新工科《Python程序設計》課程改革探索

朱雄泳 張菲菲 陳憶群 陳國明 周如旗

摘要：傳統《Python程序設計》課程教學無法滿足新工科的建設要求，針對計算機專業學生，以簡單的猜數字游戲項目開始，不斷提出新問題，融入Python編程知識點，引導學生解決新問題完善該項目的同時，快速培養學生的計算思維能力。然后引導學生構建一個面向領域的搜索引擎項目，培養學生的綜合項目應用能力，并在教學中融入課程思政，以真實案例對學生進行思想教育。同時，利用校企合作的平臺，引入企業實際項目，鍛煉學生的理論與實踐相結合的能力。實踐表明所提出的教學模式有效，學生能得到全面地提高。

關鍵詞： 新工科;Python教學; 項目驅動;課程思政; 實踐教學

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）24-0131-03

Abstract：The traditional teaching method of Python programing cannot satisfy the requirement the development of emerging engineering. Therefore， let computer major students start with the construction of simple guess number game project， and constantly put forward new problems integrated with Python programming knowledge， guide the students to solve them and improve the project. It will be training the students computational thinking ability quickly. Then lead students to complement a field-oriented search engine project that can foster students comprehensive project application ability. Also， the courses for ideological and political education will be applied for students with real cases. Meanwhile， it introduces the real projects of enterprises to exercise the students ability of combining the theory with practice by the platform of the school-enterprise cooperation.

Key words：emerging engineering; ?python teaching; ?project driven; ?courses for ideological and political education;practice teaching

2017年教育部發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》等文，全力推動現代工科領域的新定義、新認識、新工程范式、新工科教育、新工科的研究與創新、新工程實踐等多個方面的建設[1]。由于Python語言擁有龐大的生態系統，在數據分析、大數據處理、機器學習、人工智能、網絡編程等領域中得到廣泛的應用[2]，使得《Python程序設計》成為新工科人才計算機能力培養的重要課程。

然而，對于計算機相關本科專業而言，程序設計仍然以C/C++、Java語言為主，而將《Python程序設計》教學重點放在了相應的理論教學上，缺乏對應用能力的培養，難以培養出較高水平的專業人才。為此，本文針對新工科對人才培養的需求，結合我校的《Python程序設計》課程教學，以及面向廣東省中小學信息技術教師的Python編程培訓經驗，對該門課程進行改革的探索，融合課程思政，注重培養學生計算思維，以及項目的應用能力。

1改革程序設計教學方式培養綜合應用能力

“新工科”建設要求從學生專業需求的角度出發，培養學生的計算思維與解決實際問題的能力，這是傳統的知識點講解并輔以實驗例證的模式的不足之處，故需改變思路，不斷探索新的教學模式。

1.1 快速熟悉規則讓Python編程事半功倍

對學習過C/C++等編程語言的計算機相關專業本科學生，再講解Python語言的基本語法等理論，將會顯得相對枯燥無味。實際上，Python的語法相對簡單，且學生已有一定的編程基礎，不建議采用先講解語法規則后做實驗的傳統授課方式，而應該將所有知識點融入項目實踐當中。

因此，可在指導學生安裝部署開發環境后，即讓學生掌握以終端、集成開發工具兩種開發模式練習“Hello World”例程，而展開語法規則的學習，并簡單介紹Python與C/C++等語言在變量、邏輯語法、數據結構等方面的異同比較，令學生能快速上手，從而展開計算思維的培養與項目應用能力的培養。

1.2 以解決問題為導向培養計算思維

大學應該講授計算思維已經得到了普遍認同[3]，對于具有一定編程基礎的學生來說，我們可以從最簡單的猜數字游戲為例，不斷提出新問題，將知識點融入新問題中，引導學生解決。要求每次解決問題時必須先繪制流程圖后編寫代碼，從而利用有限的學時，培養學生解決實際問題的能力，鍛煉計算思維，并能迅速掌握各知識點。

問題1：計算機先取一個1-100的整數，玩家猜中則通關，否則提示兩個數字的比較結果并繼續猜，限制10次機會，如何編程實現？怎么猜數字最快？

由于規則比較簡單，學生也具備了一定的編程基礎，很快就能編寫好程序代碼，將能更熟練運用已學過的三種程序邏輯結構，從中了解Python語言部分內建API函數的使用方法，并令學生更深入理解折半查找法及其應用。

問題2：計算機所取的數字是個固定值，寫死在程序代碼中，每次重新玩游戲猜的都是同一個數字，用戶很快就失去了玩該游戲的樂趣，該怎么解決？

可引導學生采用random類庫模塊生成隨機數解決該問題，進而可讓學生了解Python面向各種領域的常用類庫，但不需要刻意的記憶。

問題3：如何實現玩家無須重啟程序，即可重復玩游戲？

該問題可引導學生將程序的固定循環結構改為條件循環結構，添加退出游戲的操作，并進一步以函數封裝猜數字游戲、退出操作以簡化主程序代碼，從而了解Python語言函數之間傳遞參數的方法。還可以引導學生改用函數式編程方法簡化代碼，體會更接近數學計算的編程思想。

問題4：如果函數太多，該如何處理？

該問題可引導學生采用文件的形式來存放不同的函數模塊，從而提高代碼的可重用性，更深入理解庫函數、文件的作用。

問題5：除了可以采用文件形式存放函數之外，還能不能更進一步封裝？

該問題將引導學生將猜數字游戲的數據及對數據操作的方法，用類封裝起來，培養學生從具體到抽象的思維能力，并加深面向對象編程的理解。

問題6：在基于字符的用戶界面玩猜數字游戲的體驗太差了，能不能改用更先進的圖形用戶界面？

該問題的解決，將引導學生學會從眾多的Python圖形用戶界面框架中選型，學會設計猜數字游戲的圖形用戶界面，并學會圖形用戶界面的事件驅動的開發方式，重構整個猜數字游戲的工程代碼。

以問題的不斷演化為導向，引導學生深入思考，從而解決問題的方法貫穿面向過程、面向函數、面向對象的編程思想，在培養學生解決問題能力，快速培養學生的計算思維的同時，加深對編程思想的理解，激發學生的學習興趣，為培養學生的項目應用能力打下堅實的基礎。

1.3 以完整項目驅動培養應用能力

結合“新工科”建設要求，探索工程實踐項目驅動的Python課程教學改革[4]，可讓學生通過構建一個面向領域（比如學校圖書館的書籍信息）的搜索引擎項目，所涉及的專業問題并不需要過于復雜的算法，又可將Python在人工智能、網絡編程、數據庫等領域的應用，融合本科專業中各門基礎課程，令其成為一個有機整體，培養學生工程實踐能力。項目要求指導學生展開調研，了解搜索引擎的種類、原理，學會將項目分解成多個小的功能模塊，包括爬取數據、存取數據、分詞、Web開發等。

其中，爬取數據實際上就是模擬瀏覽器獲取到網頁文件并提取文件中的信息。不建議在課程教學中使用Scrapy等爬蟲框架，由于課時有限，而且爬蟲框架復雜，對理解爬蟲原理的幫助并不大。此時可建議學生使用requests庫，模擬瀏覽器請求網頁，并學會偽裝UA（User-Agent）破解服務器的檢驗請求。還需要告誡學生，絕不可開啟太多線程爬取同一個網站，導致服務器壓力過大，網頁響應速度變慢，引起運營商的訴訟。

爬取到網頁文件后，要先觀察分析所需提取信息在網頁代碼中的特征，然后引導學生采用BeautifulSoup類庫查找到所需字符串信息，并編寫正則表達式對字符串信息進行關鍵詞分詞提取，從而加深學生對Python類庫的熟悉，以及學會正則表達式在文本編輯與處理、網頁爬蟲等應用場景的重要應用。

然而，正則表達式以及傳統方法對字符串特別是中文的分詞，并不智能，很多時候會發生錯誤。于是便可引入Jieba與SnowNLP這兩個中文文本分析工具庫，讓學生體會智能中英文分詞，它們都是國內優秀的中文分詞第三方庫，可激發學生的民族自豪感與愛國熱情。同時，這些庫使用到了機器學習的相關知識，可以引導學生將《概論論與數理統計》等數學基礎課程與計算機專業應用關聯起來，不再覺得數學無用，并可激起學生對后面的人工智能、大數據等課程的學習興趣。

提取的關鍵詞數據，可以存放在文件中，也可以存放在數據庫中。若存放于文件，可以Excel格式存放，而操作Excel文件的類庫比較多，又可引導學生從支持的平臺、操作、用時等參數學會對類庫的篩選，培養學生分析問題的能力。提取的關鍵詞數據也可以存放于Python語言內嵌的SQLite3數據庫中，從而將Python語言與數據庫知識結合起來，加深學生對數據庫的理解。

而搜索引擎的字符串輸入與檢索結果的顯示，涉及Web網絡編程的知識。由于本項目頁面較少且簡單，故可以選擇容易上手的Django框架，提高Web開發的效率。這就需要學生掌握安裝Django庫、創建工程、Web應用與啟動服務器的方法，了解生成的Web文件的作用并能根據需要進行修改，學會Django操作數據庫、編寫業務邏輯、整合HTML頁面等方法，并掌握各種測試工具的使用方法，最終構建出面向某個特定領域的搜索引擎。

通過完整項目的鍛煉后，可以培養出學生的綜合應用能力，從而為學生解決實際生活中待解決的問題，完成相關項目軟件作品，參加各類創新設計大賽打下堅實的基礎。

2融入課程思政實現立德樹人

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[5]。而新工科是基于國家戰略發展新需求，國際競爭新形勢，立德樹人的新要求而提出的我國工程教育改革方向[6]。由于Python語言通過開源模式，構建了龐大的生態系統，從數據分析、大數據處理、機器學習、網絡編程等領域均有廣泛的應用[7]，因此，需要在《Python程序設計》中融入課程思政，提高學生的綜合能力，得到全面發展。在掌握專業知識的同時，要讓學生明白計算機編程技術犯罪會給人們工作、學習、生活帶來的巨大經濟損失，要培養積極向上的愛國熱情[8]。為此，在教學過程中，可以采取以下3個案例，對學生進行思想教育。

2.1 避免技術被利用作惡

2007年，王某開發了一款基于P2P技術的視頻播放軟件，并創立了公司。截至2012年9月，該播放軟件總安裝量已超過3億，而同年6月的中國網民數量為5.38億。該軟件為普通用戶提供了一個解碼功能強大、播放流暢的播放器，也提供了一套便利的視頻網站“建站工具”，使普通用戶可以通過該播放器直接點播觀看站長上傳的視頻資源，王某的公司從中獲利。由于在眾多個人視頻網站中，存在大量視頻資源沒有版權或屬于淫穢色情內容，以至于盜版和色情成了該公司如影隨形的兩大陰影。

2014年8月，王某被依法抓捕歸案后，以“技術中立原則”作為辯護理由，但法院判決認為其不能適用，因為“技術中立原則”不能濫用來掩蓋違法犯罪行為[9]。

因此，青年學生掌握了技術，應該用它為社會做貢獻，而不能利用它違法牟利，否則將會受到法律的制裁。

2.2用戶隱私不可侵犯

在大數據時代，網絡爬蟲成了獲取數據資源的重要手段，而Python下的Scrapy等網絡爬蟲框架使得程序員非常方便從數據網站、手機App等應用中收集數據，這就很容易會帶來諸多法律的風險。

2015年，武漢某公司惡意爬取深圳谷米公司的公交數據，用于自家軟件運營。2018年，該公司程序員邵某等5人被深圳市南山區人民法院判決認定，構成非法獲取計算機信息系統數據罪，成為商業化利用爬蟲爬取企業數據的刑法適用的第一案[10]。而另一家科技公司則非法利用爬蟲技術竊取用戶隱私信息，整合了多達2.2億份簡歷、100億個用戶識別ID組合與1000億多用戶綜合數據，繪制出涉及中國8億人口的多維數據，并從中牟利。最終，公司被查封，集體被抓。

技術本身雖不違法，但涉及入侵到別人系統去獲取數據，則必然存在法律風險。

2.3 科技不再無國界

在3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）于2016年召開的5G通信標準技術會議中，作為中國企業的某集團及其旗下的子公司對華為的Polar碼方案投了反對票，后來華為痛失數據信道編碼標準的話語權。該集團總裁宣稱“技術無國界”，并打響題為“榮譽保衛戰”的輿論戰[11]。

然而，繼2018年4月美國制裁我國某大型通信企業并嘗到甜頭后，2018年12月，華為任正非的女兒孟晚舟在加拿大被捕，案件至今未完結。緊接著，2019年5月16日，美國將華為列入實體清單，在未獲得美國商務部許可的情況下，美國企業將無法向華為供應產品。時隔一年，美國再次升級對華為的制裁，要求使用美國芯片技術與設備的外國公司，要先獲得美國的許可，才能將芯片供應給華為及其關聯的企業。

美國隨意制裁中國科技公司的霸權主義表明，科技不僅有國界，還是制裁的重要手段。但反而激發了廣大青年學生的愛國熱情，積極學習知識，為我國的科技發展貢獻自己的力量。

信息技術雙刃劍的效應可以教育計算機專業的學生在認真學習專業技術的同時，還要了解相關的法律法規，遵守職業倫理和規范的要求，更要激發學生為國家和民族富強貢獻力量的信念。

3校企合作優化教學效果

由于本系軟件工程專業近年設置了大數據課程群，并于2020年增設“數據科學與大數據技術專業”，其先行課程均為《Python程序設計》。通過對該課程的學習，學生已經具備了一定的計算思維以及項目應用能力。

因此，于2020年4月份，計算機科學系與廣州泰迪科技有限公司合作組建了廣東第二師范學院與泰迪智能雙創工作室，推薦學有余力的學生加入工作室，形成年級梯隊，利用泰迪公司的云課堂平臺，由泰迪公司的資深工程師，使用錄播+直播+微信群答疑等方式，帶領學生展開大數據應用的項目開發。學生參與的項目包括：二手車交易數據爬取、基于圖像深度學習的巖樣智能識別等。通過企業實際項目的訓練，課堂教學與實踐充分結合，進一步激發學習興趣，為學生參加計算機作品設計比賽、將知識融入具體的應用場景以解決實際問題，有助于學生更好地適應未來行業的新發展。

4結束語

本文對計算機專業《Python程序設計》傳統課程教學不能適應新工科建設要求，解放思想，從實際情況出發，以問題為導向，將知識點融入解題中，培養學生計算思維能力;以完整項目，培養學生項目應用能力。同時，融入課程思政，展開對學生的思想政治教育，培養其良好的職業素養以及愛國熱情。利用校企合作平臺對學有余力的優秀學生做進一步的企業實際項目訓練，令其更好適應未來的行業發展。實踐結果表明，提出的教學改革模式能較大程度上激發學生的學習熱情，得到較為全面發展，真正實現以學生為主體的Python程序設計課程教學。下一步目標將探索Python與《高等數學》《離散數學》《數字圖像處理》等課程結合，提高學生的學術研究能力。

參考文獻：

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