計算思維培養(yǎng)視域下《Python程序設(shè)計》課程的教學改革實踐

王亞萍

摘要：針對目前高校計算機程序設(shè)計教學的現(xiàn)狀，在計算思維的視域下，以Python語言為載體，總結(jié)出以高校計算機程序教學為主陣地培養(yǎng)學生計算思維的改革要點，為高校計算機程序設(shè)計教學提供一種可供參考的實踐模式。

關(guān)鍵詞：計算思維；Python語言；高校計算機程序教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0099-02

1 概述

2006年3月，美國卡內(nèi)基.梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機全文期刊《Communications of the ACM》雜志上給出并定義的計算思維（Computational Thinking）。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會各行各業(yè)都離不開計算機，面對時代的發(fā)展和變遷，計算思維是人們適應(yīng)社會所必需的一項基本技能。高校作為人才培養(yǎng)的主陣地，須將培養(yǎng)學生的計算思維作為高校計算機基礎(chǔ)教學的教學目標。計算思維幫助學生模擬計算機的思維來思考解決現(xiàn)實問題的思想和方法，提升學生分析和解決問題的能力。2016年，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會發(fā)布了《大學計算機基礎(chǔ)課程教學基本要求》（以下簡稱《基本要求》）。《基本要求》綜合信息技術(shù)發(fā)展及國內(nèi)高校開展教學情況，建議將C、VB和Python作為首門程序設(shè)計課程的教學語言。實踐表明：隨著高中信息技術(shù)課程的不斷推進和完善，以C語言和VB語言為主的高校程序設(shè)計類課程多年來未曾改變，不能適應(yīng)社會需求。現(xiàn)在很多高校已認識這一現(xiàn)狀，并開設(shè)Python程序設(shè)計、JAVA程序設(shè)計語言等課程，師生反映良好。本文以Python程序設(shè)計語言作為載體，探討如何對高校計算機基礎(chǔ)教學進行改革，在課程中引入對計算思維的培養(yǎng)。

2 目前高校程序設(shè)計類課程教學中存在的問題

高校程序設(shè)計類課程是培養(yǎng)學生計算思維的核心課程。程序設(shè)計類課程是高校計算機基礎(chǔ)教學中的一門必修課程，其教學目標是培養(yǎng)學生的編程思維和編程能力，為后續(xù)專業(yè)學習奠定基礎(chǔ)。

C語言是一種計算機程序設(shè)計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它應(yīng)用范圍廣泛，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力。C語言語法簡潔，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型和運算符豐富。但C語言從本質(zhì)上講是面向過程的語言，語法晦澀難懂，學生的主要精力都花費在了對前期語法的理解和運用，而忽視了面向過程的問題處理，教師無法顧及到學生計算思維的培養(yǎng)。利用C語言進行程序開發(fā)時工作量較大，具有一定的難度，很多基本的功能都需要用戶自己設(shè)計。因此對于非計算機專業(yè)的學生而言選擇C語言進行學習并非明智之取。

VB是Visual Basic的簡寫，是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動范式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言，難度較低。目前國內(nèi)很多高校依舊選擇VB6.0的程序開發(fā)環(huán)境，但VB6.0僅適用于Windows系統(tǒng)，不具備跨平臺的功能。另外VB6.0版本已很長時間沒更新，當下產(chǎn)生和盛行的一些新的編程思想也無法體現(xiàn)。同時目前的主流移動計算平臺大多不支持VB語言作為開發(fā)語言。因此，在移動技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，VB語言已無法適應(yīng)社會發(fā)展的現(xiàn)實需求，同時也不利于學生的發(fā)展。毫無疑問選擇適應(yīng)性更強的程序設(shè)計語言對于高校計算機基礎(chǔ)教學而言是必要的。

3 Python語言的教學優(yōu)勢

Python語言是一種被廣泛使用，面向?qū)ο蟮母呒壨ㄓ媚_本編程語言，其程序語法簡潔，明晰易懂。它體現(xiàn)的哲學思想是“優(yōu)雅”“明確”“簡單”。

3.1 簡單易學，程序框架簡單

Python程序設(shè)計語言與英語非常相似，語法非常簡單。學生易于理解和書寫，這在一定程度上降低了學生書寫程序代碼時的錯誤率。Python自帶的IDLE可以在多種操作系統(tǒng)平臺上運行，學生可以在自己熟悉的操作系統(tǒng)平臺中書寫程序代碼。Python程序設(shè)計語言擁有的列表、字典和元組等高級數(shù)據(jù)類型可以幫助學生解決更加復(fù)雜的問題。

3.2 功能強大

眾所周知，Python程序設(shè)計語言是免費開源的程序設(shè)計語言。為了方便學習者學習，許多Python語言的熱衷者根據(jù)學習者的需求開發(fā)了很多功能齊全的Python學習拓展包和插件，這樣學習者就無需花更多的是時間去解決解決較普遍的問題，大大節(jié)省了學習者的學習時間，提高了學習者的學習效率。

3.3 可拓展性和持續(xù)更新

Python程序設(shè)計語言的底層是用C和C++語言編寫的。針對程序編寫過程中那些核心的而且計算龐雜的關(guān)鍵模塊，程序開發(fā)者可以用C和C++編寫。Python學習者如果要運用到該功能時可以直接調(diào)用程序開發(fā)者編寫的模塊就可以了，這樣就可以降低程序編寫的難度，同時提高了程序的運行速度。Python程序設(shè)計語言自出現(xiàn)之日起已進行了多次的版本更新，更新后的版本更加易于學習者學習。因此Python程序語言的具有較強的可拓展性。

雖然Python程序設(shè)計語言也有其不足之處，例如：程序運行速度不夠快、程序代碼縮進語法比較繁瑣等，但其簡單易學的平民化、草根化的特點使其他程序設(shè)計語言所替代的，因此將Python程序設(shè)計語言作為高校非計算機專業(yè)學生的程序?qū)W習語言是非常明智的選擇。

4 計算思維視域下《Python程序設(shè)計》課程教學改革實踐

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對高校畢業(yè)生的計算思維提出了更高的要求。為了適應(yīng)社會的現(xiàn)實需求，高校都在積極進行程序類教學改革，《Python程序設(shè)計》課程作為很多高校的理想選擇，并根據(jù)本校實際進行了嘗試性的改革。筆者所在學校也進行了這方面的教學改革實踐，具體包括：教學內(nèi)容的改革、教學模式的改革和教學評價手段的改革，具體內(nèi)容如下：

4.1 整合教學內(nèi)容：兼顧編程技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)

為了分層次、分步驟的培養(yǎng)非計算機專業(yè)學生的計算思維和數(shù)據(jù)分析處理能力，Python程序設(shè)計課程的內(nèi)容可以劃分為基礎(chǔ)和高級兩個循序漸進的教學模塊。基礎(chǔ)模塊的內(nèi)容主要包括：Python的基本介紹和基本編程環(huán)境的搭建、基本數(shù)據(jù)類型、高級數(shù)據(jù)類型（列表、元組、字典）、表達式、常用系統(tǒng)函數(shù)、程序基本流程（順序、選擇、循環(huán)）、函數(shù)的定義和調(diào)用、面向?qū)ο蟮木幊獭８呒壞K主要包括多維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集分析包pandas、繪制數(shù)據(jù)圖表的數(shù)據(jù)可視化庫Matplotlib等。基礎(chǔ)模塊和高級模塊的教學課時根據(jù)學生的實際情況確定。任課教師要注重基礎(chǔ)模塊和高級模塊內(nèi)容之間的有效銜接和融會貫通。例如在應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘算法進行分析時會講授程序異常處理。任課教師要將教學內(nèi)容問題化、案例化和項目化，以具體的問題導入新課，以生動鮮活的案例進行講解，以完成現(xiàn)實項目的情境引導學生進行知識同化、建構(gòu)和應(yīng)用。任課教師還需將教學內(nèi)容電子化、網(wǎng)絡(luò)化、立體化，將所有的紙質(zhì)教學內(nèi)容電子化，并上傳到相應(yīng)的課程學習網(wǎng)站上，學生可以隨時隨地在硬件條件循序的條件下進行課前預(yù)習、課后復(fù)習。任課教師需為學生準備包括教材、教學PPT、應(yīng)用案例、課程學習視頻及其他參考資料等立體化、多維度的教學內(nèi)容學習包，這樣學生可以根據(jù)自己的實際情況選擇適合自己的教學材料進行學習，這在一定程度上促進了學生的分層學習和混合式學習。endprint

4.2 更新教學模式：基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

原先該課程的教學是采取教師先講、學生后練習的教學形式，因缺乏有效的監(jiān)督和監(jiān)管機制，學生的課前預(yù)習和課后復(fù)習兩個環(huán)節(jié)大都是形同虛設(shè)，因此該課程的整體教學效果不是很好。本研究試圖將翻轉(zhuǎn)課堂和SPOC有機的整合在一起，以具體的工作任務(wù)為主線，以SPOC在線課程資源為依托，在MOOC學習平臺以及真實教室環(huán)境中展開，混合了分層教學、問題式教學、啟發(fā)式教學、情景式教學等多種教學方法。

課前導學環(huán)節(jié)：學生進行分組，并以小組為單位，完成以下任務(wù)：①通過自主學習、小組討論、協(xié)作探究等方式，通過學校教務(wù)處MOOC教學平臺觀看教學微視頻，完成教師布置的課前預(yù)任務(wù)。②小組內(nèi)部根據(jù)成員自身實際進行分工，準備課堂展示材料。教師則通過MOOC平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，對學生在線學習的進度進行關(guān)注和監(jiān)控，并根據(jù)學生的反饋信息對教學步驟進行必要的調(diào)整。

教師可以根據(jù)學生課前預(yù)習作業(yè)完成情況掌握每個學生的實際情況，使得后續(xù)課堂教學過程中的講解和輔導做得更有效的有的放矢。

課堂教學環(huán)節(jié)：教師首先對學生的預(yù)習作業(yè)完成情況進行總結(jié)，并以學生課前普遍反映的重難點內(nèi)容或教師預(yù)先設(shè)定的重難點問題作為課堂面授教學導入話題，并以問題為導向，對內(nèi)容進行深度剖析。學生在教師的引導下按照課前的學生分組進行小組討論交流，對問題進行認真思考，并提出問題解決方案在交流探討中完成知識的內(nèi)化。每個小組均需到教師機上向其他同學和教師展示小組成果，其他小組成員和完成知識的對其進行評價。教師會適時監(jiān)督和輔助學生進行討論、交流和成果展示。教師評價和學生互評兩個環(huán)節(jié)可以更加有效的促進學生的學習。

課后鞏固環(huán)節(jié)：學生需要完成以下三個方面的工作，一是在教師規(guī)定的時間內(nèi)完成教師不知的課后作業(yè)；二是以小組為單位，對MOOC平臺上教師上傳的拓展性內(nèi)容進行學習，以小組為單位在線提交學習結(jié)果，教師及時批閱，并將批閱意見及時反饋給學生；三是開展在線答疑，項目組負責人安排項目組成員進行定期的在線答疑，及時回答學生的問題，并將學生的在線互動情況納入評價指標體系。

4.3 構(gòu)建新的評價方式：基于過程的動態(tài)綜合評價

目前《Python程序設(shè)計》課程的評價方式主要采用期末的總結(jié)性評價，即采用期末考試等一次性檢驗方式，以單一的期末考試成績來衡量學生的學習結(jié)果和教師的教學質(zhì)量。這種量化的總結(jié)性評價考核的內(nèi)容的數(shù)量和難度有限，只停留在基本陳述性知識和簡單操作步驟的再現(xiàn)，思維成分考核較少。本項目借鑒互動分享的思想，以動態(tài)綜合評價，對學生的學習效果、學習能力、合作能力多個指標進行綜合評估，實現(xiàn)形成性評估和總結(jié)性評估相結(jié)合。其中形成性評估涵蓋課前導學、課堂教學、課后應(yīng)用的每一個環(huán)節(jié)。SPOC平臺內(nèi)設(shè)的大數(shù)據(jù)學習分析技術(shù)，可將過程性評價轉(zhuǎn)化為量化的分數(shù)，有助于教師和學生獲得準確客觀的學習評價。該課程的評價體系可概括如下：

5 結(jié)束語

本文分析了目前高校程序設(shè)計課程的教學現(xiàn)狀、存在問題，并比較了常用的幾種教學語言，闡述了在高校程序設(shè)計基礎(chǔ)課程的改革中使用Python語言的必要性和重要性。基于計算思維培養(yǎng)的教學改革需要充分領(lǐng)悟計算思維的時代性，教學改革需與計算機技術(shù)的發(fā)展保持同步。本文從培養(yǎng)學生計算思維的必要性出發(fā)，闡述了傳統(tǒng)程序類課程教學中存在的問題以及Python程序設(shè)計語言獨特的教學優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上闡述了計算思維視域下《Python程序設(shè)計》課程的教學改革措施。

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