《Python程序設(shè)計》課程教學(xué)

張涵翠　沈煒　周維達(dá)

摘? 要：新工科教育教學(xué)改革的提出，使得Python語言及基于Python的應(yīng)用研究幾乎在頃刻間風(fēng)靡整個網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的VB程序設(shè)計語言被新興的Python語言替代，傳統(tǒng)的教學(xué)方法及體系難以適應(yīng)數(shù)據(jù)智能的新學(xué)科需求。研究以Python程序設(shè)計公共基礎(chǔ)課程教學(xué)為切入點(diǎn)，以學(xué)生認(rèn)知背景、專業(yè)興趣及學(xué)習(xí)目標(biāo)為指導(dǎo)，探索一種新的以專業(yè)興趣脈絡(luò)為導(dǎo)向的教學(xué)方法，使學(xué)生“知學(xué)-樂學(xué)-求學(xué)”，做到學(xué)思結(jié)合、學(xué)以致用，從而更好的為新工科建設(shè)助力，為新時代賦能。

關(guān)鍵詞：Python程序設(shè)計;新工科建設(shè);興趣教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）36-0013-05

Abstract： With the proposal of the new engineering education teaching reform， python language and the application research based on Python have become popular in almost the whole network instantly. The traditional VB programming language is replaced by the Python language. The traditional teaching method and system are difficult to meet the needs of the new requirement of data intelligence. Taking Python Programming public basic course teaching as the breakthrough point， guided by students' cognitive background， professional interests and learning objectives， this study explores a new teaching method guided by the context of professional interests， so that students can "know， enjoy and pursue learning"， and combine learning with thinking， and apply what they have learned， so as to better assist the construction of new engineering courses and enable the new era.

Keywords： Python Programming; new engineering construction; interest teaching

2017年，谷歌Alpha Go戰(zhàn)勝圍棋冠軍李世石后，人工智能進(jìn)入了一個新的階段，也推動了新一輪的行業(yè)熱潮，出現(xiàn)了以人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)革命及教育革命。為主動推進(jìn)教育革命，培養(yǎng)出能適應(yīng)人工智能時代新就業(yè)崗位的人才，我國教育部辦公廳陸續(xù)發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》、《新工科研究與實踐項目指南》、《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》等政策，開啟了人工智能時代新工科背景下人才培養(yǎng)教育教學(xué)改革的實踐探索[1-3]。本文基于該新興的Python程序設(shè)計公共計算機(jī)基礎(chǔ)課程，深入探索學(xué)生認(rèn)知背景，形成一種基于“認(rèn)知-感知-求知”模式的以專業(yè)興趣脈絡(luò)為導(dǎo)向的教學(xué)方法體系。

一、研究背景及問題的提出

（一）Python語言“初見”

語言，據(jù)《現(xiàn)代漢語》釋義為“人類特有的表達(dá)思想、交流思想的工具”，是人類進(jìn)行溝通交流的表達(dá)方式，其產(chǎn)生和發(fā)展蘊(yùn)示著社會的發(fā)展和科技的革新，具有濃厚的時代氣息。

20世紀(jì)以前，農(nóng)耕及工業(yè)時代，我們學(xué)習(xí)生活乃至工作都采用人工記錄、手動計算的方式，所謂語言即人與人之間交流使用的自然語言;直到1946年第一臺電子計算機(jī)ENIAC誕生，隨之而來的即是01二進(jìn)制的機(jī)器世界，即機(jī)器語言，正是機(jī)器語言的出現(xiàn)，使我們結(jié)束了工業(yè)時代，步入信息時代。

20世紀(jì)70年代，為普及計算機(jī)技術(shù)，使非理工科學(xué)生也能掌握基礎(chǔ)計算機(jī)編程技術(shù)，BASIC語言應(yīng)運(yùn)而生，作為初學(xué)者的第一門編程入門課程。同時，源于BASIC的Visual Basic因其直觀簡單的用戶圖形界面UI和快速開發(fā)特點(diǎn)，在之后的幾十年里成為了大學(xué)計算機(jī)通識課程[4-6]之一。

隨著信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云計算等技術(shù)的發(fā)展，依賴Windows平臺的Visual Basic語言其缺點(diǎn)不斷暴露出來，難以進(jìn)行跨平臺的系統(tǒng)開發(fā)，同時難以應(yīng)對大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)智能處理問題。在當(dāng)今智能驅(qū)動信息為王的時代，其應(yīng)用需求呈明顯下降趨勢。

為探索新型、便捷式的適用于非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的程序設(shè)計語言，Guido Van Rossum在1989年的圣誕節(jié)設(shè)計開發(fā)了Python語言，并于1991年正式公開發(fā)行第一版，目前已推出至Python3.x版本。

Python因其語言簡單、功能強(qiáng)大、涵蓋多種科學(xué)計算庫、數(shù)據(jù)處理庫以及可視化庫等第三方庫，能快速融合云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，幾乎占領(lǐng)整個數(shù)據(jù)智能時代，人人耳熟能詳，更有浙江、山東、北京等省市于2017年出臺公告，正式將Python納入信息技術(shù)課程和高考的內(nèi)容體系，于2017年起各大高校也陸續(xù)開設(shè)Python程序設(shè)計課程作為大學(xué)計算機(jī)的基礎(chǔ)必修課程，可以說Python語言課程規(guī)劃學(xué)習(xí)已成為必然趨勢。

本文的研究即處于大學(xué)計算機(jī)通識公共課程：VB語言與Python語言更替的節(jié)點(diǎn)，探索新時代背景下適用于非計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)需求的課程教學(xué)方法及教學(xué)模式。

（二）Python的“知·識鴻溝”

1. Python知識圖譜知多少

Python產(chǎn)于信息時代，連接智能時代，對于廣大網(wǎng)民來說并不陌生，它時刻活躍在大家的技術(shù)博客、網(wǎng)頁新聞以及朋友圈中，如“Python爬取網(wǎng)站”、“Python玩轉(zhuǎn)Excel”、“Python可視化”等等。然而對于Python的知識圖譜，學(xué)生的反饋卻并不理想。經(jīng)過對我校2019級非計算機(jī)專業(yè)大一新生的不完全調(diào)查統(tǒng)計，只有2.3%的學(xué)生表示了解過Python的知識體系結(jié)構(gòu)，僅有8.9%的學(xué)生表示初步學(xué)習(xí)過Python，但對其知識結(jié)構(gòu)仍不清晰，有42%的學(xué)生表示僅知道Python，不清楚其知識體系，還有12%的學(xué)生表示沒有關(guān)注過Python。

2. Python應(yīng)用領(lǐng)域知多少

談起Python，另一個關(guān)注的點(diǎn)則是Python的實際應(yīng)用場景。Python的流行源于其龐大又完整的生態(tài)，小到簡單數(shù)學(xué)計算、幾何繪圖、日常辦公處理，大到科學(xué)計算、智能控制、生物多樣性保護(hù)、智能醫(yī)療等等，它都能無縫銜接。

為更好的了解學(xué)生對Python應(yīng)用領(lǐng)域的了解情況，我們對本校2019級非計算機(jī)專業(yè)大一新生開展了關(guān)于Python應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注點(diǎn)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對爬蟲、機(jī)器學(xué)習(xí)及AI、數(shù)據(jù)處理等熱門領(lǐng)域的關(guān)注度較高，開發(fā)、運(yùn)維和科學(xué)計算類的關(guān)注度較低。

3. Python專業(yè)應(yīng)用知多少

Python作為大學(xué)計算機(jī)公共基礎(chǔ)課程，意味著與數(shù)學(xué)、英語、思政等課程一樣，幾乎需要面向全校各學(xué)院、各專業(yè)的學(xué)生。為更好的調(diào)研學(xué)生對所選專業(yè)與Python的認(rèn)知度，我們對工商管理、經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易、公共管理、紡織類、土木類、服裝設(shè)計、應(yīng)用心理學(xué)及建筑園林8個專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了抽樣調(diào)研分析，獲得有效問卷560份，其中有60%以上的同學(xué)認(rèn)為Python是計算機(jī)專業(yè)課程，對其本專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)用關(guān)系不大，有27%左右的同學(xué)認(rèn)為Python可適用于很多專業(yè)領(lǐng)域，但絕大多數(shù)仍是生活、娛樂或信息產(chǎn)業(yè)等方面，與專業(yè)學(xué)習(xí)聯(lián)系較弱，僅有3%左右的學(xué)生表示Python在專業(yè)應(yīng)用上很有前景，對解決當(dāng)前專業(yè)問題的解決，剩余有10%左右的同學(xué)則表示以后不會使用，不關(guān)心其作用。

綜合以上三個方面，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于Python既熟悉又陌生，熟悉是因為它無處不在，活躍在大家的“朋友圈”“網(wǎng)友圈”;陌生則是除了知道它叫Python以及功能強(qiáng)大以外似乎“一無所知”，知道它但不認(rèn)識它，也即我們指出的“知”與“識”的鴻溝。

二、“認(rèn)知-感知-求知”模式：興趣型教學(xué)方法的實踐探索

基于當(dāng)前學(xué)生存在的Python“知·識鴻溝”問題，為加深學(xué)生對Python的認(rèn)知和理解，激發(fā)學(xué)生對Python在專業(yè)領(lǐng)域的探索學(xué)習(xí)，我們探索一種“導(dǎo)圖認(rèn)知教學(xué)-模仿感知教學(xué)-探索求知教學(xué)”相結(jié)合的興趣型教學(xué)方法體系。

（一）導(dǎo)圖式認(rèn)知教學(xué)

20世紀(jì)初，哈佛大學(xué)就提出了案例教學(xué)法，旨在通過一系列的實際問題典型化處理后作為學(xué)生學(xué)習(xí)案例，供學(xué)生討論、分析和決斷，提高學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力，受到廣大教師的喜愛，在各專業(yè)課程教學(xué)中得到了普遍運(yùn)用。然而，該方法有一個基本假設(shè)前提是學(xué)生必須愿意并能夠分析、求解案例，即學(xué)生需要具備綜合問題處理能力。這對于專業(yè)學(xué)科差異較大、認(rèn)知背景層次不一的初入門Python的學(xué)生來說難度較大;此外，Python涉及知識點(diǎn)及學(xué)科領(lǐng)域廣泛，內(nèi)容章節(jié)間相對比較分散，不同的知識點(diǎn)既獨(dú)立又互聯(lián)，導(dǎo)致各知識點(diǎn)的銜接和連貫性不易掌握，案例教學(xué)法難以滿足初識學(xué)生對Python課程整體知識脈絡(luò)的把握，學(xué)生認(rèn)知質(zhì)量難以保障。

基于此，為有效提高學(xué)生對Python的整體認(rèn)知，我們探索采用生長型思維導(dǎo)圖方式開展認(rèn)知教學(xué)。思維導(dǎo)圖，又稱心智導(dǎo)圖，早在20世紀(jì)80年代由著名國際心理學(xué)家托尼博贊發(fā)明提出，是一種將認(rèn)知思維形象化的方法，結(jié)合幾何圖形（點(diǎn)、線、矩形等）繪制成圖或樹的形式，以此來形象的展示知識脈絡(luò)，從而幫助學(xué)生進(jìn)行知識點(diǎn)的思考、連接及發(fā)散。

本文提出的生長型思維導(dǎo)圖方式，即在思維導(dǎo)圖的基礎(chǔ)之上，考慮學(xué)生個體性、群體性差異特征，建立個體及群體生長型思維導(dǎo)圖，旨在緩解學(xué)生個體及整體差異。

《Python程序設(shè)計》作為公共通識課程面向非計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的新生，基本采用大班模式授課，學(xué)生組成主要分兩種情況：同專業(yè)不同班、跨專業(yè)不同班。存在異專業(yè)學(xué)生對Python課程認(rèn)知及需求的差異。同時，學(xué)生在初高中時期的認(rèn)知背景、成長環(huán)境及思維方式、學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)興趣等都會產(chǎn)生對課程認(rèn)識和目標(biāo)的不同。

為滿足新工科時代復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求，綜合考量不同學(xué)生組成結(jié)構(gòu)下的Python課堂教學(xué)，結(jié)合思維導(dǎo)圖理論，探索一種“觸發(fā)式”的課堂教學(xué)方法，“由點(diǎn)及面”，從個體出發(fā)，縱向（同專業(yè)）衍生，橫向（跨專業(yè)）擴(kuò)展，建立三層次生長導(dǎo)圖體系（如表1所示）。

個體生長型思維導(dǎo)圖的構(gòu)建，由學(xué)生結(jié)合自身認(rèn)知情況，基于課堂知識點(diǎn)觸發(fā)，建立個體生長型思維導(dǎo)圖?？v向同專業(yè)生長型思維導(dǎo)圖則在個體生長導(dǎo)圖基礎(chǔ)上，綜合同班級乃至同專業(yè)學(xué)生思維認(rèn)知，建立同專業(yè)生長型思維導(dǎo)圖。橫向跨專業(yè)生長型思維導(dǎo)圖旨在不同專業(yè)學(xué)生的跨專業(yè)思維碰撞，生成橫向可擴(kuò)展的跨專業(yè)生長型思維導(dǎo)圖。通過該三層次的導(dǎo)圖式認(rèn)知教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)思維能動性，縮小學(xué)生對Python的“知·識鴻溝”。

（二）模仿式感知教學(xué)

《Python程序設(shè)計》是一門實踐應(yīng)用性強(qiáng)的課程，與當(dāng)前熱門的云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)都有極大的關(guān)聯(lián)性，如果只駐足于書本上的理論知識進(jìn)行“死記硬背”，依照記憶消退曲線，再強(qiáng)的記憶力也抵不過時間的威力，同時在實際工程中的工程應(yīng)用度不夠，不利于實踐型人才的培養(yǎng)。

然而，能力的掌握和提升并不是一蹴而就的，需要不斷的學(xué)習(xí)訓(xùn)練。在深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練中，我們有一個模仿學(xué)習(xí)的概念，即給定部分成熟案例供學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者會先通過克隆成功案例的行為，感知學(xué)習(xí)過程及結(jié)果反饋，并在該過程中結(jié)合自身特征自我演化。該思想追根溯源則來自生活，如嬰幼兒的牙牙學(xué)語、中小學(xué)生的書法臨摹學(xué)習(xí)等，通過學(xué)習(xí)成功案例（比如書法家的字帖），不斷模仿嘗試形成自己的知識。我們便采用該思想，在知識點(diǎn)個體認(rèn)知的基礎(chǔ)上，建立合理的知識點(diǎn)模仿案例程序庫（如表2所示），先要求學(xué)生模仿實現(xiàn)，再通過調(diào)整數(shù)據(jù)或主要邏輯方法，讓學(xué)生感知變化，進(jìn)一步深化知識點(diǎn)的理解。

（三）探索式求知教學(xué)

我國宋代著名學(xué)者陸九淵曾說“小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn)”，在學(xué)習(xí)生活中常存質(zhì)疑，主動探索求知是學(xué)習(xí)進(jìn)步的直升梯。

探求式求知教學(xué)的難點(diǎn)在于問題發(fā)現(xiàn)。而問題的發(fā)現(xiàn)源于學(xué)生對知識點(diǎn)內(nèi)涵在專業(yè)應(yīng)用上的把握，提出有探討性的問題，并帶著問題進(jìn)行分析求解，在求解過程中結(jié)合生長型思維導(dǎo)圖，將已有知識脈絡(luò)和探索問題結(jié)合起來，采用類比分析、推理演繹以及歸納總結(jié)等方法，進(jìn)一步完善認(rèn)知體系;再者，模仿已有案例編程實現(xiàn)，感知真實求解過程，再進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題，探索求知。

由于首次開展探索式求知教學(xué)，完全以學(xué)生為主，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)探索問題的實施難度較大，因此我們采用“教師提問引導(dǎo)-學(xué)生主動求解”和“學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題求解問題”兩種方法[7，8]相結(jié)合的方式開展實施，教師引導(dǎo)提問方法主要基于基礎(chǔ)知識點(diǎn)、常見應(yīng)用誤區(qū)、當(dāng)前社會應(yīng)用的需求痛點(diǎn)三方面設(shè)計，遞進(jìn)或交叉的結(jié)合理論、實際應(yīng)用以及發(fā)展前景三個主題，問題以文字描述形式呈現(xiàn)，主要關(guān)注學(xué)生理解問題、解決問題的能力。學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題求解問題方法則以圖、偽代碼、流程圖等形式展現(xiàn)，內(nèi)容同樣涉及基礎(chǔ)理論、實際應(yīng)用需求及行業(yè)痛點(diǎn)，要求學(xué)生通過分組討論、辯論、質(zhì)疑等方式主動發(fā)現(xiàn)問題、求解問題。通過兩種方法的穿插使用，激活課堂，營造寓教于樂、輕松又刺激的學(xué)習(xí)氛圍;活躍大腦，加強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。

三、結(jié)束語

“授人以魚，不如授人以漁”，面對知識信息萬變的今天，大學(xué)教育乃至基礎(chǔ)教育都不再是一成不變的“一人講萬人聽”及“過期知識”的流水線講授。學(xué)生每天通過微博、博客、朋友圈、開源平臺等網(wǎng)絡(luò)平臺攝入大量新穎的技術(shù)和知識點(diǎn)，學(xué)習(xí)真正變成了一個社會性的過程。同時大學(xué)是最接近社會的象牙塔，離開校園學(xué)生最直接、最迫切面臨的即是就業(yè)問題，知識的實用性及學(xué)習(xí)的能動性培養(yǎng)將是大學(xué)教育中最重要也是最基本的問題。德國哲學(xué)家雅斯貝爾斯曾說過“教育的本質(zhì)意味著一棵樹搖動另一顆樹，一朵云推動另一朵云，一個靈魂喚醒另一個靈魂”，課程的教學(xué)要以挖掘?qū)W生內(nèi)在的潛能為目的，要像嬰兒學(xué)習(xí)一樣，從認(rèn)知、感知、求知三個方面加大力度，建立學(xué)生個性化的生長型思維導(dǎo)圖，找尋自己個性化學(xué)習(xí)方法及節(jié)奏，建立專業(yè)學(xué)科與課程知識之間的“興趣”脈絡(luò)，形成興趣型主動求學(xué)方法，迭代式完善認(rèn)知體系，科學(xué)性提升專業(yè)工程應(yīng)用技能，以期在信息智能時代依然大步前行[9]。

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*基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人項目“云計算聯(lián)合實驗室建設(shè)”（編號：201901215021）;教育部產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人項目“機(jī)器學(xué)習(xí)實訓(xùn)”（編號：201802003016）;浙江理工大學(xué)教育改革項目“以專業(yè)工程應(yīng)用能力為導(dǎo)向的《Python程序設(shè)計》課堂教學(xué)方法的探索與實踐”（編號：11120032312020）

作者簡介：張涵翠（1990-），女，漢族，浙江嵊州人，工學(xué)博士，講師，研究方向：云計算、大數(shù)據(jù)處理與機(jī)器學(xué)習(xí)。