基于計算思維的Python課程教學模式研究

許丹楊

（連云港開發區高級中學，江蘇 連云港 222000）

在計算機學科教學中，要求學生能夠學習程序組成、編程方法以及軟件開發思路。計算機教學包含兩個部分，其一是課程教學，其二是上機實踐教學。在Python 教學中，教師通過開展課程教學，要求學生能夠掌握Python的基本概念，積累豐富的Python 專業知識；而在上機實踐教學中，更加注重對于學生計算思維能力的培養，要求學生能夠靈活應用計算思維自主解決各類問題，提升Python 知識的應用能力，促進學生核心素養的提高。因此，對Python 教學中培養學生計算思維的教學模式進行研究意義重大。筆者多年在教育教學一線，基于教學實踐經驗，提出自己的觀點和看法，并與相關研究者進行交流，以期為Python 課程教學與實踐的提升提供參考。

一、計算思維概述

科學思維是人類理性認識世界的過程，首先在感性階段獲取豐富材料，再對各類信息進行整理和調整，據此形成概念，并做出推理和判斷，進而反映出某個事物的本質規律。在科學思維中，計算思維是十分重要的組成部分，在人類科技創新、文明進步中，理論、實驗以及計算可作為三大重要支柱，尤其是在科學技術發展創新中，公理化方法為主要的理論思維，比如代數、幾何均顯著促進了科學技術的不斷發展。

計算思維指的是利用計算機科學基礎概念對問題進行計算和分析的活動，具有抽象性和自動化特征。在工業革命時代，機器技術不斷創新，逐漸替代傳統的手工勞動，要求人類充分發揮讀、寫和算的能力，掌握機器設備的使用方法。在信息革命時代，計算機技術發展迅速，大量計算機組成互聯網，并成為通信的重要載體。通過應用互聯網技術和計算機技術，可對大量數據進行加工處理，將其轉變為有用的信息和知識。為保證數據傳輸的便捷性，通信技術以計算思維為基礎不斷創新。在未來的機器智能時代，通過將計算思維應用于編程中，可實現人類與機械設備協同作業，提升人機交互能力。通過上述分析可見，由于人類社會不斷發展，計算思維已逐漸發展成為人類適應社會變化所必須具備的技能。

在計算機學科教學中，應當重點培養學生的計算思維，指導學生利用計算機技術解決復雜的計算問題，使學生能夠應用計算思維解決社會問題，提升問題分析和問題解決能力。

二、Python的特點

1989年，吉多·范羅蘇姆開發出Python（計算機編程語言），其屬于面向對象的解釋型編程語言，主要被應用于各類比較常見的任務中。Python 的語法簡單，具有開源性特征，在各類編程語言中與自然語言最為接近。在Python 的實際應用中，可對各類計算問題進行求解，由于語法為輕量級，并且為高層次語言，可充分展現出計算思維。

在Python 教學中，涵蓋的內容比較多，各類分支、循環以及函數等基礎的程序邏輯關系和豐富的功能形成函數庫。Python 為腳本語言，直接運行源代碼即可完成執行，因此，程序運行與源代碼密切相關。與C 語言相比，Python 中的計算機系統結構元素比較簡單，對于各類變量，可直接使用，無須定義，并且可通過解釋器自動匹配。Python 內部可應用UTF-8 編碼實現，語言文本操作簡單，支持中文。

三、Python教學中存在的問題

1.認知不足

近年來，Python 發展迅速，日益受到人們的關注，并且在人工智能以及大數據領域發揮著十分重要的作用。很多學生對于Python 的功能已具備基礎了解，但是對于Python 的應用領域依然不夠明確，對于其未來的發展，有些認識不清，缺少足夠的前景展望。

2.重語法輕語義

在傳統的計算機語言教學中，一般由教師為學生講解抽象的概念以及語法知識，但是現階段，計算機語言教學的重要性顯著降低。在Python 教學中，應當培養學生的計算思維，指導學生掌握分析問題、解決問題的能力。對于計算機語言，僅可作為工具，如果為學生講解大量函數知識，往往很難培養學生的計算思維，同時在課程講解中所需時間比較長，無法滿足學生的學習需求。

3.算法教學較少

在很多計算機編程語言教學中，算法是十分重要的基礎知識，同時也是激發學生學習熱情的關鍵。對此，在計算機課程教學中，教師一般將算法作為程序設計教學的引入部分。比如，在程序設計教學前為學生介紹各類基礎算法，包括查找、排序、迭代等，通過增加算法教學內容，能夠幫助學生降低學習難度，激發學生的學習積極性。

4.缺乏計算思維的培養

在Python 教學中，一般將教師作為課堂教學的主體，很多教師沒有關注到對學生計算思維能力的培養。在課堂教學中，學生根據教師的指導，按照參考程序輸入和運行，而在此過程中，學生的應用能力依然比較低，無法將專業知識應用于實際問題分析解決中，并且很多學生沒有對解決問題的重要性、步驟、程序拆解方法等進行深入思考。因此，在傳統教學模式中，學生無法充分利用自身思維進行學習和獨立思考，不利于培養學生的計算思維。

四、基于計算思維的Python課程教學策略

1.Python語法的快速學習

為了幫助學生更好地掌握Python，同時使學生能夠利用Python 解決各類實際問題，充分發揮學生的創造力，培養學生的計算思維，在課堂教學中，教師首先應為學生介紹基礎的Python 語法和其他知識點。課程內容共包含兩個部分，其一為理論課程，其二為實踐課程。在理論課程教學中，須詳細介紹課程概論、Python 安裝方法、數據類型、格式化輸出、循環結構、數據類型、函數、文件類操作方法等。在實踐課程教學中，應當為學生介紹Python安裝方法、示例類程序、Math 庫使用方法等，在指導學生自主練習時，應當將選擇、循環作為重點，比如π的運算方法、列表排序、文本文件讀寫、數據組合練習等。在具體的教學活動中，應當合理安排理論課程和實踐課程的學時。在基礎教學完成后，為考查學生的學習成果，可組織開展知識點考核活動，考核重點包括Python 判斷結構、單層循環結構、格式化輸出等。在各類程序設計語言中，Python 是十分重要的組成部分。Python 的學習方法比較簡單，為了幫助學生強化對于基礎知識點的掌握情況，提升Python 運用能力，應當為學生詳細介紹Python 的語法知識，指導學生將Python 應用于實際問題的分析、求解中，據此培養學生的創新能力以及計算思維。

2.MOOC+SPOC+翻轉課堂

在Python 教學中，教師應當為學生準備豐富的學習資源，提升教學質量?，F如今，智能手機已經被廣泛使用，學生可利用智能手機學習Python。在Python 教學中，教師應當指導學生在課堂教學前自主預習，對預習過程中遇到的問題做好詳細的記錄，然后觀看MOOC以及SPOC 中的教學視頻資料，讓學生帶著問題觀看并思考。對于重難點知識，可根據實際需要反復觀看，強化記憶效果。另外，還可以鼓勵學生在教學平臺中參與討論，與教師和其他同學溝通交流，分享知識點，共同對學習中的重點和難點進行討論，并將自身的學習體會進行交流，教師給予及時的指導。通過以上方法，可以有效提升Python 的學習效果。我國積極推進教育教學體制改革創新，在計算機學科教學中，可將MOOC 與SPOC 以及“翻轉課堂”進行有效結合，據此形成新型教學模式，將優質的網絡教學資源與傳統教學方式進行有效結合，保障學生學習的主體地位，調整學生的學習方式，激發學生學習積極性和自主學習意識，在日常學習、生活中充分利用智能手機學習Python。比如，在Python“翻轉課堂”教學中，很多學生的學習積極性比較高，自主參與到“翻轉課堂”教學中。在課堂教學前，教師可指導學生利用MOOC 以及SPOC 進行自主學習，通過預習明確課堂教學重難點，對Python 知識點獲得初步了解，為后續課堂教學奠定基礎。另外，在課堂教學時，可采用團隊合作教學模式，將全班學生劃分為若干個小組，將具有不同特點的學生組合在一起，鼓勵小組成員展示學習成果。比如教師可為學生出示一段數字，要求學生對這段數字進行分析，并找出素數，在問題求解計算中，可設計基本算法，并應用第三方NumPy 庫進行加速運算。通過應用創新型教學模式，可充分發揮MOOC 與SPOC 以及“翻轉課堂”的應用優勢，培養學生自主分析和解決問題的能力，引導學生積極參與課堂教學，據此創建高效課堂，提高教學效率，培養學生的計算思維。

3.開設班級博客

為了保證Python 課堂教學效率以及教學質量，可將博客應用于Python 教學中，并開展測試活動，可組織專家參與測試活動，保證測試的科學性。Python 課程教師負責開設班級博客，然后再邀請學生加入班級博客中。在班級博客中，學生可自由發布相關博文，在發布完成后，即可自動顯示在班級博客的列表中，教師可直接閱讀博文并做出評價。另外，通過對班級博客的使用功能以及作業功能進行分析，在班級博客的使用過程中，不會對學生發布的內容做出限制，學生可根據實際情況自由發表感興趣的話題、內容，與全班同學和教師共同分享，幫助學生拓展知識點。通過充分發揮班級博文的重要作用，鼓勵學生發表優秀博文，便于學生更好地掌握Python知識點，拓展計算思維，強化問題分析、解決能力。

4.創新實驗

為了能夠培養學生的計算思維，提高學生問題分析、解決能力。在Python 教學中，應當指導學生掌握多種數據庫的使用方法，并設計綜合性實驗，通過采用實驗教學方式提升學生創造力，培養學生的計算思維。比如在Python 實驗教學中，可將Arduion、Python、MAX30100 心率血氧數據采集分析系統作為實驗內容。在課堂教學中，首先為學生介紹開源硬件Arduino UNOR3 的基本原理，然后再將接觸人的手指通過心率血氧傳感器MAX30100 接入進去，據此即可采集到血氧數據以及心率數據，再通過串口上位機Python 即可完成數據傳輸，在數據傳輸完成后進行整理分析，即可根據結果繪制血樣圖。在本次實驗教學中所應用的Python 形式比較多，包括MatPlotliP、PySerial 以及turtle 等。在課堂教學中，要求學生能夠掌握turtle 庫的使用方法、文件讀寫方法、繪圖技巧、網絡爬蟲、PySeial 庫使用、Arduino 使用等。在上述課程教學中，將Python 教學中的各類軟件、硬件融合于實驗課程教學中，要求學生能夠扎實掌握Python 基礎知識，并將其應用于實際問題解決中。為了提高教學效率，應當堅持循序漸進的原則，逐步培養學生分析問題、解決問題的能力，使學生能夠盡快形成計算思維。另外，通過為學生介紹Arduino 編程方法，可顯著提升C++語言的應用效果，使學生在實驗教學中掌握更多的Python 知識要點。為了提高學生學習的便捷性，在本次實驗教學中為學生提供Arduino 示例代碼，學生可根據實際需要直接應用，或者對Arduino 程序代碼進行適當調整，高效完成實驗任務。

5.Python課程與學生學習實際相契合

只有激發學生的學習興趣，才能夠使學生積極主動地參與Python 學習中。為了保證課程教學的有效性，在Python 教學前，教師可采用問卷調查的方式了解學生的學習能力、學習需求，便于制定針對性教學策略，提高課堂教學的實效性。同時，教師要結合不同層次學生的學習接受能力，實施分層教學，根據每個層次的學生特點布置相應的作業，使學習的知識內容和作業都在學生的能力范圍之內，這樣既保證了學習的實效，又不增加學生的負擔，使他們保持對學習的興趣。在實際教學中，教師要將學生對Python 課程的學習興趣作為出發點，據此開展Python 教學活動，采取各種行之有效的教學手段，打造高效課堂。在實際教學中，應當注意以下幾點：一是關注各項細節內容。比如為學生介紹華氏溫度和攝氏溫度的轉換方法，首先要介紹二者的概念和起源以及它們的不同特點，據此激發學生對于字符串處理以及聯系選擇結構編程的學習興趣；二是教學內容應當符合學生實際情況。比如在為學生介紹文本詞頻、分詞講解時，為了提升教學質量，教師可以選擇不同難度的知識內容，提高學生的辨識度，使他們能夠根據各自的能力獲得知識內容；三是提高教學的實戰性。為了激發學生學習的主動性，教師可選擇真題，增加挑戰意味，利用多媒體向學生介紹詞頻，讓知識變得簡易化、明晰化，減少學生的學習難度。同時，教師要采取多種教學方式，使得學生能夠掌握Python 學習的重點，提升教學效果，培養學生的計算思維。

總之，隨著時代的發展，在計算機學科教學中，要求不斷推進教學改革。尤其是在Python 教學中，應當避免采用傳統的編程教學模式，為學生介紹Python 的應用優勢和重要作用，然后對教學理念和模式進行創新調整，關注學生的學習興趣以及思維模式，并強化引導，為學生創建高效課堂，全面提升Python 教學質量，幫助學生培養計算思維。