面向地理學專業的程序設計教學改革與課程建設

[摘 要] 傳統程序設計語言C、Java等對計算機理論知識要求高、入門難，對地理學專業學生而言，在學習過程中會出現大量的語法錯誤，導致學生編程學習興趣不濃。Python作為一門易學、易用的編程語言，與地理學專業學習有機結合，具有明顯優勢并深受學生歡迎。針對教學過程中出現的問題，可運用科學合理的教學方法、注重基礎性與前沿性相結合、加強案例教學、鼓勵學生積極參加地理學相關知識競賽、充分利用網絡教學以及強化學生上機實驗能力的培養等，并在本科教學中起到良好的效果。

[關鍵詞] Python語言;地理學專業;程序設計;教學改革

[基金項目] 2020年度廣東省高等教育教學改革項目“在線教學效果評測與質量保障”（粵教高函〔2020〕20號）;2018年01月—2020年12月國家重點研發計劃項目“深圳市洪澇實時調度決策支持平臺及示范”（2017YFC1502706）;2019年01月—2021年12月中山大學本科教學質量工程類項目“面向地學專業的程序設計核心通識課程建設”（37000-18832606）

[作者簡介] 杜國明（1971—），男，山東安丘人，博士，中山大學地理科學與規劃學院副教授，主要從事地學專業教學研究。

[中圖分類號] G642.0? ? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）20-0049-04? ? [收稿日期] 2021-01-12

一、引言

地理學是研究地理要素和地理綜合體的空間分異規律、時間演變過程及區域特征的學科，具有綜合性、交叉性的特點，其研究內容是地球表層人與環境相互作用的機理，研究過程需要耦合自然要素和人文要素，是一門“探索自然規律，昭示人文精華”的學科[1]。作為一種綜合性學科，地理學的應用范圍非常廣泛，常常需要處理和分析復雜地物，程序設計往往能起到事半功倍的作用。正如蘋果公司的CEO庫克說過：學習編程要比學習英語更重要。因此，程序設計是地理學專業中的一門重要課程。常見的程序設計語言有Java、C、Python等。由于Python語言功能強大且語法簡潔、易讀及可擴展性，是目前美國大學最受歡迎的程序設計語言，如麻省理工學院的計算機科學及編程導論課程就使用Python語言授課[2]。又如，斯坦福大學從2009年開設Python語言程序設計類課程，替換了之前的Java和C語言課程[3]。因此，我們面向地理學專業選用Python語言作為本科生程序設計的教學語言。

二、面向地理學專業程序設計的教學改革與課程規劃

（一）傳統程序設計語言在地理學專業教學中存在的問題

目前，針對我國地理學專業開設的程序設計語言大多為C、C++、C#、JAVA等。這些編程語言語法復雜，對計算機理論知識要求高、入門難[5]。例如，C與C++語言要求變量在使用前先定義，嚴格區分大小寫，每行語句以分號結尾，數組在使用前要先定義大小（易造成數據冗余或不足），指針和鏈表難學難用……對于編程基礎薄弱的地理學專業學生來說，程序代碼晦澀難懂，出現錯誤的時候又難以區分是運行錯誤還是邏輯錯誤，很容易挫傷學生學習程序設計的積極性。C#對計算機的配置要求較高，造成應用上的局限性。Java語言主要針對對象方法展開教學，教學內容主要是類、對象、封裝、繼承、多態、接口、多線程等，運行效率不及C或C++語言，易學性不及Python，所以與Python相比，實際教學價值不大。

上述程序設計語言都存在復雜的語法結構，對地理學專業學生而言，由于缺少計算機體系結構的相關知識，在學習程序設計過程中會出現大量的語法錯誤，因此無法與地理學專業學習有機結合起來，學生也難以得到系統的培養。學生雖然學習了編程語言，但并不能應用于實際的編程工作中，導致地理學專業學生編程學習興趣不濃，僅為了考試而學，“考完即忘”的現象普遍存在。

Python作為一種輕語法的程序設計語言，具有易學、易用的特點，降低了學生學習的難度，可以彌補上述程序設計語言的不足，非常適合地理學專業程序設計課程。

（二）Python語言用于地理學教學的優勢

Python是一門高級程序設計語言，由吉多·范羅蘇姆（Guido van Rossum）于1989年底發明，是開源、免費的，簡單、易學[4]，比Matlab等商業軟件具有先天優勢，不會出現因授權而被“卡脖子”。Python的代碼書寫規則、語法簡潔，不需要在使用變量前定義。同樣輸出一段文字，三種語言分別如下所示。

C語言需要4行代碼，如下所示：

#include

int main（）

{

printf（"學好程序設計！"）;

return 0;

}

Java語言要定義一個類Main，代碼如下：

public Class Main（）{

public static void main（String[] args）{

System.out.println（"學好程序設計！"）;

}

}

python語言僅需要一行即可，如下：

print（"學好程序設計！"）

Python的優勢顯而易見。另外，它還能夠與地理信息科學最常用的商業軟件ArcGIS有機結合在一起，為解決復雜的地理問題提供有力支持。這是因為，ArcGIS開發語言默認安裝Python，為地理學專業學生學習程序二次開發提供了極大的便利，非常適合地理學專業程序設計課程。Python的科學計算功能強大，方便數字圖像處理，提供高效的數據組織與處理功能、多種數值計算、種類豐富的圖形繪制功能。