基于計算思維的項目驅動Python程序設計教學研究

章蓬偉 賈鈺峰 邵小青 劉生智

（新疆科技學院信息科學與工程學院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

Python程序設計課程是大學計算機類專業課，其目的是培養學生在信息化社會所必需的信息素養，及運用信息化技術解決生產生活實際問題的能力。計算機信息素養日益成為創新能力不可或缺的部分。在信息技術日新月異、爆炸式發展的今天，傳統的Python程序設計課程重在計算機軟件或工具介紹、教授學生零散的計算機編程知識，難以幫助學生提升創新能力，無法有效支持計算機類專業建設，更無法滿足未來大數據時代各領域對以計算能力為支撐的復合型創新人才的需求。因此，以能力培養為導向，確定本課程的培養目標是“培養學生的計算思維，以項目驅動教學，拓寬學生的知識面，使之掌握基本編程操作技能，提高應用能力和創新能力”。

Python程序設計是計算機類相關專業的專業課程，和C語言、Java相比，Python的優勢明顯。Python是一種免費、開源、解釋型的面向對象的高級動態編程語言。Python語言目前是最接近人類思維的編程語言，可以應用于數據分析與統計、人工智能、Web開發、云計算等，能方便進行系統維護與管理，是最受歡迎的編程語言之一。在人工智能領域中機器學習、深度學習等方面Python應用廣泛，是人工智能領域最火的計算機編程語言。

1 前期Python程序設計課程的反思

以培養學生分析問題能力為中心，通過工程實踐項目展開教學改革真正提高學生運用計算機分析、解決問題的能力，是高校教師亟須解決的問題。Python程序設計是新疆科技學院面向計算機專業一年級開設的必修課，總學時36，理論學時18，實踐學時18。

目前的Python程序設計教學仍存在一些不盡如人意的地方，主要有以下幾方面：學生編程水平差異化嚴重，學生來自全國五湖四海，對Python程序設計學習的興趣兩極分化，計算機和編程水平參差不齊，對課程實踐教學提出了極大的挑戰。強化理論灌輸、弱化能力培養、教學手段單一在教學中仍然采用理論講解—學生操作—課后練習的傳統教學模式，強化知識灌輸，弱化能力培養。沒有有效將課上與課下形成閉環，教學手段單一，導致學生實踐環節薄弱，不能有效培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。要轉變觀念從重學輕思向學思結合轉變。學生對程序設計課不能機械地記憶，需要不斷地思考創新，從中獲得學習的樂趣和成就感。

實踐教學環節流于形式，加之學生程序設計的基本功不扎實，久而久之對學習編程和思考問題失去興趣。從教學的角度來看，傳統的教育觀念不是“以學生為中心”而是“以知識為中心”，這種方法表現為：教師無所不知，是不變真理的化身，學生一無所知，只能等待教師的“施舍”，被動地接受知識。灌輸式教學極不利于“以學生為中心”的成長和發展，灌輸的知識越多，學生越缺乏批判意識、主體精神和創造性的品質，不利于學生創新能力培養的教學方式。面對這些問題，課程組經過一年多的教學反思與總結，對Python程序設計進行了有效的改革，使Python程序設計課滿足了新時代對人才培養的要求。

2 教學方法改革

Python語言具有簡潔性、易讀性和可擴展性，只關注計算問題的解決，是進化最接近自然語言的編程語言，但傳統程序語言設計都是以教師為中心，學生被動地接受編程知識，并沒有和教師同頻共振，學生實踐環節不夠，課程理論與實踐的結合不夠緊密，學生缺乏主動性等。針對以上問題，經過一年的改革與實踐，本文對教學改革進行了歸納總結。

2.1 以學生為主體、教師為主導，以計算思維為切入點項目驅動式教學

本教學模式以項目驅動教學法為主導，以計算思維為切入點，用項目將師生的教與學活動串聯起來，項目實施完成的過程就是整個教學過程。模式主要由教師、學生兩個主體，項目設計、項目分析、項目實施、總結評價五個教學流程構成，通過項目串聯起來組織教學。具體模式構建如圖1所示。

圖1 基于計算思維的項目驅動教學模式

2.2 因材施教多級任務規劃的衍生進階教學內容設計

教學內容逐步的完成過程中，進行分段、進階式教學內容的設計。項目驅動教學模式是將知識點貫穿到整個項目運作過程中，掌握Python基礎，包括基本數據類型、組合數據類型、控制結構和文件操作；掌握Python進階，能夠應用第三方庫解決較復雜問題。項目完成過程中，學生也可以提出新的問題進行科學探究和知識的拓展，真正培養分析、解決問題的能力，進而達到思維能力的培養并切身體會創新實踐的樂趣。通過13個分段進階式項目教學化難為易、科學系統的培養學生計算思維的能力。高級模塊推薦給學有余力的學生，包括NumPy、Pandas和Matplotlib等，具體項目方案如表1所示。

表1 基于計算思維的項目進階教學內容設計

2.3 線上線下混合教學模式，使用Educoder+MOOC教學平臺完善項目驅動教學模式

MOOC一般指大型開放式網絡課程，極大豐富了學生課上課下的理論學習與實踐練習。Educoder（頭歌）平臺是學、練、評、測一體化實驗環境，可以將傳統的知識傳授和工程實戰一體化緊密結合。使用這兩個平臺互相配合應用到項目驅動教學的課前、課中和課后3個環節。課前教師通過MOOC布置學生預習任務，根據學生預習情況的數據調整項目驅動教學的內容。以教學大綱為依據為學生推薦兩門MOOC資源，學生可以在課前預習、課后復習。課中教師通過項目驅動使學生做中學，項目完成過程中，真正培養分析、解決問題的能力，進而達到思維能力的培養并切身體會創新實踐的樂趣。通過頭歌平臺布置課后實訓作業。頭歌平臺上有實踐課程、實踐項目、課題教學、案例教學等模塊，有豐富優質的教學內容和實踐項目。如國防科技大學開設的“大學計算——基于Python的計算思維與工程實踐能力訓練”課程，學生做題前可以通過任務要求復習一遍相關知識，通過任務驅動通關式的程序上機實踐。如果過關會有相應金幣的獎勵，則提高了學生學習的主動性和趣味性。課后教師可以通過平臺數據分析，針對學生不同階段的學習效果，局部調整項目驅動教學內容，對學生反饋的難點進行針對性的教輔。

2.4 課程考核采用多元評價過程性考核體系

傳統應試教育單憑期末一次性成績內容來決定學生的成績，忽視學習過程，不利于綜合素質的提高。過程性考核通過學生的學習情況和階段性學習效果，全面考核學生的學習能力、運用能力及創新能力。課程考核采用多元評價體系，最終成績由課前（10%）+課中（45%）+課后（45%）組成。具體標準如表2所示，其中大作業項目階段考核以小組形式答辯，綜合小組成員自評和對小組成員提問表現。按照一個班級45人的標準，根據學生的特長進行團隊劃分。將學生分成6～7個團隊，每個團隊在7～8人，然后推薦一名隊長。根據學生在分組答辯階段性大作業系統設計中的貢獻率和Python語言掌握情況給予客觀的綜合成績。這樣既考核學生的理論知識又考察培養其思維能力，并且將考核貫穿整個學期，促進了學生自主學習，提高了計算思維的能力。課后階段性PTA測試能檢測學生對Python編程語言的掌握情況。學生學習成果的評價方式，不能再是以最終成績一刀切來決定，要明確學習成果的類型，強調多元過程性考評，通過這種考核方案有助于進一步提高學生學習的積極性，激發創新熱情，全面提升教學質量。

表2 課程考核采用多元評價過程性考核體系

3 結語

本文根據Python語言的特點，提出了Python編程與實踐課程教學模式，采用以學生為主體、教師為主導，以計算思維為切入點項目驅動式教學、因材施教多級任務規劃的衍生進階教學、采用多元評價過程性考核體系線上線下混合教學模式。不僅激發了學生的學習興趣，同時提高了學生發現問題、解決問題和創新的能力，為高質量的人才培養探索提供了有效的解決途徑。