面向新工科的Python 課程改革探析

2022-11-08 08:49:46張明鍵

科技視界 2022年21期

童宇張明鍵

（1.湖南警察學院，湖南長沙 410138；2.網(wǎng)絡犯罪偵查湖南省普通高校重點實驗室，湖南長沙 410138）

0 引言

信息通信技術的發(fā)展給人類知識的更新速度帶來了翻天覆地的變化，到了2020 年，許多學科的知識更新周期甚至只需要73 天?；ヂ?lián)網(wǎng)又大大降低了信息獲取的門檻，再加上一些優(yōu)秀的搜索引擎（如百度、Google）極高地提升了信息聚合的能力，使互聯(lián)網(wǎng)用戶對知識快速精準地獲取變得輕而易舉。如果高校的教學方式還停留在課堂上老師的講解，還停留在書本上習題的討論，那學生將面臨還沒有畢業(yè)就被新知識所淘汰的局面，學生將切身體會到什么叫今天學習的專業(yè)知識無法解決明天的問題。

以老師為中心，以課本為導向的傳統(tǒng)教學方式必須進行改革。一些基礎知識和簡單應用的掌握可以讓同學們通過線上的資源去獲取，在課堂有限的時間內(nèi)，教師應該更專注于學生對問題的分析、評價、知識理論的創(chuàng)新等高階認知活動能力的培養(yǎng)。本文以“Python 程序設計”這門課為例，詳細闡述在新工科背景下如何對程序設計類課程進行教學改革。

1 課程改革勢在必行

1.1 程序設計類課程現(xiàn)狀與痛點分析

C 語言程序設計、Java 語言程序設計、Python 語言程序設計等課程是高等院校理工科低年級普遍開設的程序設計類課程，這些課程一般定位為通識課，對課程學習的要求低。在教學目標上，只要求學生掌握程序設計基礎知識和基本方法，會解決簡單計算問題和簡單算法即可；在教學內(nèi)容上，重知識、重語法、重講授，但是往往布置的作業(yè)較簡單；在教學模式上，以線下課堂知識點的講授為主，再輔以線上的MOOC 資源；在考核評價上，偏重結課考試的成績，一般來說成績的比重分配為預習占10%、作業(yè)占30%、期末考試占60%，但是作業(yè)抄襲現(xiàn)象比較嚴重。

對比一些國內(nèi)和國外的優(yōu)秀大學，可以發(fā)現(xiàn)，這些大學一般將程序設計課程定位為技術課，對課程學習的要求高。在教學目標上，要求學生擁有利用程序設計方法解決復雜問題的能力；在教學內(nèi)容上，重分析、重算法、重實踐，布置的作業(yè)難度大，通常需要學生編寫300～600 行的代碼項目；在教學模式上，多采用線上線下混合教學，線下課堂以對復雜問題的分析求解為主，知識點則放在線上的教學錄播中進行講授，學生可以反復觀看；在考核評價上，注重過程考核，成績的比重分配為預習占5%、小作業(yè)占9%、大作業(yè)占21%、期中測驗占15%、期末考試占50%，一旦發(fā)現(xiàn)作業(yè)有抄襲現(xiàn)象，將會面臨嚴重的處罰。

十九大報告指出：要加快一流大學和一流學科建設，實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展；教育部高教司司長吳巖在《走進新時代贏得新時代邁入普及化的中國高等教育強國之路》上提出：高等教育全面進入以人才培養(yǎng)為根本的提質(zhì)新時代；中國高等教育人才培養(yǎng)范式必須要進行一次重大的變革。程序設計類課程必須從單純的程序設計語言或者知識的教學，進化到提升學生利用信息技術知識解決專業(yè)問題能力的教學上來，從知識傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)的課程改革勢在必行。

1.2 新工科背景下的課程改革刻不容緩

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息時代的迅猛發(fā)展，新工科產(chǎn)業(yè)，如深度學習、人工智能、大數(shù)據(jù)等領域的研究熱潮的到來，這些領域的人才供給出現(xiàn)不足的現(xiàn)象，而傳統(tǒng)工科教育已不再適應新興經(jīng)濟行業(yè)對人才能力培養(yǎng)的需求。為應對這一問題，教育部多次提出全國高校應加快建設和發(fā)展新工科，優(yōu)化學科專業(yè)結構，發(fā)展新興前沿學科專業(yè)。程序設計基礎課程是培養(yǎng)大學生計算機應用能力和計算思維能力的一門重要課程，是激發(fā)學生對新工科等技術興趣的第一課堂，探究面向新工科的程序設計基礎課程改革對深入新工科建設發(fā)展有重要意義。

大多數(shù)高校都將C 語言作為工科專業(yè)大學生第一門程序設計基礎課程，C 語言雖然效率高、使用靈活，但是語法復雜，要靈活應用很不容易，不適合非計算機專業(yè)解決復雜工程問題，難以適應新工科建設的要求。Python 語言是一種解釋性程序設計語言，具有簡潔、易讀、便于擴展等優(yōu)點，易于學習掌握，可實現(xiàn)快速開發(fā)。更重要的是它具有眾多的第三方庫支持，可方便用于各個專業(yè)的復雜問題處理，滿足新工科產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能領域的人才需求，因此本文認為，Python 語言更適合作為工科專業(yè)大學生第一門程序設計基礎課程。

2 課程改革的內(nèi)容

2.1 改革教學目標：能力培養(yǎng)為主，融入思政元素

本門課程設定了三個教學目標，分別為知識目標、能力目標和素質(zhì)目標。課程學習的重點從普適性的程序設計能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷I(yè)性問題解決能力的培養(yǎng)；要求學生在學習和實訓過程中了解計算機軟件從業(yè)人員應當具備的職業(yè)道德守則，為進軍軟件行業(yè)做準備；要求學生理解并敬重工匠精神，在學習中努力發(fā)揚工匠精神；通過軟件行業(yè)發(fā)展前景，引發(fā)學生對未來的職業(yè)愿景，激發(fā)學生對社會主義核心價值觀的認同感；培養(yǎng)學生具有求真務實的科學精神、百折不撓的專業(yè)素養(yǎng)和精益求精的工匠精神。

2.2 改革教學內(nèi)容：契合社會需求，解決復雜問題

針對三個教學目標，“Python 程序設計”的教學內(nèi)容可以分為三個階段：知識講授、能力培養(yǎng)和素養(yǎng)修煉。

其中，知識講授部分包括講解Python 的基本知識、概念、語法和基礎算法，這部分的內(nèi)容大部分要求學生在線上以自學的形式來完成，教師在課堂只針對重點、難點和容易混淆的概念進行補充講解；能力培養(yǎng)主要是培養(yǎng)學生具有較強的獨立分析、設計編程、調(diào)試程序的能力，以及具有良好的程序設計風格；素養(yǎng)修煉主要是培養(yǎng)學生具有嚴謹扎實、細致入微的學習態(tài)度和勤于實踐、勇于存疑的學習習慣。

本門課程的教學設計以案例為主導，從具體問題的解決中激發(fā)學生思考的積極性，有意識地培養(yǎng)學生運用知識分析與處理實際問題的能力。例如，從“世界最難九宮格”這個數(shù)獨問題的求解出發(fā)，可以讓學生深入掌握和理解數(shù)組、列的切片、循環(huán)、排序等知識重點、難點。又如在授完Python 的基本語法后，讓學生通過自學的方式擴展學習Numpy、Pandas、Matplotlib 等相關內(nèi)容，教師提供2018 年世界杯、2020 年國內(nèi)酒類消費、2020 年APPL 公司股價、全球新冠肺炎疫情等數(shù)據(jù)，引導學生利用Python 對提供的數(shù)據(jù)進行分析、處理和預測，并將分析結果以可視化的形式進行展示。

2.3 改革教學模式：以學生為中心，線上線下混合教學

按照“兩性一度”要求深化課程改革，建設了在線課堂并組織開展線上線下混合式教學。教學組織與實施突出了學生中心地位，以教為中心向以學為中心轉(zhuǎn)變。教學采用項目驅(qū)動式教學方式，師生之間、生生之間進行合作學習，由之前80%的知識由教師講授來獲得，到現(xiàn)在80%的知識是在項目的設計、談論和實施當中，通過學生自主學習來獲得。教學設計堅持知識、能力、素質(zhì)有機融合。教師只要教會學生掌握基本知識、解決基本問題、實現(xiàn)基本應用，學生在一個一個的實驗項目中不斷提升自己的綜合能力，包括程序設計、問題分析與建模、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等專業(yè)應用能力和綜合設計能力，還有計算思維、信息素養(yǎng)、道德品質(zhì)等素養(yǎng)能力。

課前通過線上進行預習，課堂通過PPT 進行講解，課后通過線上虛擬實驗平臺進行實踐，引入大量個性化教學資源，開展線上項目專題討論，形成線上線下內(nèi)容互補，豐富教學內(nèi)容，提升學生動手、思維和表達能力。

線上線下教學模式以問題作為驅(qū)動，讓學生帶著問題進行自主學習。通過線上課程將信息化教育手段引入“線下”課堂教學，將課堂教學與“線上”網(wǎng)絡教學進行融合，既解決了純線上的教學方式中存在無法監(jiān)督學生的學習情況及學習質(zhì)量、學生缺少面對面的交流機會、課程過于機械化標準化等問題，又解決了學生在傳統(tǒng)的面授課上難以保持專注和投入、學習效果不佳的問題，明顯提高了教學效果。

2.4 改革考核方式

本課程建立了一個能力與知識考核并重的多元化考核評價體系，考核方式重點體現(xiàn)過程化，總評成績體現(xiàn)了整個學期學習的全過程，包括課前預習（占10%）、作業(yè)完成情況（占15%）、階段性測試成績（占20%）、期末考試成績（占40%）和平時成績（占15%）。

針對程序設計類課程，學院本年度投入25 萬元建設了一個功能集約、開放共享、運作高效的一體化“在線考試支撐平臺”，該平臺可以實現(xiàn)對不同編程語言及技術架構的試題自動評測和在線編譯運行，進一步健全了Python 程序設計課程的考核評價體系。

3 改革的成效

本課程使用的線上平臺主要是超星學習通和EduCoder 實訓平臺。在超星平臺上上傳了課程教案、課件、相關軟件、實驗報告等資料供學生下載。在EduCoder 實訓平臺上進行了實踐課程的建設，自主研發(fā)了76 個實訓項目（如圖1、圖2 所示）；每學期在平臺上開設線上教學課堂，發(fā)布190 多個線上實訓項目，訪問量累計超過15 萬次，如圖3 所示。