面向新文科的Python課程項目式學習教學研究

房 媛，王美航，趙秀巖，邵 利，王偉珍，于曉強

（1.大連工業(yè)大學 工程訓練中心（創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育中心）；2.大連工業(yè)大學服裝人因與智能設計研究中心，遼寧 大連 116034）

0 引言

“數(shù)字化+智能化”的時代浪潮涌動，高等教育面臨著歷史性變革和挑戰(zhàn)。與此同時，以計算機技術(shù)為基礎的人工智能、信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能技術(shù)已成為推動科技發(fā)展最強勁的動力，以計算為基礎的學科交叉融合越來越廣泛且深入，信息素養(yǎng)的培養(yǎng)理念、教育模式和課程體系均面臨迭代需求。2019年4月，教育部、工業(yè)和信息化部、科技部等13個部門聯(lián)合啟動了“‘六卓越一拔尖’計劃2.0”，該計劃提出并強調(diào)發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設［1］。新文科建設的使命光榮、責任重大、任務艱巨。據(jù)教育部2020年1月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，文科學科門類包含文學、哲學、歷史學、經(jīng)濟學、管理學、法學、藝術(shù)學、教育學八大類別，在學科門類中占比61.5%（8：13），專業(yè)設置占比47.1%（331：703），開設文科門類的高校數(shù)量占全國高校數(shù)量的98%（1240：1265），在校學生人數(shù)為877.9萬人，占比50.2%。2020年11月，教育部新文科建設工作組發(fā)布《新文科建設宣言》，對新文科建設作出全面部署，提出了新文科的推進要“守正創(chuàng)新”，要與現(xiàn)代信息技術(shù)融合，與其他學科交叉融合，與相近專業(yè)集群融合，以全面提高高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量［2］。

Python語言是目前最接近自然語言的通用編程語言，因能夠充分展現(xiàn)計算思維的先進性而得到了廣泛應用。面對數(shù)智時代，文科學生需要更豐富的思維模式來培養(yǎng)綜合分析問題的能力，其中不可或缺的就是計算思維。Python語言有助于進一步釋放師生的活力和創(chuàng)新熱情，全面提升教學質(zhì)量，使“新文科”專業(yè)學生有機會掌握一門終身受用的程序設計語言，非常適合作為第一門程序設計科目進行教學［3］。此外，Python靈活、豐富的第三方庫與快捷的數(shù)據(jù)處理能力都為文科生提供了數(shù)據(jù)思維和數(shù)據(jù)能力鍛煉的良好基礎。因此，如何對普通高校的程序設計通識課進行改革，滿足新時代高等教育“四新”人才培養(yǎng)教育理念，是目前亟待解決的問題。

1 相關研究

在Python課程的項目式教學方面，盧海麗等［4］提出在智能時代背景下的項目式學習模式，包括項目準備、項目規(guī)劃、項目實施、復盤與評價4個主要環(huán)節(jié)；李小青［5］闡述了在Python程序設計課程中，應用PBL理念引導學生發(fā)現(xiàn)問題，激發(fā)學生興趣進行分組討論，并展示解決問題方案；戴成秋［6］針對傳統(tǒng)教學方式中存在的普遍問題，提出Python語言程序設計課程融合PBL的MOOC+SPOC混合式教學方案，將教學設計分為問題/項目、學生和教師三大部分，教學活動設計上采用小項目以3～7人為小組展開；王菲等［7］在分析“新文科”大學生信息素養(yǎng)要求的基礎上，探討合理設置Python語言課程的教學內(nèi)容、知識體系與考核方法。本文在新文科建設背景下，結(jié)合新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展需求與項目式學習教學理念，以Python程序設計課程的綜合項目式教學為切入，從培養(yǎng)學生的計算思維與計算能力、數(shù)據(jù)思維與數(shù)據(jù)能力和系統(tǒng)思維與應用能力3個主要方面為課程目標，深入研究了“九步三逐”項目式教學模式、教學效果和形成性評價考核等內(nèi)容。

2 新文科人才先進計算素養(yǎng)需求

2018年8月在全國教育大會召開之前，中共中央發(fā)文提出“高等教育要努力發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”（簡稱“四新”建設），正式提出“新文科”概念。這一概念提出后，近年來新文科建設領域涌現(xiàn)出大量研究成果。如吳巖［8］提出創(chuàng)新是高等教育的生命線，新時代新形勢需要高等文科教育創(chuàng)新發(fā)展，因此要應新時代哲學社會科學發(fā)展的新要求，推進哲學社會科學與新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革交叉融合；黃啟兵等［9］認為新文科是在新技術(shù)的推動、新需求的產(chǎn)生以及新國情的需要等時代背景下出現(xiàn)，具備學科交叉、知識應用、適應國情等一系列特征；樊麗明［10］提出中國建設“新文科”的核心要義在于新專業(yè)或新方向、新模式、新課程、新理論的探索與實踐；王銘玉［11］認為創(chuàng)新領域新對象促生新文科，人工智能、區(qū)塊鏈、基因工程、虛擬技術(shù)等大量新興技術(shù)的出現(xiàn)反映了時代的新潮和新的研究方向，引起了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，人文社會學科不可能“獨善其身”，紛紛與理學、工學的新興領域產(chǎn)生了交叉融合；張銘凱等［12］提出新文科背景下首要解決的是課程問題，而不能成為交叉、融合、混搭后的“四不像”存在。

在大學教育通識階段，計算機程序設計課程用于普及新一代信息技術(shù)，打破傳統(tǒng)學科壁壘，是為傳統(tǒng)人文社會學科賦能的最佳陣地。計算力就是生產(chǎn)力，從結(jié)繩計數(shù)到算盤算尺，到計算器再到電子計算機，每次新計算技術(shù)的出現(xiàn)都從根本上促進了生產(chǎn)力發(fā)展。自20世紀計算機誕生以來，計算技術(shù)不斷演進迭代，經(jīng)歷了由量變到質(zhì)變的發(fā)展，計算能力提升、計算方式優(yōu)化、計算數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長。先進計算是融合了計算、存儲、網(wǎng)絡、控制等技術(shù)，以更高效地實現(xiàn)人、機、物互通和智能應用的新一代信息基礎設施，是從單一的計算設備及技術(shù)向多元化計算系統(tǒng)及應用的演進，具有先進性、泛在性、多樣性，也是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的本質(zhì)和核心。先進計算的內(nèi)涵包括算力、算法、算據(jù)三大要素。近年來，先進計算與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)進行融合，成為促進國家經(jīng)濟建設、社會發(fā)展、科學進步的重要推動力量。

對標新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與新文科人才培養(yǎng)需求，結(jié)合計算機程序設計公共基礎課程特點，提出3點面向新文科的先進計算素養(yǎng)需求，分別是：①計算思維與計算能力。能夠?qū)F(xiàn)實問題模型轉(zhuǎn)換為計算模型，有能力借助先進計算手段完成自動計算；②數(shù)據(jù)思維與數(shù)據(jù)能力。能夠正確描述數(shù)據(jù)需求，具備一定的行業(yè)數(shù)據(jù)感知力、數(shù)據(jù)分析力與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)力；③系統(tǒng)思維與應用能力。能夠系統(tǒng)設計問題實現(xiàn)步驟，具備一定的處理現(xiàn)實問題的應用能力。本文利用Python語言易學易用的特點，內(nèi)涵結(jié)合專業(yè)特色進行項目驅(qū)動式教學設計，外延著力打造全程數(shù)字鏡像形成性評價的教學環(huán)境，從根本上滿足新時代對新文科人才的培養(yǎng)需求。

3 項目式學習教學模式

項目式學習（Project Based Learning，PBL）是一種以學生為主體的教學模式，解決的是如何學的問題，由克伯屈（William Hurd Cobbler，1918）提出的“設計教學法”演變而來。PBL教學的四大要素是內(nèi)容、活動、情境和結(jié)果。胡紅杏［13］提出開展項目式學習的價值，在于圍繞挑戰(zhàn)性的學習主題提出問題，深度參與探究，從而提升核心素養(yǎng)和能力；葉荔輝［14］提出基于科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）4門“元學科”STEM教育理念的PBL教學模式設計，應聚焦工程創(chuàng)新素養(yǎng)、工程人文素養(yǎng)、AI素養(yǎng)的人才培養(yǎng)目標設計，同時注重“探究—實踐—交流”的科學程序設計。

3.1 基于PBL的教學內(nèi)容重構(gòu)

Python課程是面向大連工業(yè)大學經(jīng)管文科類專業(yè)開設的公共基礎必修課。課程名稱是Python語言與數(shù)據(jù)處理，共48學時，采用線下機房“教—學—練—創(chuàng)”一體化授課模式。在課程學時有限的條件下，既要完成基礎能力訓練，又要完成高階性和創(chuàng)新性的課程目標，因此本文在課程內(nèi)容上進行了重構(gòu)。將課程內(nèi)容按照模塊形式重組為四大模塊：①基礎模塊（語言基礎，數(shù)據(jù)類型，語句，函數(shù)）；②數(shù)據(jù)處理模塊（第三方庫，文件，數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)預處理）；③數(shù)據(jù)可視化模塊（數(shù)據(jù)可視化）；④Python+專業(yè)應用（項目式學習）。

除課程內(nèi)容的模塊重組外，還進行了符合新文科需求的課程創(chuàng)新項目甄選。例如，“某商品消費者評價數(shù)據(jù)挖掘”“某招聘崗位與專業(yè)設置關聯(lián)度分析”“人口數(shù)據(jù)背后的故事”等多種選題。

3.2 創(chuàng)新的PBL教學模式

創(chuàng)新的PBL教學模式整體設計遵循“三逐”原則，即逐個完成小任務，逐步樹立成就感，逐漸達到大目標。共由9個步驟組成，分別是：①誠信承諾書；②預選題；③分組確認；④需求分析報告；⑤需求分析報告評價反饋；⑥數(shù)據(jù)處理報告；⑦數(shù)據(jù)處理報告評價反饋；⑧小組報告與考核資料匯總；⑨優(yōu)秀項目展示。以上簡稱為“九步三逐”（Nine Steps Three Progression，NSTP）的PBL教學模式，如圖1所示。

Fig.1 " Nine steps three progression " PBL teaching mode圖1 “九步·三逐”PBL教學模式

本文以某商品消費者評論數(shù)據(jù)挖掘項目為實施樣例，在圖2中詳細列出了NSTP教學流程。

Fig.2 PBL implementation example of Python programming and data processing圖2 Python語言與數(shù)據(jù)處理的PBL教學實施樣例

3.3 學生小組PBL合作模式

項目小組最多由3人隨機組成，在整個項目實施過程中，采用“分分合合”的合作模式。選題分析合作，分析確定分類項中的具體題目；需求分析獨立完成，培養(yǎng)個人對需求分析的獨立理解能力與獨立查閱資料的能力；數(shù)據(jù)處理合作，作為數(shù)據(jù)思維和能力培養(yǎng)的主要手段，將一個人無法完成的數(shù)據(jù)處理工作進行必要的分工合作；數(shù)據(jù)分析獨立完成，培養(yǎng)面對行業(yè)專業(yè)數(shù)據(jù)時的獨立分析能力；小組項目報告合作，通過通力合作完成小組項目報告，完成項目全流程的總結(jié)陳述與討論分析，使所有成員達成共識。“分分合合”合作模式如圖3所示。

Fig.3 "On-off and on-off" cooperation mode圖3 “分分合合”合作模式

3.4 課程考核

本門課程采用全過程形成性評價，分數(shù)占比分別為：課堂表現(xiàn)25%，作業(yè)25%，隨堂測試25%，創(chuàng)新項目25%。其中，課堂表現(xiàn)由每節(jié)課的課堂熱身和課堂練習兩部分組成。課程采用線下教學方式，并將學習歷程在線上進行全過程鏡像記錄。尤其是全過程鏡像學習記錄，既能適應非疫情期的線下教學需要，又能適應疫情期間居家線上學習的需要。創(chuàng)新項目評價的分數(shù)占比為：誠信承諾書5%，小組討論記錄10%，需求分析報告10%，數(shù)據(jù)處理報告10%，小組總報告15%，源數(shù)據(jù)15%，處理后的數(shù)據(jù)10%，源代碼25%。

4 課程改革實施效果

（1）賦能新文科專業(yè)人才培養(yǎng)，切實提升學習者的先進計算素養(yǎng)。項目選題貼近于專業(yè)，賦能專業(yè)的延伸應用，充分發(fā)揮課程的延展性和高階性。Python課程實施PBL教學兩年以來，學生開展項目選題近百個。

（2）潤物無聲的課程思政，啟智潤心。例如，項目誠信承諾書的簽署，體現(xiàn)了契約精神。數(shù)據(jù)獲取階段通過展示國家數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站及其數(shù)據(jù)獲取等操作，介紹了我國國家數(shù)據(jù)、信息安全戰(zhàn)略，為學生樹立基本的數(shù)據(jù)安全意識等。

（3）過程評價不可逆，提高了學生的學習積極性。采用全程分散的考核方式，學生學習的積極性大幅提高。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅一個學期，學生在智慧教學平臺的訪問次數(shù)生均達到2 300次，按照48學時折合每學時生均訪問次數(shù)為48次。學生成績較傳統(tǒng)教學方式提升明顯，不及格率顯著下降。

（4）小成果積累大成就，學生課程收獲感提升。項目式學習采用分步驟推進的教學方式，逐步建立小成果。例如將傳統(tǒng)只收取一份大報告的形式分解為組成大報告的若干小報告，隨時反饋小報告的優(yōu)缺點，學生及時獲得滿足感和成就感。課程結(jié)束后，學生投稿期刊論文2篇，利用課程成果參加各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目與競賽近10項，獲批大創(chuàng)項目2項，獲得競賽獎項3項。

5 結(jié)語

為應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的時代需求，本文著力面向新文科的Python程序設計課程建設與改革研究，秉承計算生態(tài)思維，以創(chuàng)新、賦能、提升為理念，使學生扎實掌握以Python語言為代表的先進計算能力，掌握數(shù)據(jù)分析及人工智能應用的基本能力，提升計算思維能力以及全方位的信息技術(shù)綜合運用能力，以全面支撐新文科人才的培養(yǎng)需求。本文結(jié)合項目式教學的要素，提出符合新文科人才培養(yǎng)目標的Python課程項目式學習教學模式，探索了NSTP的組織課程實施方案。接下來，在課程建設方面還會不斷開拓創(chuàng)新，在項目式教育教學改革方面作出更多探索。