《Python程序設計》課程教學

張涵翠　沈煒　周維達

摘? 要：新工科教育教學改革的提出，使得Python語言及基于Python的應用研究幾乎在頃刻間風靡整個網絡。傳統的VB程序設計語言被新興的Python語言替代，傳統的教學方法及體系難以適應數據智能的新學科需求。研究以Python程序設計公共基礎課程教學為切入點，以學生認知背景、專業興趣及學習目標為指導，探索一種新的以專業興趣脈絡為導向的教學方法，使學生“知學-樂學-求學”，做到學思結合、學以致用，從而更好的為新工科建設助力，為新時代賦能。

關鍵詞：Python程序設計;新工科建設;興趣教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）36-0013-05

Abstract： With the proposal of the new engineering education teaching reform， python language and the application research based on Python have become popular in almost the whole network instantly. The traditional VB programming language is replaced by the Python language. The traditional teaching method and system are difficult to meet the needs of the new requirement of data intelligence. Taking Python Programming public basic course teaching as the breakthrough point， guided by students' cognitive background， professional interests and learning objectives， this study explores a new teaching method guided by the context of professional interests， so that students can "know， enjoy and pursue learning"， and combine learning with thinking， and apply what they have learned， so as to better assist the construction of new engineering courses and enable the new era.

Keywords： Python Programming; new engineering construction; interest teaching

2017年，谷歌Alpha Go戰勝圍棋冠軍李世石后，人工智能進入了一個新的階段，也推動了新一輪的行業熱潮，出現了以人工智能、云計算、大數據、物聯網及移動互聯網為代表的新一代信息技術革命及教育革命。為主動推進教育革命，培養出能適應人工智能時代新就業崗位的人才，我國教育部辦公廳陸續發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《新工科研究與實踐項目指南》、《高等學校人工智能創新行動計劃》等政策，開啟了人工智能時代新工科背景下人才培養教育教學改革的實踐探索[1-3]。本文基于該新興的Python程序設計公共計算機基礎課程，深入探索學生認知背景，形成一種基于“認知-感知-求知”模式的以專業興趣脈絡為導向的教學方法體系。

一、研究背景及問題的提出

（一）Python語言“初見”

語言，據《現代漢語》釋義為“人類特有的表達思想、交流思想的工具”，是人類進行溝通交流的表達方式，其產生和發展蘊示著社會的發展和科技的革新，具有濃厚的時代氣息。

20世紀以前，農耕及工業時代，我們學習生活乃至工作都采用人工記錄、手動計算的方式，所謂語言即人與人之間交流使用的自然語言;直到1946年第一臺電子計算機ENIAC誕生，隨之而來的即是01二進制的機器世界，即機器語言，正是機器語言的出現，使我們結束了工業時代，步入信息時代。

20世紀70年代，為普及計算機技術，使非理工科學生也能掌握基礎計算機編程技術，BASIC語言應運而生，作為初學者的第一門編程入門課程。同時，源于BASIC的Visual Basic因其直觀簡單的用戶圖形界面UI和快速開發特點，在之后的幾十年里成為了大學計算機通識課程[4-6]之一。

隨著信息技術、互聯網技術及云計算等技術的發展，依賴Windows平臺的Visual Basic語言其缺點不斷暴露出來，難以進行跨平臺的系統開發，同時難以應對大數據時代的數據智能處理問題。在當今智能驅動信息為王的時代，其應用需求呈明顯下降趨勢。

為探索新型、便捷式的適用于非計算機專業學生學習的程序設計語言，Guido Van Rossum在1989年的圣誕節設計開發了Python語言，并于1991年正式公開發行第一版，目前已推出至Python3.x版本。

Python因其語言簡單、功能強大、涵蓋多種科學計算庫、數據處理庫以及可視化庫等第三方庫，能快速融合云計算、大數據、人工智能等新型技術，應用領域廣泛，幾乎占領整個數據智能時代，人人耳熟能詳，更有浙江、山東、北京等省市于2017年出臺公告，正式將Python納入信息技術課程和高考的內容體系，于2017年起各大高校也陸續開設Python程序設計課程作為大學計算機的基礎必修課程，可以說Python語言課程規劃學習已成為必然趨勢。

本文的研究即處于大學計算機通識公共課程：VB語言與Python語言更替的節點，探索新時代背景下適用于非計算機類專業學生學習需求的課程教學方法及教學模式。

（二）Python的“知·識鴻溝”

1. Python知識圖譜知多少

Python產于信息時代，連接智能時代，對于廣大網民來說并不陌生，它時刻活躍在大家的技術博客、網頁新聞以及朋友圈中，如“Python爬取網站”、“Python玩轉Excel”、“Python可視化”等等。然而對于Python的知識圖譜，學生的反饋卻并不理想。經過對我校2019級非計算機專業大一新生的不完全調查統計，只有2.3%的學生表示了解過Python的知識體系結構，僅有8.9%的學生表示初步學習過Python，但對其知識結構仍不清晰，有42%的學生表示僅知道Python，不清楚其知識體系，還有12%的學生表示沒有關注過Python。

2. Python應用領域知多少

談起Python，另一個關注的點則是Python的實際應用場景。Python的流行源于其龐大又完整的生態，小到簡單數學計算、幾何繪圖、日常辦公處理，大到科學計算、智能控制、生物多樣性保護、智能醫療等等，它都能無縫銜接。

為更好的了解學生對Python應用領域的了解情況，我們對本校2019級非計算機專業大一新生開展了關于Python應用領域關注點的調研，發現學生對爬蟲、機器學習及AI、數據處理等熱門領域的關注度較高，開發、運維和科學計算類的關注度較低。

3. Python專業應用知多少

Python作為大學計算機公共基礎課程，意味著與數學、英語、思政等課程一樣，幾乎需要面向全校各學院、各專業的學生。為更好的調研學生對所選專業與Python的認知度，我們對工商管理、經濟與貿易、公共管理、紡織類、土木類、服裝設計、應用心理學及建筑園林8個專業的學生進行了抽樣調研分析，獲得有效問卷560份，其中有60%以上的同學認為Python是計算機專業課程，對其本專業學習應用關系不大，有27%左右的同學認為Python可適用于很多專業領域，但絕大多數仍是生活、娛樂或信息產業等方面，與專業學習聯系較弱，僅有3%左右的學生表示Python在專業應用上很有前景，對解決當前專業問題的解決，剩余有10%左右的同學則表示以后不會使用，不關心其作用。

綜合以上三個方面，我們發現，學生對于Python既熟悉又陌生，熟悉是因為它無處不在，活躍在大家的“朋友圈”“網友圈”;陌生則是除了知道它叫Python以及功能強大以外似乎“一無所知”，知道它但不認識它，也即我們指出的“知”與“識”的鴻溝。

二、“認知-感知-求知”模式：興趣型教學方法的實踐探索

基于當前學生存在的Python“知·識鴻溝”問題，為加深學生對Python的認知和理解，激發學生對Python在專業領域的探索學習，我們探索一種“導圖認知教學-模仿感知教學-探索求知教學”相結合的興趣型教學方法體系。

（一）導圖式認知教學

20世紀初，哈佛大學就提出了案例教學法，旨在通過一系列的實際問題典型化處理后作為學生學習案例，供學生討論、分析和決斷，提高學生對知識點的理解和應用能力，受到廣大教師的喜愛，在各專業課程教學中得到了普遍運用。然而，該方法有一個基本假設前提是學生必須愿意并能夠分析、求解案例，即學生需要具備綜合問題處理能力。這對于專業學科差異較大、認知背景層次不一的初入門Python的學生來說難度較大;此外，Python涉及知識點及學科領域廣泛，內容章節間相對比較分散，不同的知識點既獨立又互聯，導致各知識點的銜接和連貫性不易掌握，案例教學法難以滿足初識學生對Python課程整體知識脈絡的把握，學生認知質量難以保障。

基于此，為有效提高學生對Python的整體認知，我們探索采用生長型思維導圖方式開展認知教學。思維導圖，又稱心智導圖，早在20世紀80年代由著名國際心理學家托尼博贊發明提出，是一種將認知思維形象化的方法，結合幾何圖形（點、線、矩形等）繪制成圖或樹的形式，以此來形象的展示知識脈絡，從而幫助學生進行知識點的思考、連接及發散。

本文提出的生長型思維導圖方式，即在思維導圖的基礎之上，考慮學生個體性、群體性差異特征，建立個體及群體生長型思維導圖，旨在緩解學生個體及整體差異。

《Python程序設計》作為公共通識課程面向非計算機類專業學生的新生，基本采用大班模式授課，學生組成主要分兩種情況：同專業不同班、跨專業不同班。存在異專業學生對Python課程認知及需求的差異。同時，學生在初高中時期的認知背景、成長環境及思維方式、學習方法和學習興趣等都會產生對課程認識和目標的不同。

為滿足新工科時代復合型人才的培養需求，綜合考量不同學生組成結構下的Python課堂教學，結合思維導圖理論，探索一種“觸發式”的課堂教學方法，“由點及面”，從個體出發，縱向（同專業）衍生，橫向（跨專業）擴展，建立三層次生長導圖體系（如表1所示）。

個體生長型思維導圖的構建，由學生結合自身認知情況，基于課堂知識點觸發，建立個體生長型思維導圖。縱向同專業生長型思維導圖則在個體生長導圖基礎上，綜合同班級乃至同專業學生思維認知，建立同專業生長型思維導圖。橫向跨專業生長型思維導圖旨在不同專業學生的跨專業思維碰撞，生成橫向可擴展的跨專業生長型思維導圖。通過該三層次的導圖式認知教學，培養學生學習思維能動性，縮小學生對Python的“知·識鴻溝”。

（二）模仿式感知教學

《Python程序設計》是一門實踐應用性強的課程，與當前熱門的云計算、大數據、物聯網以及人工智能等技術都有極大的關聯性，如果只駐足于書本上的理論知識進行“死記硬背”，依照記憶消退曲線，再強的記憶力也抵不過時間的威力，同時在實際工程中的工程應用度不夠，不利于實踐型人才的培養。

然而，能力的掌握和提升并不是一蹴而就的，需要不斷的學習訓練。在深度學習模型訓練中，我們有一個模仿學習的概念，即給定部分成熟案例供學習者學習，學習者會先通過克隆成功案例的行為，感知學習過程及結果反饋，并在該過程中結合自身特征自我演化。該思想追根溯源則來自生活，如嬰幼兒的牙牙學語、中小學生的書法臨摹學習等，通過學習成功案例（比如書法家的字帖），不斷模仿嘗試形成自己的知識。我們便采用該思想，在知識點個體認知的基礎上，建立合理的知識點模仿案例程序庫（如表2所示），先要求學生模仿實現，再通過調整數據或主要邏輯方法，讓學生感知變化，進一步深化知識點的理解。

（三）探索式求知教學

我國宋代著名學者陸九淵曾說“小疑則小進，大疑則大進”，在學習生活中常存質疑，主動探索求知是學習進步的直升梯。

探求式求知教學的難點在于問題發現。而問題的發現源于學生對知識點內涵在專業應用上的把握，提出有探討性的問題，并帶著問題進行分析求解，在求解過程中結合生長型思維導圖，將已有知識脈絡和探索問題結合起來，采用類比分析、推理演繹以及歸納總結等方法，進一步完善認知體系;再者，模仿已有案例編程實現，感知真實求解過程，再進一步發現問題，探索求知。

由于首次開展探索式求知教學，完全以學生為主，獨立發現探索問題的實施難度較大，因此我們采用“教師提問引導-學生主動求解”和“學生主動發現問題求解問題”兩種方法[7，8]相結合的方式開展實施，教師引導提問方法主要基于基礎知識點、常見應用誤區、當前社會應用的需求痛點三方面設計，遞進或交叉的結合理論、實際應用以及發展前景三個主題，問題以文字描述形式呈現，主要關注學生理解問題、解決問題的能力。學生主動發現問題求解問題方法則以圖、偽代碼、流程圖等形式展現，內容同樣涉及基礎理論、實際應用需求及行業痛點，要求學生通過分組討論、辯論、質疑等方式主動發現問題、求解問題。通過兩種方法的穿插使用，激活課堂，營造寓教于樂、輕松又刺激的學習氛圍;活躍大腦，加強學習興趣、明確學習目標。

三、結束語

“授人以魚，不如授人以漁”，面對知識信息萬變的今天，大學教育乃至基礎教育都不再是一成不變的“一人講萬人聽”及“過期知識”的流水線講授。學生每天通過微博、博客、朋友圈、開源平臺等網絡平臺攝入大量新穎的技術和知識點，學習真正變成了一個社會性的過程。同時大學是最接近社會的象牙塔，離開校園學生最直接、最迫切面臨的即是就業問題，知識的實用性及學習的能動性培養將是大學教育中最重要也是最基本的問題。德國哲學家雅斯貝爾斯曾說過“教育的本質意味著一棵樹搖動另一顆樹，一朵云推動另一朵云，一個靈魂喚醒另一個靈魂”，課程的教學要以挖掘學生內在的潛能為目的，要像嬰兒學習一樣，從認知、感知、求知三個方面加大力度，建立學生個性化的生長型思維導圖，找尋自己個性化學習方法及節奏，建立專業學科與課程知識之間的“興趣”脈絡，形成興趣型主動求學方法，迭代式完善認知體系，科學性提升專業工程應用技能，以期在信息智能時代依然大步前行[9]。

參考文獻：

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[7]覃鳳萍，陳佳.基于“問題引導+案例”的數據挖掘課程教學模式設計[J].教育現代化，2020，7（45）：169-171.

[8]楊軍軍，郭丹潔，劉宇峰，等.問題導向式故事教學理念的探索[J].高教學刊，2020（22）：1-5.

[9]盧曉云.面向未來的教與學[J].中國大學教學，2019（12）：49-53.

*基金項目：教育部產學協同育人項目“云計算聯合實驗室建設”（編號：201901215021）;教育部產學協同育人項目“機器學習實訓”（編號：201802003016）;浙江理工大學教育改革項目“以專業工程應用能力為導向的《Python程序設計》課堂教學方法的探索與實踐”（編號：11120032312020）

作者簡介：張涵翠（1990-），女，漢族，浙江嵊州人，工學博士，講師，研究方向：云計算、大數據處理與機器學習。