面向工程類Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式研究

劉文瑜 葛麗芳 陳 義

（福建工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院，福建 福州 350118）

0 引言

2020年，教育部、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部發(fā)文，指出要依托“雙一流”建設(shè)，高校要深化學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)和匯聚具有創(chuàng)新能力和合作精神的高層次人才[1，2]。2018年，教育部出臺(tái)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育，全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》（教高〔2018〕2號(hào)）[2]等系列重要文件中指出，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，加快形成多元協(xié)同、內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛、服務(wù)及時(shí)的高等教育云服務(wù)體系，打造適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的智慧課堂、智慧校園。

Python語(yǔ)言作為我國(guó)高校各專業(yè)程序設(shè)計(jì)入門(mén)語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)、開(kāi)源兼容、面向?qū)ο?、?kù)資源豐富，是最接近自然語(yǔ)言的編程語(yǔ)言，代碼簡(jiǎn)潔高效，對(duì)于沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)較易上手，學(xué)生無(wú)須糾結(jié)語(yǔ)言和程序編寫(xiě)方式，而是更快地找出問(wèn)題并提出解決方案，這樣更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。作為入門(mén)編程語(yǔ)言，Python適合所有專業(yè)，近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)很多高等院校的程序設(shè)計(jì)入門(mén)語(yǔ)言。

超星平臺(tái)是一個(gè)以在線教學(xué)平臺(tái)為中心，涵蓋課前建課、備課和學(xué)生預(yù)習(xí)，課中課堂教學(xué)和實(shí)踐操作、課后復(fù)習(xí)考核和教學(xué)評(píng)估的日常教學(xué)全過(guò)程，融合教室端、移動(dòng)端、管理端各類教學(xué)應(yīng)用于一體的并支持個(gè)性化定制的信息化智慧校園教學(xué)平臺(tái)。

面向Python語(yǔ)言越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和各高校智慧校園系統(tǒng)的普及和推廣，本文探索了一種結(jié)合Python語(yǔ)言的特性及工程類學(xué)生的專業(yè)特性，提出了一種基于超星平臺(tái)知識(shí)游戲驅(qū)動(dòng)，考核多樣化的教學(xué)模式。

1 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)現(xiàn)狀

Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)作為高校工程類專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程的入門(mén)語(yǔ)言，應(yīng)用廣泛，福建工程學(xué)院已向土木工程、地下空間、給排水工程、環(huán)境工程、交通工程等工程類專業(yè)開(kāi)設(shè)Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，但是教學(xué)模式比較傳統(tǒng)，在教學(xué)成果上收獲甚微。

1.1 教學(xué)大綱

Python程序設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言作為工程類專業(yè)公共基礎(chǔ)必修課，課時(shí)一般在48～64課時(shí)，理論和上機(jī)實(shí)驗(yàn)各半，教學(xué)大綱一般涵蓋程序流程控制、序列結(jié)構(gòu)、字符串與正則表達(dá)式、文件異常等基礎(chǔ)知識(shí)，教學(xué)大綱傳統(tǒng)單一，沒(méi)有充分考慮到專業(yè)的特性和Python語(yǔ)言的豐富性來(lái)制定適合和滿足專業(yè)需求的教學(xué)大綱。

1.2 傳統(tǒng)的教學(xué)模式

面向工程類學(xué)生的Python編程語(yǔ)言的教學(xué)大部分采用傳統(tǒng)公共基礎(chǔ)課的模式，課堂上教師以授課為主，理論教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，一般每一章節(jié)對(duì)應(yīng)一次課后上機(jī)，上機(jī)的題目也僅僅是檢測(cè)學(xué)生對(duì)本章知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。題型單一枯燥，大部分學(xué)生以完成作業(yè)為目標(biāo)，這種被動(dòng)的課堂教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生上課時(shí)懵懵懂懂，效率低下，一學(xué)期課程結(jié)束，學(xué)生對(duì)這門(mén)語(yǔ)言的使命完成，缺乏拓展性。

1.3 考核方式單一

Python編程語(yǔ)言的教學(xué)，無(wú)論是線上的考核還是線下的筆試都采用傳統(tǒng)的考核模式試卷為主，題型跟Python二級(jí)考試類似，有選擇、填空、編程等，這樣的考核方式僅僅檢測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的熟悉程度，并未檢測(cè)學(xué)生對(duì)這門(mén)語(yǔ)言的現(xiàn)實(shí)或?qū)I(yè)應(yīng)用，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中形成思維定式，認(rèn)為在期末考的是成績(jī)，而不是編程素養(yǎng)。

1.4 目前Python教學(xué)改革

目前，高校紛紛開(kāi)展Python語(yǔ)言課程設(shè)計(jì)，Python教學(xué)改革研究成為熱點(diǎn)。嵩天等人[3，4]以開(kāi)展非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生Python語(yǔ)言教學(xué)為契機(jī)，建立完整的教學(xué)體系，積極豐富的線上線下教學(xué)資源；許洪云等[5，6]探索新工科背景下Python教學(xué)探索與建設(shè)；鄭秀杰等[7，8]基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的非計(jì)算機(jī)專業(yè)Python教學(xué)實(shí)踐。上述研究雖然提升了Python教學(xué)的效果，但是在教學(xué)過(guò)程中的趣味性方面有所欠缺。

綜上所述，傳統(tǒng)的教學(xué)方式滿足不了智能時(shí)代對(duì)綜合性人才的需求，急需探索一種適合工程類專業(yè)的學(xué)生的教學(xué)模式。

2 工程類學(xué)生的特性和Python語(yǔ)言的豐富性

工程類的專業(yè)包含土工工程、地下空間、道路橋梁、環(huán)境工程等，培養(yǎng)目標(biāo)是在相應(yīng)的工程領(lǐng)域從事規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、原材料的選擇研究和管理等方面工作的高級(jí)工程技術(shù)人才。這些學(xué)生大部分理科基礎(chǔ)扎實(shí)，思維活躍，有部分在高中時(shí)已經(jīng)接觸簡(jiǎn)單的編程課程，具有一定編程基礎(chǔ)知識(shí)和計(jì)算思維。在教學(xué)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)編程的認(rèn)知水平存在一定的差距，一般上機(jī)作業(yè)能在課堂上自主完成，期末成績(jī)優(yōu)異的同學(xué)大部分是高中已經(jīng)接觸編程語(yǔ)言，具有一定的編程思想。而對(duì)一部分同學(xué)來(lái)說(shuō)，編程太抽象。

Python是一門(mén)新興的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種解釋、面向?qū)ο?、?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型的高級(jí)程序語(yǔ)言，其具有簡(jiǎn)單易學(xué)、可擴(kuò)展、資源豐富、開(kāi)發(fā)生態(tài)鏈完整等優(yōu)點(diǎn)特別，使得Python語(yǔ)言已經(jīng)在云計(jì)算、云服務(wù)、人工智能、Web、科學(xué)計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Python語(yǔ)言也有豐富的開(kāi)發(fā)環(huán)境，基礎(chǔ)的Python IDLE、具有Project工程管理的PyCharm、具有數(shù)據(jù)科學(xué)研究的Anaconda、用戶界面友好漂亮的SublimeText編輯器等豐富的編程環(huán)境。

3 面向工程類專業(yè)的Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)的探索

3.1 教學(xué)前的準(zhǔn)備

學(xué)生的角度:在Python課程授課前，學(xué)生可以先探索Python編程語(yǔ)言，自發(fā)主動(dòng)地認(rèn)識(shí)Python語(yǔ)言，結(jié)合Python語(yǔ)言豐富的應(yīng)用，Python語(yǔ)言多樣化的編程環(huán)境和工程類專業(yè)的特性和應(yīng)用，以及自身編程水平，做好學(xué)習(xí)Python編程語(yǔ)言的預(yù)習(xí)工作。

教師的角度:面向工程類Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)，先與專業(yè)的教師進(jìn)行溝通交流、專業(yè)的領(lǐng)域一般學(xué)生要做哪些課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合應(yīng)用，Python在哪些專業(yè)領(lǐng)域有豐富的應(yīng)用，從用戶可視化的角度和專業(yè)需求對(duì)Python這門(mén)課做好相關(guān)的案例和專業(yè)應(yīng)用，為上好工程類專業(yè)的Python課程做好充分的準(zhǔn)備。

3.2 構(gòu)建基于超星平臺(tái)知識(shí)游戲驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式

超星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)引進(jìn)慕課、現(xiàn)代化先進(jìn)教學(xué)的理念和模式，基于高校教師的用戶習(xí)慣與體驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了集建課、富媒體內(nèi)容建設(shè)、課程門(mén)戶建設(shè)于一體的全站式課程建設(shè)簡(jiǎn)易功能，降低建設(shè)難度，實(shí)現(xiàn)高效課程建設(shè)。在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上，針對(duì)工程類的學(xué)生在每一章知識(shí)的開(kāi)頭，設(shè)計(jì)可視化的游戲界面?；谥R(shí)的游戲可以通過(guò)平臺(tái)下發(fā)給授課的班級(jí)，游戲設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 Python知識(shí)的游戲設(shè)計(jì)

在超星平臺(tái)講授程序流程控制時(shí)，在課前嵌入“迷宮游戲”，迷宮有多種分支，在某些條件滿足的情況下選擇符合條件的下一步，在某些條件滿足的情況下陷入迷宮死循環(huán)中。通過(guò)可視化的游戲界面，讓學(xué)生更好地理解程序流程控制的分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。在講述序列結(jié)構(gòu)時(shí)，引入中秋節(jié)的博餅游戲，根據(jù)投擲6個(gè)骰子的情況獲取對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)項(xiàng)，通過(guò)這種可視化的動(dòng)態(tài)的操作，在課堂上和游戲環(huán)節(jié)相結(jié)合引入序列結(jié)構(gòu)，并鞏固程序控制結(jié)構(gòu)。在講述文件與異常的情況，直接通過(guò)文件的增、刪、改等操作引入文件相關(guān)函數(shù)。在講解Python應(yīng)用數(shù)據(jù)分析這一章，通過(guò)微信小程序，分析各種可視化的圖表顯示微信上的男女生比例、各個(gè)省的好友人數(shù)以及自己感興趣的信息。課前引入游戲的機(jī)制，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)每一章之前先玩游戲，對(duì)所學(xué)的知識(shí)有一個(gè)更直接具體的認(rèn)知，授課時(shí)在認(rèn)知的基礎(chǔ)上把知識(shí)點(diǎn)和游戲相結(jié)合，讓學(xué)生更積極，主動(dòng)地去探索Python語(yǔ)言。

3.3 考核方式多樣化

傳統(tǒng)的Python教學(xué)考核模式是以考試為主，對(duì)于有目的性的考試，學(xué)生的精神更聚焦在Python本身的知識(shí)點(diǎn)和期末如何獲得高分上，忽略了考核學(xué)生對(duì)Python這門(mén)課的應(yīng)用。在期末通過(guò)超星平臺(tái)以問(wèn)卷調(diào)查的方式調(diào)查學(xué)生期望期末的考核方式，比如，考試、大論文、項(xiàng)目等綜合的方式，讓學(xué)生自主選擇。平臺(tái)根據(jù)學(xué)生的選擇提交期末作業(yè)，這種多樣化的考核方式，可以讓學(xué)生根據(jù)自己對(duì)這門(mén)課的認(rèn)知和掌握程度，自主選擇適合自己的方式。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)工程類學(xué)生的專業(yè)特性和Python豐富的應(yīng)用基礎(chǔ)，探索一種新的自主、融入知識(shí)游戲驅(qū)動(dòng)、把知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)成可視化的游戲機(jī)制，在重要章節(jié)前讓學(xué)生在超星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的客戶端通過(guò)游戲?qū)π碌闹R(shí)點(diǎn)有一個(gè)形象、具體、趣味的認(rèn)知，課中結(jié)合游戲模塊化講解融入知識(shí)點(diǎn)，課后學(xué)生自主消化研究，再配合多樣化考核的Python教學(xué)模式，把學(xué)生培養(yǎng)成同時(shí)具備專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)、融入各個(gè)專業(yè)知識(shí)體系的全面發(fā)展的優(yōu)秀大學(xué)生。