面向新文科的Python課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)研究

房 媛，王美航，趙秀巖，邵 利，王偉珍，于曉強(qiáng)

（1.大連工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心（創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育中心）；2.大連工業(yè)大學(xué)服裝人因與智能設(shè)計研究中心，遼寧 大連 116034）

0 引言

“數(shù)字化+智能化”的時代浪潮涌動，高等教育面臨著歷史性變革和挑戰(zhàn)。與此同時，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的人工智能、信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能技術(shù)已成為推動科技發(fā)展最強(qiáng)勁的動力，以計算為基礎(chǔ)的學(xué)科交叉融合越來越廣泛且深入，信息素養(yǎng)的培養(yǎng)理念、教育模式和課程體系均面臨迭代需求。2019年4月，教育部、工業(yè)和信息化部、科技部等13個部門聯(lián)合啟動了“‘六卓越一拔尖’計劃2.0”，該計劃提出并強(qiáng)調(diào)發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)［1］。新文科建設(shè)的使命光榮、責(zé)任重大、任務(wù)艱巨。據(jù)教育部2020年1月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，文科學(xué)科門類包含文學(xué)、哲學(xué)、歷史學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、法學(xué)、藝術(shù)學(xué)、教育學(xué)八大類別，在學(xué)科門類中占比61.5%（8：13），專業(yè)設(shè)置占比47.1%（331：703），開設(shè)文科門類的高校數(shù)量占全國高校數(shù)量的98%（1240：1265），在校學(xué)生人數(shù)為877.9萬人，占比50.2%。2020年11月，教育部新文科建設(shè)工作組發(fā)布《新文科建設(shè)宣言》，對新文科建設(shè)作出全面部署，提出了新文科的推進(jìn)要“守正創(chuàng)新”，要與現(xiàn)代信息技術(shù)融合，與其他學(xué)科交叉融合，與相近專業(yè)集群融合，以全面提高高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量［2］。

Python語言是目前最接近自然語言的通用編程語言，因能夠充分展現(xiàn)計算思維的先進(jìn)性而得到了廣泛應(yīng)用。面對數(shù)智時代，文科學(xué)生需要更豐富的思維模式來培養(yǎng)綜合分析問題的能力，其中不可或缺的就是計算思維。Python語言有助于進(jìn)一步釋放師生的活力和創(chuàng)新熱情，全面提升教學(xué)質(zhì)量，使“新文科”專業(yè)學(xué)生有機(jī)會掌握一門終身受用的程序設(shè)計語言，非常適合作為第一門程序設(shè)計科目進(jìn)行教學(xué)［3］。此外，Python靈活、豐富的第三方庫與快捷的數(shù)據(jù)處理能力都為文科生提供了數(shù)據(jù)思維和數(shù)據(jù)能力鍛煉的良好基礎(chǔ)。因此，如何對普通高校的程序設(shè)計通識課進(jìn)行改革，滿足新時代高等教育“四新”人才培養(yǎng)教育理念，是目前亟待解決的問題。

1 相關(guān)研究

在Python課程的項(xiàng)目式教學(xué)方面，盧海麗等［4］提出在智能時代背景下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式，包括項(xiàng)目準(zhǔn)備、項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目實(shí)施、復(fù)盤與評價4個主要環(huán)節(jié)；李小青［5］闡述了在Python程序設(shè)計課程中，應(yīng)用PBL理念引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，激發(fā)學(xué)生興趣進(jìn)行分組討論，并展示解決問題方案；戴成秋［6］針對傳統(tǒng)教學(xué)方式中存在的普遍問題，提出Python語言程序設(shè)計課程融合PBL的MOOC+SPOC混合式教學(xué)方案，將教學(xué)設(shè)計分為問題/項(xiàng)目、學(xué)生和教師三大部分，教學(xué)活動設(shè)計上采用小項(xiàng)目以3～7人為小組展開；王菲等［7］在分析“新文科”大學(xué)生信息素養(yǎng)要求的基礎(chǔ)上，探討合理設(shè)置Python語言課程的教學(xué)內(nèi)容、知識體系與考核方法。本文在新文科建設(shè)背景下，結(jié)合新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展需求與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)理念，以Python程序設(shè)計課程的綜合項(xiàng)目式教學(xué)為切入，從培養(yǎng)學(xué)生的計算思維與計算能力、數(shù)據(jù)思維與數(shù)據(jù)能力和系統(tǒng)思維與應(yīng)用能力3個主要方面為課程目標(biāo)，深入研究了“九步三逐”項(xiàng)目式教學(xué)模式、教學(xué)效果和形成性評價考核等內(nèi)容。

2 新文科人才先進(jìn)計算素養(yǎng)需求

2018年8月在全國教育大會召開之前，中共中央發(fā)文提出“高等教育要努力發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”（簡稱“四新”建設(shè)），正式提出“新文科”概念。這一概念提出后，近年來新文科建設(shè)領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量研究成果。如吳巖［8］提出創(chuàng)新是高等教育的生命線，新時代新形勢需要高等文科教育創(chuàng)新發(fā)展，因此要應(yīng)新時代哲學(xué)社會科學(xué)發(fā)展的新要求，推進(jìn)哲學(xué)社會科學(xué)與新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革交叉融合；黃啟兵等［9］認(rèn)為新文科是在新技術(shù)的推動、新需求的產(chǎn)生以及新國情的需要等時代背景下出現(xiàn)，具備學(xué)科交叉、知識應(yīng)用、適應(yīng)國情等一系列特征；樊麗明［10］提出中國建設(shè)“新文科”的核心要義在于新專業(yè)或新方向、新模式、新課程、新理論的探索與實(shí)踐；王銘玉［11］認(rèn)為創(chuàng)新領(lǐng)域新對象促生新文科，人工智能、區(qū)塊鏈、基因工程、虛擬技術(shù)等大量新興技術(shù)的出現(xiàn)反映了時代的新潮和新的研究方向，引起了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，人文社會學(xué)科不可能“獨(dú)善其身”，紛紛與理學(xué)、工學(xué)的新興領(lǐng)域產(chǎn)生了交叉融合；張銘凱等［12］提出新文科背景下首要解決的是課程問題，而不能成為交叉、融合、混搭后的“四不像”存在。

在大學(xué)教育通識階段，計算機(jī)程序設(shè)計課程用于普及新一代信息技術(shù)，打破傳統(tǒng)學(xué)科壁壘，是為傳統(tǒng)人文社會學(xué)科賦能的最佳陣地。計算力就是生產(chǎn)力，從結(jié)繩計數(shù)到算盤算尺，到計算器再到電子計算機(jī)，每次新計算技術(shù)的出現(xiàn)都從根本上促進(jìn)了生產(chǎn)力發(fā)展。自20世紀(jì)計算機(jī)誕生以來，計算技術(shù)不斷演進(jìn)迭代，經(jīng)歷了由量變到質(zhì)變的發(fā)展，計算能力提升、計算方式優(yōu)化、計算數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長。先進(jìn)計算是融合了計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、控制等技術(shù)，以更高效地實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互通和智能應(yīng)用的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，是從單一的計算設(shè)備及技術(shù)向多元化計算系統(tǒng)及應(yīng)用的演進(jìn)，具有先進(jìn)性、泛在性、多樣性，也是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的本質(zhì)和核心。先進(jìn)計算的內(nèi)涵包括算力、算法、算據(jù)三大要素。近年來，先進(jìn)計算與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行融合，成為促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步的重要推動力量。

對標(biāo)新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與新文科人才培養(yǎng)需求，結(jié)合計算機(jī)程序設(shè)計公共基礎(chǔ)課程特點(diǎn)，提出3點(diǎn)面向新文科的先進(jìn)計算素養(yǎng)需求，分別是：①計算思維與計算能力。能夠?qū)F(xiàn)實(shí)問題模型轉(zhuǎn)換為計算模型，有能力借助先進(jìn)計算手段完成自動計算；②數(shù)據(jù)思維與數(shù)據(jù)能力。能夠正確描述數(shù)據(jù)需求，具備一定的行業(yè)數(shù)據(jù)感知力、數(shù)據(jù)分析力與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)力；③系統(tǒng)思維與應(yīng)用能力。能夠系統(tǒng)設(shè)計問題實(shí)現(xiàn)步驟，具備一定的處理現(xiàn)實(shí)問題的應(yīng)用能力。本文利用Python語言易學(xué)易用的特點(diǎn)，內(nèi)涵結(jié)合專業(yè)特色進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)設(shè)計，外延著力打造全程數(shù)字鏡像形成性評價的教學(xué)環(huán)境，從根本上滿足新時代對新文科人才的培養(yǎng)需求。

3 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project Based Learning，PBL）是一種以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，解決的是如何學(xué)的問題，由克伯屈（William Hurd Cobbler，1918）提出的“設(shè)計教學(xué)法”演變而來。PBL教學(xué)的四大要素是內(nèi)容、活動、情境和結(jié)果。胡紅杏［13］提出開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的價值，在于圍繞挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題提出問題，深度參與探究，從而提升核心素養(yǎng)和能力；葉荔輝［14］提出基于科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）4門“元學(xué)科”STEM教育理念的PBL教學(xué)模式設(shè)計，應(yīng)聚焦工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)、AI素養(yǎng)的人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計，同時注重“探究—實(shí)踐—交流”的科學(xué)程序設(shè)計。

3.1 基于PBL的教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

Python課程是面向大連工業(yè)大學(xué)經(jīng)管文科類專業(yè)開設(shè)的公共基礎(chǔ)必修課。課程名稱是Python語言與數(shù)據(jù)處理，共48學(xué)時，采用線下機(jī)房“教—學(xué)—練—創(chuàng)”一體化授課模式。在課程學(xué)時有限的條件下，既要完成基礎(chǔ)能力訓(xùn)練，又要完成高階性和創(chuàng)新性的課程目標(biāo)，因此本文在課程內(nèi)容上進(jìn)行了重構(gòu)。將課程內(nèi)容按照模塊形式重組為四大模塊：①基礎(chǔ)模塊（語言基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)類型，語句，函數(shù)）；②數(shù)據(jù)處理模塊（第三方庫，文件，數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)預(yù)處理）；③數(shù)據(jù)可視化模塊（數(shù)據(jù)可視化）；④Python+專業(yè)應(yīng)用（項(xiàng)目式學(xué)習(xí)）。

除課程內(nèi)容的模塊重組外，還進(jìn)行了符合新文科需求的課程創(chuàng)新項(xiàng)目甄選。例如，“某商品消費(fèi)者評價數(shù)據(jù)挖掘”“某招聘崗位與專業(yè)設(shè)置關(guān)聯(lián)度分析”“人口數(shù)據(jù)背后的故事”等多種選題。

3.2 創(chuàng)新的PBL教學(xué)模式

創(chuàng)新的PBL教學(xué)模式整體設(shè)計遵循“三逐”原則，即逐個完成小任務(wù)，逐步樹立成就感，逐漸達(dá)到大目標(biāo)。共由9個步驟組成，分別是：①誠信承諾書；②預(yù)選題；③分組確認(rèn)；④需求分析報告；⑤需求分析報告評價反饋；⑥數(shù)據(jù)處理報告；⑦數(shù)據(jù)處理報告評價反饋；⑧小組報告與考核資料匯總；⑨優(yōu)秀項(xiàng)目展示。以上簡稱為“九步三逐”（Nine Steps Three Progression，NSTP）的PBL教學(xué)模式，如圖1所示。

Fig.1 " Nine steps three progression " PBL teaching mode圖1 “九步·三逐”PBL教學(xué)模式

本文以某商品消費(fèi)者評論數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目為實(shí)施樣例，在圖2中詳細(xì)列出了NSTP教學(xué)流程。

Fig.2 PBL implementation example of Python programming and data processing圖2 Python語言與數(shù)據(jù)處理的PBL教學(xué)實(shí)施樣例

3.3 學(xué)生小組PBL合作模式

項(xiàng)目小組最多由3人隨機(jī)組成，在整個項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用“分分合合”的合作模式。選題分析合作，分析確定分類項(xiàng)中的具體題目；需求分析獨(dú)立完成，培養(yǎng)個人對需求分析的獨(dú)立理解能力與獨(dú)立查閱資料的能力；數(shù)據(jù)處理合作，作為數(shù)據(jù)思維和能力培養(yǎng)的主要手段，將一個人無法完成的數(shù)據(jù)處理工作進(jìn)行必要的分工合作；數(shù)據(jù)分析獨(dú)立完成，培養(yǎng)面對行業(yè)專業(yè)數(shù)據(jù)時的獨(dú)立分析能力；小組項(xiàng)目報告合作，通過通力合作完成小組項(xiàng)目報告，完成項(xiàng)目全流程的總結(jié)陳述與討論分析，使所有成員達(dá)成共識?！胺址趾虾稀焙献髂Ｊ饺鐖D3所示。

Fig.3 "On-off and on-off" cooperation mode圖3 “分分合合”合作模式

3.4 課程考核

本門課程采用全過程形成性評價，分?jǐn)?shù)占比分別為：課堂表現(xiàn)25%，作業(yè)25%，隨堂測試25%，創(chuàng)新項(xiàng)目25%。其中，課堂表現(xiàn)由每節(jié)課的課堂熱身和課堂練習(xí)兩部分組成。課程采用線下教學(xué)方式，并將學(xué)習(xí)歷程在線上進(jìn)行全過程鏡像記錄。尤其是全過程鏡像學(xué)習(xí)記錄，既能適應(yīng)非疫情期的線下教學(xué)需要，又能適應(yīng)疫情期間居家線上學(xué)習(xí)的需要。創(chuàng)新項(xiàng)目評價的分?jǐn)?shù)占比為：誠信承諾書5%，小組討論記錄10%，需求分析報告10%，數(shù)據(jù)處理報告10%，小組總報告15%，源數(shù)據(jù)15%，處理后的數(shù)據(jù)10%，源代碼25%。

4 課程改革實(shí)施效果

（1）賦能新文科專業(yè)人才培養(yǎng)，切實(shí)提升學(xué)習(xí)者的先進(jìn)計算素養(yǎng)。項(xiàng)目選題貼近于專業(yè)，賦能專業(yè)的延伸應(yīng)用，充分發(fā)揮課程的延展性和高階性。Python課程實(shí)施PBL教學(xué)兩年以來，學(xué)生開展項(xiàng)目選題近百個。

（2）潤物無聲的課程思政，啟智潤心。例如，項(xiàng)目誠信承諾書的簽署，體現(xiàn)了契約精神。數(shù)據(jù)獲取階段通過展示國家數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站及其數(shù)據(jù)獲取等操作，介紹了我國國家數(shù)據(jù)、信息安全戰(zhàn)略，為學(xué)生樹立基本的數(shù)據(jù)安全意識等。

（3）過程評價不可逆，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。采用全程分散的考核方式，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性大幅提高。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅一個學(xué)期，學(xué)生在智慧教學(xué)平臺的訪問次數(shù)生均達(dá)到2 300次，按照48學(xué)時折合每學(xué)時生均訪問次數(shù)為48次。學(xué)生成績較傳統(tǒng)教學(xué)方式提升明顯，不及格率顯著下降。

（4）小成果積累大成就，學(xué)生課程收獲感提升。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)采用分步驟推進(jìn)的教學(xué)方式，逐步建立小成果。例如將傳統(tǒng)只收取一份大報告的形式分解為組成大報告的若干小報告，隨時反饋小報告的優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)生及時獲得滿足感和成就感。課程結(jié)束后，學(xué)生投稿期刊論文2篇，利用課程成果參加各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與競賽近10項(xiàng)，獲批大創(chuàng)項(xiàng)目2項(xiàng)，獲得競賽獎項(xiàng)3項(xiàng)。

5 結(jié)語

為應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的時代需求，本文著力面向新文科的Python程序設(shè)計課程建設(shè)與改革研究，秉承計算生態(tài)思維，以創(chuàng)新、賦能、提升為理念，使學(xué)生扎實(shí)掌握以Python語言為代表的先進(jìn)計算能力，掌握數(shù)據(jù)分析及人工智能應(yīng)用的基本能力，提升計算思維能力以及全方位的信息技術(shù)綜合運(yùn)用能力，以全面支撐新文科人才的培養(yǎng)需求。本文結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)的要素，提出符合新文科人才培養(yǎng)目標(biāo)的Python課程項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式，探索了NSTP的組織課程實(shí)施方案。接下來，在課程建設(shè)方面還會不斷開拓創(chuàng)新，在項(xiàng)目式教育教學(xué)改革方面作出更多探索。