突出問題求解能力訓(xùn)練的Python課程設(shè)計(jì)

于寧　聶清林

摘? 要： 針對大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求中程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（Python語言）的課程定位，結(jié)合2019版北京聯(lián)合大學(xué)指導(dǎo)性培養(yǎng)方案（普通本科教育），研究與實(shí)踐課堂教學(xué)+SPOC課程混合式教學(xué)模式，提出以案例導(dǎo)入、經(jīng)典算法為基礎(chǔ)，以Python123在線編程平臺為訓(xùn)練，以綜合實(shí)驗(yàn)為應(yīng)用的教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的編程興趣，突出問題求解能力訓(xùn)練，為后續(xù)學(xué)習(xí)Python縱深課程打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： Python語言; 問題求解; 能力培養(yǎng); 課程設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）03-110-04

Abstract： According to the position of the fundamentals of programming （Python language） in the teaching of college computer basic courses， and the 2019 Beijing Union University instructive training plan （general undergraduate education）， the blended teaching mode of classroom teaching and SPOC teaching is studied and practiced. A teaching scheme is proposed based on case introduction and classic algorithms， with Python123 online programming platform for training， and general programming experiments as an application， to cultivate students' interest in programming， highlights the problem solving ability training， and lays the foundation for subsequent learning of Python in-depth courses.

Key words： Python language; problem-solving; ability training; course design

0 引言

Python語言作為一種最接近自然語言的通用編程語言，歷經(jīng)30余年的發(fā)展，已經(jīng)成為全球最流行、產(chǎn)業(yè)最急需的程序設(shè)計(jì)語言。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)委員會發(fā)布《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》，首次將Python 語言作為首門程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)語言，在其推動下，國內(nèi)高校先后開設(shè)Python 語言課程，增長十分迅速，成為當(dāng)前教學(xué)改革熱點(diǎn)[1]。

2019年，北京聯(lián)合大學(xué)指導(dǎo)性培養(yǎng)方案（普通本科教育）中，根據(jù)專業(yè)需求，將Python 程序設(shè)計(jì)課程納入培養(yǎng)方案。目標(biāo)預(yù)期是學(xué)生在畢業(yè)時能夠掌握數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)抓取與分析、可視化展示等技能和方法，會選擇、使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段、資源、現(xiàn)代專業(yè)工具和信息技術(shù)工具，解決專業(yè)領(lǐng)域問題。為此，北京聯(lián)合大學(xué)程序設(shè)計(jì)課程群以實(shí)施教學(xué)品質(zhì)提升為抓手，以理解并實(shí)踐計(jì)算思維，突出問題求解能力訓(xùn)練為導(dǎo)向，開始對Python語言程序設(shè)計(jì)課程進(jìn)行建設(shè)。

1 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

面對不知道編程是什么、編程很難、不感興趣、不知能為專業(yè)解決什么問題的非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生講授Python語言，如何組織教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)教學(xué)案例，采用何種教學(xué)模式…都是課程建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)。依據(jù)BLOOM認(rèn)知模型科學(xué)合理的確定課程的教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合BOPPPS教學(xué)模型來設(shè)計(jì)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，為設(shè)置合理的教學(xué)目標(biāo)和有效的教學(xué)過程提供理論指導(dǎo)和啟示。

BLOOM（美國當(dāng)代著名的心理學(xué)家、教育家）將認(rèn)知領(lǐng)域的教學(xué)目標(biāo)按由簡單到復(fù)雜的順序劃分為知識、領(lǐng)會、運(yùn)用、分析、綜合、評價/創(chuàng)新六個層次[2]。這六個層次對知識的理解和把握的程度是逐步加深的，前一個水平是后一個水平的基礎(chǔ)。較低的三個層次（知識、領(lǐng)會、運(yùn)用）描述了聚合思維的過程，較高的三個層次（分析、綜合、評價/創(chuàng)新）描述了發(fā)散思維的過程。前者使學(xué)生回憶起來知道和理解的內(nèi)容并用以解決問題，后者使學(xué)生們創(chuàng)造出經(jīng)驗(yàn)中不存在的新見解和新發(fā)現(xiàn)。

BOPPPS 教學(xué)模型是近年來北美地區(qū)高校教學(xué)技能培訓(xùn)機(jī)構(gòu)提出一種教學(xué)模型。BOPPPS教學(xué)模型針對教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成將教學(xué)內(nèi)容分為前后銜接的六個模塊，依次為導(dǎo)入（Bridgein）、學(xué)習(xí)目標(biāo)（Outcomes）、先測（Pre-Assessment）、參與式學(xué)習(xí)（Participatory Learning）、后測（Post-Assessment）以及總結(jié)（Summary）[3]。這種教學(xué)互動和反思的閉環(huán)反饋教學(xué)模式遵循以學(xué)生為中心，以目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)理念，注重教學(xué)互動和反思，指導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)。該模型也能幫助教師分解并分析教學(xué)過程，從而更有效地設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，改善并提升教學(xué)質(zhì)量[4]。

2 Python課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

非計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程定位是掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法，了解從問題分析到程序維護(hù)的整套程序設(shè)計(jì)流程，初步具備利用Python語言解決各類實(shí)際問題的能力[5]?；谡n程定位，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，課程組經(jīng)過一系列調(diào)研討論后，提出“以理解計(jì)算思維，強(qiáng)化對問題的分析和程序設(shè)計(jì)過程”的Python語言教學(xué)思路，采用問題導(dǎo)向、案例驅(qū)動的課堂精講+SPOC混合式教學(xué)模式。選用北京理工大學(xué)嵩天老師主編的教材《Python語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》作為主要教材，同時引進(jìn)中國大學(xué)MOOC嵩天老師主講的國家精品課程《Python語言程序設(shè)計(jì)》和Python123教學(xué)輔助平臺，在此基礎(chǔ)上，建設(shè)北京聯(lián)合大學(xué)《Python語言程序設(shè)計(jì)》SPOC課程，圖1給出Python課程全體系教學(xué)資源。

2.1 課前—領(lǐng)取自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，觀看講解視頻

在中國大學(xué)MOOC嵩天老師主講課程基礎(chǔ)上建設(shè)北京聯(lián)合大學(xué)SPOC，針對我校學(xué)生特點(diǎn)，以夯實(shí)程序設(shè)計(jì)基本概念，訓(xùn)練學(xué)生對程序設(shè)計(jì)方法、程序設(shè)計(jì)邏輯的理解和掌握利用程序解決實(shí)際問題的能力為出發(fā)點(diǎn)，增加七個教學(xué)單元，補(bǔ)充33段視頻，如圖2所示北京聯(lián)合大學(xué)SPOC課程講解視頻示例。利用SPOC提供的授課視頻、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、在線討論、拓展知識等功能，延伸課堂教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，開展課堂教學(xué)與在線課程混合式教學(xué)模式的實(shí)踐。

每周課前，發(fā)給學(xué)生一份自主學(xué)習(xí)任務(wù)單，包括學(xué)習(xí)內(nèi)容、達(dá)成目標(biāo)、學(xué)習(xí)建議與方法、學(xué)習(xí)任務(wù)、思考與討論、課后作業(yè)等內(nèi)容。要求學(xué)生在課前了解學(xué)習(xí)目標(biāo)，觀看本周學(xué)習(xí)視頻，完成課前知識前測，并帶著問題進(jìn)入課堂學(xué)習(xí)。

2.2 課中—問題導(dǎo)向、案例驅(qū)動的課堂精講

Python語言的教學(xué)內(nèi)容分為三個階段：基礎(chǔ)部分（讀懂程序）、能力部分（會寫程序）、應(yīng)用部分（會解決問題）?；A(chǔ)部分包括基本語法和基本程序結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生通過SPOC自主學(xué)習(xí)并掌握。能力部分包括基礎(chǔ)算法和高級程序結(jié)構(gòu)，通過SPOC課程+課堂講解掌握。應(yīng)用部分是面向?qū)I(yè)需求組織不同的專題應(yīng)用，這部分內(nèi)容多由教師指導(dǎo)，學(xué)生結(jié)合學(xué)科需要，學(xué)習(xí)不同專題內(nèi)容，為后續(xù)解決專業(yè)問題打下基礎(chǔ)。

案例教學(xué)是圍繞一定目標(biāo)把實(shí)際中真實(shí)的情景加以典型化處理，形成供學(xué)生思考分析和決斷的例子[6]。凝練Python程序設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)知識、程序結(jié)構(gòu)、經(jīng)典算法，將教學(xué)內(nèi)容組織成相應(yīng)案例，構(gòu)建基于問題求解的教學(xué)方法。教學(xué)案例設(shè)計(jì)注重知識性、實(shí)用性和趣味性，表1所示給出部分教學(xué)案。

依照BOPPPS模型指導(dǎo)教學(xué)過程。課堂教學(xué)采用問題導(dǎo)向式、案例驅(qū)動式的精講多練，設(shè)計(jì)真實(shí)的情境、案例貫穿每一章內(nèi)容。以問題引入、驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)、排除錯誤、思考總結(jié)四個步驟展開教學(xué)。首先引導(dǎo)學(xué)生理解問題需求，將問題轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)所能接受的表達(dá)方法。再運(yùn)用抽象、概括、分類、比較等思維活動，找出解決問題的方法及最有效的方案。每完成一個任務(wù)，都要?dú)w納總結(jié)，再一次強(qiáng)化教學(xué)活動成果。

對于程序的語法細(xì)節(jié)，學(xué)生通過SPOC課程學(xué)習(xí)，教師在課堂上答疑解惑，講授重點(diǎn)、難點(diǎn)及共性問題。在編程訓(xùn)練環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生分析問題與排查錯誤是其中的重要內(nèi)容，學(xué)生編寫程序出錯是正常的，要正確對待，不怕出錯。其次是幫助學(xué)生學(xué)會如何調(diào)試程序，通過對語法和邏輯錯誤的查找與排除，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識程序設(shè)計(jì)語言語法要求，加深對程序結(jié)構(gòu)和基本算法的理解。經(jīng)過多次訓(xùn)練，學(xué)生逐步減少錯誤，也能較快查出錯誤原因，增強(qiáng)了編程的信心和能力。在解決實(shí)際問題時，鼓勵學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑，從不同角度思考問題，探求多種解題答案。最終要讓學(xué)生明白，程序設(shè)計(jì)語言只是工具，求解問題的方法及思維過程才是解決問題的根本所在。

2.3 課后—運(yùn)用Python123在線平臺助力編程訓(xùn)練

Python123是嵩天老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)和管理的一個在線編程平臺，向?qū)W生和老師免費(fèi)開放。教師通過平臺認(rèn)證后，就可以使用在線題庫，也可以自己創(chuàng)建課程，按照Bloom 教學(xué)目標(biāo)分類法，組織教學(xué)相關(guān)的知識點(diǎn)，發(fā)布知識點(diǎn)與習(xí)題，測評學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。Python123在線平臺還具有自動評閱功能，提高了教師的工作效率。平臺根據(jù)課程教學(xué)管理、教學(xué)研究的實(shí)際需求，提供教學(xué)研究數(shù)據(jù)支撐?；跀?shù)據(jù)的學(xué)情分析，幫助教師及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的問題和盲區(qū)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)教學(xué)。

每周的編程訓(xùn)練題給出題目描述、編程點(diǎn)撥、主要步驟、拓展功能等要求。題目的設(shè)計(jì)主要考慮知識運(yùn)用的綜合性、實(shí)用性和適當(dāng)?shù)厝の缎?，盡可能讓學(xué)生全身心參與到練習(xí)中。訓(xùn)練重點(diǎn)放在解題思路上，故增設(shè)了編程點(diǎn)撥，幫助學(xué)生讀懂題目，找到問題，構(gòu)思算法步驟等，如圖3所示給出的基礎(chǔ)算法編程訓(xùn)練示例。編程點(diǎn)撥可以啟發(fā)學(xué)生，給學(xué)生預(yù)留一些思考的空間，讓學(xué)生帶著各自的理解和問題完成程序設(shè)計(jì)，同時鼓勵學(xué)生從教材或互聯(lián)網(wǎng)上獲取更多求解問題的方法。學(xué)生在Python123平臺以“互助學(xué)、總結(jié)學(xué)”的形式，營造編程氛圍，主動反思和互評，達(dá)到構(gòu)建新的思想和知識體系的目的[7]。

教學(xué)過程的前一階段重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生在編程的實(shí)踐中掌握規(guī)律性的知識，最終將感性認(rèn)識升華到理性的高度。在教學(xué)的中后期，要求學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)一個具有一定實(shí)用性的Python小程序，可以自擬題目或選擇教師指定的題目。學(xué)期末統(tǒng)計(jì)學(xué)生提交的綜合作業(yè)，有使用習(xí)近平總書記的五四講話精神生成的詞云圖，有使用字典鍵值對查詢學(xué)生喜愛的足球聯(lián)賽當(dāng)家球星及所屬球隊(duì)，有編制個人通訊錄、擊球游戲，有用turtle庫繪圖等，如圖4所示。這些小程序具有新穎獨(dú)特、美觀實(shí)用、信息豐富的特點(diǎn)。學(xué)生在完成作業(yè)的過程中，會遇到一些困難，但通過教師指導(dǎo)，學(xué)生間的互幫互助，不斷探究，最終完成綜合作業(yè)設(shè)計(jì)。學(xué)生一致表示，綜合作業(yè)設(shè)計(jì)使他們親身實(shí)踐了課堂所學(xué)、課堂外拓展的知識，提高了動手編程能力，同時也鍛煉了獨(dú)立學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)能力，達(dá)到理論與實(shí)踐互相滲透有機(jī)結(jié)合的目的。

有了Python語言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，學(xué)生在面向?qū)I(yè)解決實(shí)際問題時，重在掌握Python第三方庫的應(yīng)用，進(jìn)一步通過Python縱深課程、MOOC或自學(xué)等方式，掌握科學(xué)計(jì)算和可視化、數(shù)據(jù)抓取與分析、圖像處理等應(yīng)用，真正達(dá)到學(xué)以致用。

3 結(jié)束語

編程語言本質(zhì)上是解決問題的工具，問題能否被解決，更多的在于解決問題的思路和專業(yè)知識。Python語言正是這樣一種工具，優(yōu)雅簡潔的語法、易學(xué)易用和豐富的開源庫帶給初學(xué)者一個全新的程序設(shè)計(jì)認(rèn)識，讓初學(xué)者從語法細(xì)節(jié)中擺脫出來，而專注于解決問題的方法、分析程序本身的邏輯和算法[8]。

Python語言程序設(shè)計(jì)課程作為北京聯(lián)合大學(xué)一門新開設(shè)的課程，在BLOOM認(rèn)知模型和BOPPPS教學(xué)模型的指導(dǎo)下，以能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)建設(shè)Python課程，從課程定位、教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)案例設(shè)計(jì)和教學(xué)模式等方面進(jìn)行研究實(shí)踐。目前課程正在建設(shè)中，課程群將結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的特點(diǎn)不斷實(shí)踐，努力提升程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)品質(zhì)和效果。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 嵩天，黃天羽.Python語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)案例新思維[J].計(jì)算機(jī)教育，2017，12：11-14

[2] B.S.Bloom等.教育目標(biāo)分類學(xué)：第一分冊認(rèn)知領(lǐng)域[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1986

[3] 張禮廉，于瑞航，潘獻(xiàn)飛，等.“BOPPPS+BLOOM”模型在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊，2018，17：125-127

[4] 吳昌東，江樺，陳永強(qiáng).BOPPPS教學(xué)法在MOOC教學(xué)設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（2）：218-222

[5] 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.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2016.85

[6] 楊彩云，詹國華.引導(dǎo)性問題案例在Python數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)課程的教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2021（1）：154-157

[7] 童玲.基于元認(rèn)知的文科專業(yè)Python課程教學(xué)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育，2020（1）：148-150

[8] 劉衛(wèi)國.Python語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016

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