基于Python語言程序設(shè)計(jì)的交互式課堂教學(xué)探索

【摘 要】本文討論了如何在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中實(shí)現(xiàn)交互式的課堂教學(xué)。通過使用 Jupyter Notebook 和 Python Tutor 等工具，提高課堂教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。本文提出的教學(xué)設(shè)計(jì)，也適用于其它編程語言的教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】Python；交互式教學(xué)；Jupyter Notebook；Python Tutor

計(jì)算思維是國(guó)內(nèi)外各界重點(diǎn)關(guān)注的一種先進(jìn)的教育理念，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的指導(dǎo)思想。在我國(guó)，C 語言是目前眾多高校所教授的第一門編程語言，對(duì)于剛接觸計(jì)算機(jī)編程的學(xué)生，具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。C語言注重的是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)代”的計(jì)算思維，教學(xué)內(nèi)容圍繞數(shù)據(jù)類型、指針、內(nèi)存、字符操作等展開，初學(xué)者很容易陷入 C語言語法的細(xì)枝末節(jié)中，并不能很好的激發(fā)程序設(shè)計(jì)的興趣。相比之下，Python 語言的受歡迎程度日益提升。Python 是目前最接近自然語言的計(jì)算機(jī)編程語言，近年來在美國(guó)高校中廣受歡迎，在眾多的知名高校中取代 C和 Java 成為計(jì)算機(jī)入門的編程語言。 Python 語言簡(jiǎn)潔高效，能讓學(xué)生關(guān)注計(jì)算問題的求解，其輕量級(jí)的語法和高層次的語言表示充分表現(xiàn)了應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的計(jì)算思維理念。Python 語言除了應(yīng)用于教學(xué)，在工業(yè)界也有廣泛的應(yīng)用。如Google 用于深度學(xué)習(xí)的開源平臺(tái) TensorFlow支持 Python 語言進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建與計(jì)算。

要學(xué)好 Python 語言，除了學(xué)生的認(rèn)真學(xué)習(xí)之外，教師的課堂教學(xué)方法也十分重要。以前那種用黑板或用 PPT 的靜態(tài)傳統(tǒng)教學(xué)模式，也應(yīng)該適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，與學(xué)生進(jìn)行有效的互動(dòng)，提高教學(xué)效果。

一、Jupyter Notebook的使用

在傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課堂上，通常都是采用“理論課”+“上機(jī)課”這兩種模式，并且這兩個(gè)環(huán)節(jié)通常是分開的。然而，這樣的教學(xué)效果并不好。在理論課上，教師的主要教學(xué)手段是對(duì)著 PPT 進(jìn)行講解，學(xué)生在下面記筆記。由于剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生基礎(chǔ)各不相同，有的同學(xué)缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的理解，僅僅靠教師的靜態(tài)的講解，并不能很好地理解程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。能跟得上老師講課節(jié)奏的學(xué)生，能“腦補(bǔ)”各種計(jì)算機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)；對(duì)于跟不上的學(xué)生，容易注意力渙散。到了上機(jī)課，學(xué)生需要完成一定的練習(xí)題。然而，這時(shí)候老師不可能再重新講解程序設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。對(duì)于理論課上沒有掌握好知識(shí)點(diǎn)的學(xué)生，就會(huì)出現(xiàn)“兩眼一抹黑”的情況，完全不知所措。因此，我們?cè)趯?shí)際的教學(xué)中，可以嘗試將“理論課”和“上機(jī)課”結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)。

要實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)課程的交互式教學(xué)，需要合適的教學(xué)軟件。教學(xué)軟件要能滿足以下的基本要求：

（1）包含文檔和圖片，將知識(shí)點(diǎn)完整表達(dá)。

（2）實(shí)時(shí)運(yùn)行程序段，將程序運(yùn)行的結(jié)果表示出來，并且可以方便修改，重新運(yùn)行。

基于上述的要求，我們?cè)谡n堂上使用Jupyter Notebook，取得良好的教學(xué)效果。Jupyter Notebook 是包含在Anaconda 的一個(gè)組件。圖1 為Jupyter Notebook 的運(yùn)行環(huán)境截圖。

圖 1 Jupyter Notebook 的運(yùn)行截圖

使用 Jupyter Notebook，有以下的明顯優(yōu)點(diǎn)：

（1）運(yùn)行一次代碼，保存結(jié)果，可以多次閱讀，不需要為每一個(gè)程序段保存單獨(dú)的文件，程序段之間并不互相影響。

（2）交互式編程，通過Python 的內(nèi)核運(yùn)行程序段，并且可以隨時(shí)修改，重新運(yùn)行，方便學(xué)生“試錯(cuò)”，立馬得到結(jié)果。

（3）除了可以根據(jù) Python 的語法在代碼段后面注釋外，還可以通過 Markdown 語法撰寫文檔。

（4）可以添加各種元素，比如圖片，視頻，鏈接。

這樣通過Jupyter Notebook，就可以很好的實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式教學(xué)。教師可以先講解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，馬上讓學(xué)生做練習(xí)題，然后再講解下一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。在統(tǒng)一的環(huán)境下，學(xué)生對(duì)于不懂的知識(shí)點(diǎn)可以及時(shí)反饋，教師進(jìn)行答疑。

二、Python Tutor 的使用

在使用計(jì)算思維解決問題的過程中，把復(fù)雜而龐大的問題按照比較合理的方式進(jìn)行分解簡(jiǎn)化，然后逐步求解，是基本的思想。對(duì)于剛開始接觸編程所面對(duì)的難以理解的概念，如：遞歸，通過可視化的運(yùn)行環(huán)境將對(duì)學(xué)生的理解將十分有幫助。Python Tutor是由加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校 Philip Guo 教授所開發(fā)的一款免費(fèi)的在線教育工具，可以幫助學(xué)生攻克在開始學(xué)習(xí)編程時(shí)所遇到的障礙，理解每一行源代碼代碼在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的執(zhí)行過程。通過這個(gè)工具，學(xué)生和教師可以在Web 瀏覽器中編寫Python 代碼，然后一步一步地可視化執(zhí)行。截止2017年，有來自超過180個(gè)國(guó)家和地區(qū)的超過350萬人使用過 Python Tutor，超過3000萬個(gè)代碼段被執(zhí)行。這個(gè)工具通常作為教材、講義和在線編程指南的補(bǔ)充。使用者不僅僅包括自學(xué)的編程者，如 edX、Coursera 和 Udacity 等在線課程的學(xué)生，還包括 MIT、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校等國(guó)際著名高校的教師。

圖 2 是Python Tutor 運(yùn)行遞歸程序時(shí)的截圖。圖的左邊是代碼段，可以通過“Back”和“Forward”兩個(gè)按鈕查看每一步程序的運(yùn)行結(jié)果。圖的右邊是程序運(yùn)行到某一步時(shí)的情況，包括定義的函數(shù)、全局和局部的變量、以及每一個(gè)變量所指向的對(duì)象及其值。通過單步執(zhí)行，學(xué)生可以形象化的理解“遞歸”這個(gè)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵概念，這是傳統(tǒng)通過靜態(tài) PPT 教學(xué)所不能比擬的。

圖 2 Python Tutor 單步執(zhí)行時(shí)的截??圖

本文討論了針對(duì)基于 Python 語言的交互式課堂教學(xué)，有助于全面提升教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)師生的創(chuàng)新熱情，讓學(xué)生掌握一門終身受用的程序設(shè)計(jì)語言。要實(shí)現(xiàn)高效的交互式教學(xué)，必備的軟件運(yùn)行環(huán)境不可或缺。作為教師，應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注最新的教學(xué)方法與工具，及時(shí)調(diào)整，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

參考文獻(xiàn)：

[1] TensorFlow [EB/OL] https：//www.tensorflow.org/

[2] Anaconda [EB/OL] https：//www.continuum.io/downloads

[3] Python Tutor [EB/OL] http：//pythontutor.com/

[4] Philip Guo教授的主頁(yè)[EB/OL]. http：//www.pgbovine.net/

作者簡(jiǎn)介：

羅曉牧（1980.05～）男，廣東省廣州市，學(xué)歷：博士研究生，職稱：講師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。