者就無(wú)需花更多的是時(shí)間去解決解決較普遍的問(wèn)題，大大節(jié)省了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間，提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。

3.3 可拓展性和持續(xù)更新

Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的底層是用C和C++語(yǔ)言編寫的。針對(duì)程序編寫過(guò)程中那些核心的而且計(jì)算龐雜的關(guān)鍵模塊，程序開(kāi)發(fā)者可以用C和C++編寫。Python學(xué)習(xí)者如果要運(yùn)用到該功能時(shí)可以直接調(diào)用程序開(kāi)發(fā)者編寫的模塊就可以了，這樣就可以降低程序編寫的難度，同時(shí)提高了程序的運(yùn)行速度。Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言自出現(xiàn)之日起已進(jìn)行了多次的版本更新，更新后的版本更加易于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。因此Python程序語(yǔ)言的具有較強(qiáng)的可拓展性。

雖然Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言也有其不足之處，例如：程序運(yùn)行速度不夠快、程序代碼縮進(jìn)語(yǔ)法比較繁瑣等，但其簡(jiǎn)單易學(xué)的平民化、草根化的特點(diǎn)使其他程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言所替代的，因此將Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言作為高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的程序?qū)W習(xí)語(yǔ)言是非常明智的選擇。

4 計(jì)算思維視域下《Python程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革實(shí)踐

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)高校畢業(yè)生的計(jì)算思維提出了更高的要求。為了適應(yīng)社會(huì)的現(xiàn)實(shí)需求，高校都在積極進(jìn)行程序類教學(xué)改革，《Python程序設(shè)計(jì)》課程作為很多高校的理想選擇，并根據(jù)本校實(shí)際進(jìn)行了嘗試性的改革。筆者所在學(xué)校也進(jìn)行了這方面的教學(xué)改革實(shí)踐，具體包括：教學(xué)內(nèi)容的改革、教學(xué)模式的改革和教學(xué)評(píng)價(jià)手段的改革，具體內(nèi)容如下：

4.1 整合教學(xué)內(nèi)容：兼顧編程技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)

為了分層次、分步驟的培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維和數(shù)據(jù)分析處理能力，Python程序設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容可以劃分為基礎(chǔ)和高級(jí)兩個(gè)循序漸進(jìn)的教學(xué)模塊?；A(chǔ)模塊的內(nèi)容主要包括：Python的基本介紹和基本編程環(huán)境的搭建、基本數(shù)據(jù)類型、高級(jí)數(shù)據(jù)類型（列表、元組、字典）、表達(dá)式、常用系統(tǒng)函數(shù)、程序基本流程（順序、選擇、循環(huán)）、函數(shù)的定義和調(diào)用、面向?qū)ο蟮木幊?。高?jí)模塊主要包括多維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集分析包pandas、繪制數(shù)據(jù)圖表的數(shù)據(jù)可視化庫(kù)Matplotlib等?；A(chǔ)模塊和高級(jí)模塊的教學(xué)課時(shí)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況確定。任課教師要注重基礎(chǔ)模塊和高級(jí)模塊內(nèi)容之間的有效銜接和融會(huì)貫通。例如在應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘算法進(jìn)行分析時(shí)會(huì)講授程序異常處理。任課教師要將教學(xué)內(nèi)容問(wèn)題化、案例化和項(xiàng)目化，以具體的問(wèn)題導(dǎo)入新課，以生動(dòng)鮮活的案例進(jìn)行講解，以完成現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的情境引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)同化、建構(gòu)和應(yīng)用。任課教師還需將教學(xué)內(nèi)容電子化、網(wǎng)絡(luò)化、立體化，將所有的紙質(zhì)教學(xué)內(nèi)容電子化，并上傳到相應(yīng)的課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站上，學(xué)生可以隨時(shí)隨地在硬件條件循序的條件下進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)。任課教師需為學(xué)生準(zhǔn)備包括教材、教學(xué)PPT、應(yīng)用案例、課程學(xué)習(xí)視頻及其他參考資料等立體化、多維度的教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)包，這樣學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇適合自己的教學(xué)材料進(jìn)行學(xué)習(xí)，這在一定程度上促進(jìn)了學(xué)生的分層學(xué)習(xí)和混合式學(xué)習(xí)。endprint

4.2 更新教學(xué)模式：基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

原先該課程的教學(xué)是采取教師先講、學(xué)生后練習(xí)的教學(xué)形式，因缺乏有效的監(jiān)督和監(jiān)管機(jī)制，學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)兩個(gè)環(huán)節(jié)大都是形同虛設(shè)，因此該課程的整體教學(xué)效果不是很好。本研究試圖將翻轉(zhuǎn)課堂和SPOC有機(jī)的整合在一起，以具體的工作任務(wù)為主線，以SPOC在線課程資源為依托，在MOOC學(xué)習(xí)平臺(tái)以及真實(shí)教室環(huán)境中展開(kāi)，混合了分層教學(xué)、問(wèn)題式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、情景式教學(xué)等多種教學(xué)方法。

課前導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)：學(xué)生進(jìn)行分組，并以小組為單位，完成以下任務(wù)：①通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組討論、協(xié)作探究等方式，通過(guò)學(xué)校教務(wù)處MOOC教學(xué)平臺(tái)觀看教學(xué)微視頻，完成教師布置的課前預(yù)任務(wù)。②小組內(nèi)部根據(jù)成員自身實(shí)際進(jìn)行分工，準(zhǔn)備課堂展示材料。教師則通過(guò)MOOC平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能，對(duì)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的進(jìn)度進(jìn)行關(guān)注和監(jiān)控，并根據(jù)學(xué)生的反饋信息對(duì)教學(xué)步驟進(jìn)行必要的調(diào)整。

教師可以根據(jù)學(xué)生課前預(yù)習(xí)作業(yè)完成情況掌握每個(gè)學(xué)生的實(shí)際情況，使得后續(xù)課堂教學(xué)過(guò)程中的講解和輔導(dǎo)做得更有效的有的放矢。

課堂教學(xué)環(huán)節(jié)：教師首先對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)作業(yè)完成情況進(jìn)行總結(jié)，并以學(xué)生課前普遍反映的重難點(diǎn)內(nèi)容或教師預(yù)先設(shè)定的重難點(diǎn)問(wèn)題作為課堂面授教學(xué)導(dǎo)入話題，并以問(wèn)題為導(dǎo)向，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行深度剖析。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下按照課前的學(xué)生分組進(jìn)行小組討論交流，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真思考，并提出問(wèn)題解決方案在交流探討中完成知識(shí)的內(nèi)化。每個(gè)小組均需到教師機(jī)上向其他同學(xué)和教師展示小組成果，其他小組成員和完成知識(shí)的對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。教師會(huì)適時(shí)監(jiān)督和輔助學(xué)生進(jìn)行討論、交流和成果展示。教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)兩個(gè)環(huán)節(jié)可以更加有效的促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

課后鞏固環(huán)節(jié)：學(xué)生需要完成以下三個(gè)方面的工作，一是在教師規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成教師不知的課后作業(yè)；二是以小組為單位，對(duì)MOOC平臺(tái)上教師上傳的拓展性內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，以小組為單位在線提交學(xué)習(xí)結(jié)果，教師及時(shí)批閱，并將批閱意見(jiàn)及時(shí)反饋給學(xué)生；三是開(kāi)展在線答疑，項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人安排項(xiàng)目組成員進(jìn)行定期的在線答疑，及時(shí)回答學(xué)生的問(wèn)題，并將學(xué)生的在線互動(dòng)情況納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4.3 構(gòu)建新的評(píng)價(jià)方式：基于過(guò)程的動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)

目前《Python程序設(shè)計(jì)》課程的評(píng)價(jià)方式主要采用期末的總結(jié)性評(píng)價(jià)，即采用期末考試等一次性檢驗(yàn)方式，以單一的期末考試成績(jī)來(lái)衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和教師的教學(xué)質(zhì)量。這種量化的總結(jié)性評(píng)價(jià)考核的內(nèi)容的數(shù)量和難度有限，只停留在基本陳述性知識(shí)和簡(jiǎn)單操作步驟的再現(xiàn)，思維成分考核較少。本項(xiàng)目借鑒互動(dòng)分享的思想，以動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)能力、合作能力多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，實(shí)現(xiàn)形成性評(píng)估和總結(jié)性評(píng)估相結(jié)合。其中形成性評(píng)估涵蓋課前導(dǎo)學(xué)、課堂教學(xué)、課后應(yīng)用的每一個(gè)環(huán)節(jié)。SPOC平臺(tái)內(nèi)設(shè)的大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析技術(shù)，可將過(guò)程性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為量化的分?jǐn)?shù)，有助于教師和學(xué)生獲得準(zhǔn)確客觀的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。該課程的評(píng)價(jià)體系可概括如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前高校程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題，并比較了常用的幾種教學(xué)語(yǔ)言，闡述了在高校程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的改革中使用Python語(yǔ)言的必要性和重要性。基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)改革需要充分領(lǐng)悟計(jì)算思維的時(shí)代性，教學(xué)改革需與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展保持同步。本文從培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的必要性出發(fā)，闡述了傳統(tǒng)程序類課程教學(xué)中存在的問(wèn)題以及Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言獨(dú)特的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上闡述了計(jì)算思維視域下《Python程序設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)改革措施。

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