面向新工科的Python 課程改革探析

童 宇 張明鍵

（1.湖南警察學(xué)院，湖南 長沙 410138；2.網(wǎng)絡(luò)犯罪偵查湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410138）

0 引言

信息通信技術(shù)的發(fā)展給人類知識(shí)的更新速度帶來了翻天覆地的變化，到了2020 年，許多學(xué)科的知識(shí)更新周期甚至只需要73 天?；ヂ?lián)網(wǎng)又大大降低了信息獲取的門檻，再加上一些優(yōu)秀的搜索引擎（如百度、Google）極高地提升了信息聚合的能力，使互聯(lián)網(wǎng)用戶對知識(shí)快速精準(zhǔn)地獲取變得輕而易舉。如果高校的教學(xué)方式還停留在課堂上老師的講解，還停留在書本上習(xí)題的討論，那學(xué)生將面臨還沒有畢業(yè)就被新知識(shí)所淘汰的局面，學(xué)生將切身體會(huì)到什么叫今天學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)無法解決明天的問題。

以老師為中心，以課本為導(dǎo)向的傳統(tǒng)教學(xué)方式必須進(jìn)行改革。一些基礎(chǔ)知識(shí)和簡單應(yīng)用的掌握可以讓同學(xué)們通過線上的資源去獲取，在課堂有限的時(shí)間內(nèi)，教師應(yīng)該更專注于學(xué)生對問題的分析、評價(jià)、知識(shí)理論的創(chuàng)新等高階認(rèn)知活動(dòng)能力的培養(yǎng)。本文以“Python 程序設(shè)計(jì)”這門課為例，詳細(xì)闡述在新工科背景下如何對程序設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行教學(xué)改革。

1 課程改革勢在必行

1.1 程序設(shè)計(jì)類課程現(xiàn)狀與痛點(diǎn)分析

C 語言程序設(shè)計(jì)、Java 語言程序設(shè)計(jì)、Python 語言程序設(shè)計(jì)等課程是高等院校理工科低年級(jí)普遍開設(shè)的程序設(shè)計(jì)類課程，這些課程一般定位為通識(shí)課，對課程學(xué)習(xí)的要求低。在教學(xué)目標(biāo)上，只要求學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，會(huì)解決簡單計(jì)算問題和簡單算法即可；在教學(xué)內(nèi)容上，重知識(shí)、重語法、重講授，但是往往布置的作業(yè)較簡單；在教學(xué)模式上，以線下課堂知識(shí)點(diǎn)的講授為主，再輔以線上的MOOC 資源；在考核評價(jià)上，偏重結(jié)課考試的成績，一般來說成績的比重分配為預(yù)習(xí)占10%、作業(yè)占30%、期末考試占60%，但是作業(yè)抄襲現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

對比一些國內(nèi)和國外的優(yōu)秀大學(xué)，可以發(fā)現(xiàn)，這些大學(xué)一般將程序設(shè)計(jì)課程定位為技術(shù)課，對課程學(xué)習(xí)的要求高。在教學(xué)目標(biāo)上，要求學(xué)生擁有利用程序設(shè)計(jì)方法解決復(fù)雜問題的能力；在教學(xué)內(nèi)容上，重分析、重算法、重實(shí)踐，布置的作業(yè)難度大，通常需要學(xué)生編寫300～600 行的代碼項(xiàng)目；在教學(xué)模式上，多采用線上線下混合教學(xué)，線下課堂以對復(fù)雜問題的分析求解為主，知識(shí)點(diǎn)則放在線上的教學(xué)錄播中進(jìn)行講授，學(xué)生可以反復(fù)觀看；在考核評價(jià)上，注重過程考核，成績的比重分配為預(yù)習(xí)占5%、小作業(yè)占9%、大作業(yè)占21%、期中測驗(yàn)占15%、期末考試占50%，一旦發(fā)現(xiàn)作業(yè)有抄襲現(xiàn)象，將會(huì)面臨嚴(yán)重的處罰。

十九大報(bào)告指出：要加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展；教育部高教司司長吳巖在《走進(jìn)新時(shí)代贏得新時(shí)代邁入普及化的中國高等教育強(qiáng)國之路》上提出：高等教育全面進(jìn)入以人才培養(yǎng)為根本的提質(zhì)新時(shí)代；中國高等教育人才培養(yǎng)范式必須要進(jìn)行一次重大的變革。程序設(shè)計(jì)類課程必須從單純的程序設(shè)計(jì)語言或者知識(shí)的教學(xué)，進(jìn)化到提升學(xué)生利用信息技術(shù)知識(shí)解決專業(yè)問題能力的教學(xué)上來，從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)的課程改革勢在必行。

1.2 新工科背景下的課程改革刻不容緩

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息時(shí)代的迅猛發(fā)展，新工科產(chǎn)業(yè)，如深度學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的研究熱潮的到來，這些領(lǐng)域的人才供給出現(xiàn)不足的現(xiàn)象，而傳統(tǒng)工科教育已不再適應(yīng)新興經(jīng)濟(jì)行業(yè)對人才能力培養(yǎng)的需求。為應(yīng)對這一問題，教育部多次提出全國高校應(yīng)加快建設(shè)和發(fā)展新工科，優(yōu)化學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展新興前沿學(xué)科專業(yè)。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和計(jì)算思維能力的一門重要課程，是激發(fā)學(xué)生對新工科等技術(shù)興趣的第一課堂，探究面向新工科的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程改革對深入新工科建設(shè)發(fā)展有重要意義。

大多數(shù)高校都將C 語言作為工科專業(yè)大學(xué)生第一門程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，C 語言雖然效率高、使用靈活，但是語法復(fù)雜，要靈活應(yīng)用很不容易，不適合非計(jì)算機(jī)專業(yè)解決復(fù)雜工程問題，難以適應(yīng)新工科建設(shè)的要求。Python 語言是一種解釋性程序設(shè)計(jì)語言，具有簡潔、易讀、便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，易于學(xué)習(xí)掌握，可實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。更重要的是它具有眾多的第三方庫支持，可方便用于各個(gè)專業(yè)的復(fù)雜問題處理，滿足新工科產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能領(lǐng)域的人才需求，因此本文認(rèn)為，Python 語言更適合作為工科專業(yè)大學(xué)生第一門程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程。

2 課程改革的內(nèi)容

2.1 改革教學(xué)目標(biāo)：能力培養(yǎng)為主，融入思政元素

本門課程設(shè)定了三個(gè)教學(xué)目標(biāo)，分別為知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)從普適性的程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)性問題解決能力的培養(yǎng)；要求學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)過程中了解計(jì)算機(jī)軟件從業(yè)人員應(yīng)當(dāng)具備的職業(yè)道德守則，為進(jìn)軍軟件行業(yè)做準(zhǔn)備；要求學(xué)生理解并敬重工匠精神，在學(xué)習(xí)中努力發(fā)揚(yáng)工匠精神；通過軟件行業(yè)發(fā)展前景，引發(fā)學(xué)生對未來的職業(yè)愿景，激發(fā)學(xué)生對社會(huì)主義核心價(jià)值觀的認(rèn)同感；培養(yǎng)學(xué)生具有求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神、百折不撓的專業(yè)素養(yǎng)和精益求精的工匠精神。

2.2 改革教學(xué)內(nèi)容：契合社會(huì)需求，解決復(fù)雜問題

針對三個(gè)教學(xué)目標(biāo)，“Python 程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)內(nèi)容可以分為三個(gè)階段：知識(shí)講授、能力培養(yǎng)和素養(yǎng)修煉。

其中，知識(shí)講授部分包括講解Python 的基本知識(shí)、概念、語法和基礎(chǔ)算法，這部分的內(nèi)容大部分要求學(xué)生在線上以自學(xué)的形式來完成，教師在課堂只針對重點(diǎn)、難點(diǎn)和容易混淆的概念進(jìn)行補(bǔ)充講解；能力培養(yǎng)主要是培養(yǎng)學(xué)生具有較強(qiáng)的獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)編程、調(diào)試程序的能力，以及具有良好的程序設(shè)計(jì)風(fēng)格；素養(yǎng)修煉主要是培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)、細(xì)致入微的學(xué)習(xí)態(tài)度和勤于實(shí)踐、勇于存疑的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

本門課程的教學(xué)設(shè)計(jì)以案例為主導(dǎo)，從具體問題的解決中激發(fā)學(xué)生思考的積極性，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析與處理實(shí)際問題的能力。例如，從“世界最難九宮格”這個(gè)數(shù)獨(dú)問題的求解出發(fā)，可以讓學(xué)生深入掌握和理解數(shù)組、列的切片、循環(huán)、排序等知識(shí)重點(diǎn)、難點(diǎn)。又如在授完P(guān)ython 的基本語法后，讓學(xué)生通過自學(xué)的方式擴(kuò)展學(xué)習(xí)Numpy、Pandas、Matplotlib 等相關(guān)內(nèi)容，教師提供2018 年世界杯、2020 年國內(nèi)酒類消費(fèi)、2020 年APPL 公司股價(jià)、全球新冠肺炎疫情等數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生利用Python 對提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和預(yù)測，并將分析結(jié)果以可視化的形式進(jìn)行展示。

2.3 改革教學(xué)模式：以學(xué)生為中心，線上線下混合教學(xué)

按照“兩性一度”要求深化課程改革，建設(shè)了在線課堂并組織開展線上線下混合式教學(xué)。教學(xué)組織與實(shí)施突出了學(xué)生中心地位，以教為中心向以學(xué)為中心轉(zhuǎn)變。教學(xué)采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式，師生之間、生生之間進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，由之前80%的知識(shí)由教師講授來獲得，到現(xiàn)在80%的知識(shí)是在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、談?wù)摵蛯?shí)施當(dāng)中，通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)來獲得。教學(xué)設(shè)計(jì)堅(jiān)持知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合。教師只要教會(huì)學(xué)生掌握基本知識(shí)、解決基本問題、實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用，學(xué)生在一個(gè)一個(gè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中不斷提升自己的綜合能力，包括程序設(shè)計(jì)、問題分析與建模、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等專業(yè)應(yīng)用能力和綜合設(shè)計(jì)能力，還有計(jì)算思維、信息素養(yǎng)、道德品質(zhì)等素養(yǎng)能力。

課前通過線上進(jìn)行預(yù)習(xí)，課堂通過PPT 進(jìn)行講解，課后通過線上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐，引入大量個(gè)性化教學(xué)資源，開展線上項(xiàng)目專題討論，形成線上線下內(nèi)容互補(bǔ)，豐富教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生動(dòng)手、思維和表達(dá)能力。

線上線下教學(xué)模式以問題作為驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。通過線上課程將信息化教育手段引入“線下”課堂教學(xué)，將課堂教學(xué)與“線上”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)進(jìn)行融合，既解決了純線上的教學(xué)方式中存在無法監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及學(xué)習(xí)質(zhì)量、學(xué)生缺少面對面的交流機(jī)會(huì)、課程過于機(jī)械化標(biāo)準(zhǔn)化等問題，又解決了學(xué)生在傳統(tǒng)的面授課上難以保持專注和投入、學(xué)習(xí)效果不佳的問題，明顯提高了教學(xué)效果。

2.4 改革考核方式

本課程建立了一個(gè)能力與知識(shí)考核并重的多元化考核評價(jià)體系，考核方式重點(diǎn)體現(xiàn)過程化，總評成績體現(xiàn)了整個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)的全過程，包括課前預(yù)習(xí)（占10%）、作業(yè)完成情況（占15%）、階段性測試成績（占20%）、期末考試成績（占40%）和平時(shí)成績（占15%）。

針對程序設(shè)計(jì)類課程，學(xué)院本年度投入25 萬元建設(shè)了一個(gè)功能集約、開放共享、運(yùn)作高效的一體化“在線考試支撐平臺(tái)”，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對不同編程語言及技術(shù)架構(gòu)的試題自動(dòng)評測和在線編譯運(yùn)行，進(jìn)一步健全了Python 程序設(shè)計(jì)課程的考核評價(jià)體系。

3 改革的成效

本課程使用的線上平臺(tái)主要是超星學(xué)習(xí)通和EduCoder 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。在超星平臺(tái)上上傳了課程教案、課件、相關(guān)軟件、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等資料供學(xué)生下載。在EduCoder 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)踐課程的建設(shè)，自主研發(fā)了76 個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目（如圖1、圖2 所示）；每學(xué)期在平臺(tái)上開設(shè)線上教學(xué)課堂，發(fā)布190 多個(gè)線上實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，訪問量累計(jì)超過15 萬次，如圖3 所示。

圖1 超星學(xué)習(xí)通Python 程序設(shè)計(jì)課程門戶網(wǎng)頁截圖

圖2 Python 程序設(shè)計(jì)EduCoder實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)踐課程建設(shè)頁面截圖

圖3 Python 程序設(shè)計(jì)EduCoder 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教學(xué)課堂頁面截圖

對連續(xù)三屆的學(xué)生采用了教學(xué)改革，隨著教學(xué)模式的不斷創(chuàng)新、教學(xué)資源的逐漸完善，學(xué)生考核成績都得到了提高（如圖4 所示），平均分由72.65 提高到了83.8 分，大部分學(xué)生的成績在70～90 分之間，符合正態(tài)分布，證明教學(xué)改革取得了良好的成效。

圖4 三屆學(xué)生考試成績分布圖

4 結(jié)語

在教學(xué)實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，同步收集數(shù)據(jù)并組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展教學(xué)反思和教學(xué)研究，然后將總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)在教學(xué)中進(jìn)行迭代，做好教學(xué)改革的深化與持續(xù)。

組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)的老師進(jìn)修，掌握最新的行業(yè)動(dòng)態(tài)；收集教學(xué)資源并編寫教材。將教學(xué)改革的成果進(jìn)行全院的推廣。