基于PBL的軟件工程專業Python程序設計課程案例式實驗教學*

朱文強 熊碧舟

江西財經大學軟件與物聯網工程學院 南昌 330013

0 引言

Python 語言是一門簡單易用、生態圈完善、應用廣泛的計算機程序設計語言。它以其接近自然語言、代碼編寫效率高以及側重問題求解等特點，在大數據處理、人工智能、自然語言處理、圖像處理、計算機運維等多個方面得到了廣泛應用。

目前，國內外許多高校都開設了Python 語言課程，開設專業不僅包括計算機、軟件工程、大數據等與信息技術密切相關的專業，像應用統計、金融工程、數據法學等專業也相繼開設了這門課程。許多高校甚至已將它作為計算機基礎通識課程，取代了傳統C 語言的地位。

案例式實驗教學是Python 程序設計課程的有效教學手段之一[1-2]。為激發學生興趣，李博等[3]參照SE2014 國際標準體系，構建了豐富的課程資源，并實現了案例融合式Python 課程教學。岳彥龍等[4]依據計算思維核心概念和思想，通過分析計算思維、Python、人工智能案例三者的關系，提出了以人工智能案例為驅動的Python 編程教學模型。陳廣智等[5]針對目前軟件工程教材理論介紹多、應用案例少的情況，設計一個GPA 變動分析案例，并針對軟件工程理論，分析該案例覆蓋的知識點。

實驗是Python 程序設計課程教學的一個重要環節。在進行本次Python 課程案例式實驗教學實踐改革之前，筆者通過問卷調查、訪談及聊天的形式，對所在學院軟件工程專業C 語言、Java 語言及Python 課程的授課教師、學生進行了一次較為廣泛的調查。調研結果反映，現有程序設計語言教學存在的一些普遍性問題，具體體現在以下五個方面。

1）傳統程序設計課程的教學方面，特別是C、C++等語言，教學多以知識點講解為主，且知識點較為分散，學生無法對知識點進行融合，應用于大型項目開發實踐中。

2）把C 語言作為大一的必修課，增加了學生學習的難度，不少學生特別是部分女生，甚至認為自己選錯了專業，不適合本專業的學習。

3）現有的Python課程教師，大多是原來講授C、C++、Java 等課程的教師，仍使用以教師講授為中心的傳統教學模式進行授課，教師講解知識點，學生聽課學習，課堂交流互動少，很難調動學生的學習興趣和積極性。

4）現有的Python 課程考核評價方式單一，教師大多數采用傳統編程語言的考核方式，比如以期末考試為主，導致學生的學習精力重點放在知識點的死記硬背上，較少關心知識點的靈活應用。

5）學生之間互動較少，同伴學習開展較少，教師布置的實驗練習大多以知識點為主，學生大多是單兵作戰，很少進行合作和互動，不利于培養和提高學生的團隊協同開發能力。

根據這些調研結果，筆者通過對PBL 教學方法(Project-Based Learning method)進行了深入分析，以學生興趣為主導，將大型主題程序項目案例分解成若干個小實驗，將小實驗與平時課程練習進行有機結合，構建一個興趣驅動、分散實現的案例教學方案，以提高學生分析項目、設計模塊、構建復雜系統的編程實踐能力。

1 PBL 實踐教學方法

傳統的軟件工程專業編程語言教學，如C 語言、Java 語言等，通常以知識點為導向，通過簡單的教學例子來輔助學生理解這些知識點。這種傳統的教學模式，通常是在個人電腦未大面積普及的情況下形成的，教學目的在于“知識點理解”，學生被動學習，很難對這些知識點進行融會貫通，且課程考核大多以試卷考試為主。

而隨著個人電腦的普及，大學生基本擁有個人電腦，有充足的時間進行編程語言知識點的實踐和練習，因此，程序語言教學應當以“知識發現”為主，而不再局限于“知識傳遞”。隨著大數據時代和人工智能時代的來臨，更需要致力于培養學生的計算思維、創新能力、解決問題能力和宏觀項目構建等軟實力，這正是教育部提出的新工科專業建設的具體要求。

PBL 教學方法最早由加拿大麥克馬斯特大學醫學院提出，是一種以學生為主體、以實踐為手段、以問題為導向的實踐案例教學方法[6]，因其能有效調動學生的學習興趣，培養學生的實踐動手能力和團隊溝通能力，而受到國內外教育界的重視[7]。

在PBL 教學方法中，P 包含雙重含義，既包含問題（Problem）的意思，也表達項目（Project）的意思[8]。教師通過分析課程的實踐特征和學生的學習基礎水平，提出適合于學生學習水平的問題，學生在教師的指導下，以小組為單位，構思、策劃和完成一個融合課程知識點的綜合項目，最終提高自身的技能水平，解決教師所提出的問題。

2 案例式實驗教學活動總體規劃與課時安排

2.1 總體規劃

基于PBL 的Python 程序設計課程案例式教學，主要聚焦于PBL 關注的三個核心問題，即學生、教師和項目。教師思考教學改革的方法與手段，對課程的實踐教學特征進行分析，研究學生的基礎水平，設計課程的考核方式，將傳統的知識點教學轉換為項目引導式的教學，通過與學生溝通交流，提出與課程相關的問題，構思出適合學生水平的項目要求，并圍繞這些問題和項目提供相關課程知識點的講解，提供相關教學資源。學生則根據教師提出的問題和項目，進行主動學習和協作學習，通過教師的知識點講授、問題引導和課程資源，與小組成員協同實現項目。

基于PBL 的Python 程序設計課程案例式實驗教學以問題為主線，總體規劃如圖1 所示。

圖1 基于PBL 的Python 程序設計課程總體規劃

2.2 教學內容及課時分布

Python 程序設計課程主要是讓學生掌握Python 語言的編程基礎，掌握第三方庫的使用，培養學生使用Python 語言分析問題和解決問題的能力。Python 語言程序設計課程一般作為電子信息類專業的通識課程，不同專業在開設該課程時，側重點可略有不同，課時根據學習內容可分為48-64課時不等。在面對軟件工程專業學生開設Python程序設計課程時，考慮到本專業學生本身的學習基礎較好，具備一定的編程實踐能力，且部分學生已有C、C++、Java 語言基礎，因此課程設為48 課時，分別使用翻轉式課堂教學進行Python 語言知識點教學（含練習），使用線上線下相結合的教學及學習方式。線下學時48 課時，其中，知識點理論學習占24 學時，實驗及項目交流24 學時，線上課時由學生根據自己的基礎和興趣安排。學習內容及學時分配如表1 所示。

表1 學習內容及學時分配

3 案例式實驗教學設計

3.1 課程實驗活動設計

本課程面向軟件工程專業大二、大三、大四的學生，學生本身具備一定的編程基礎，如果只是講Python 的知識點，容易使學生失去學習興趣，因此，必須將Python 語言與應用相結合，使得學生能學以致用，解決問題，才能提高他們的學習興趣。

本課程教學活動采用PBL 教學方法，將課程教學分為課程教學、課堂練習和課后實踐三部分。課程教學采用混合式教學，分為課堂學習和線上學習兩個部分，課堂學習由教師講授課程內容和知識點，線上學習作為補充。課堂練習是對教師講授課程知識點的實踐，學生通過對教師知識點的代碼演示進行舉一反三，對知識點融會貫通。

課后實踐由課后實驗和綜合項目組成。其中綜合項目在學期開始就由教師根據實際Python 項目開發熱點應用，提出若干個項目指導方向，學生根據自己的能力和興趣進行自由組隊，成員人數限制在3 ～5 人。團隊組長根據小組成員能力，選擇某個方向進行構思，在后面的學習過程中不斷完善規劃和設計。在綜合項目完成期間，小組分別完成需求分析和項目設計，代碼編寫和調試，撰寫項目進度表，最后完成綜合項目，并進行匯報和展示。而課后實驗則是在綜合項目的構思上，對綜合項目的分解，完成一個個實驗，并作為或修改作為綜合項目的模塊。

教師需在學生實驗和綜合項目過程中跟進，對學生小組的項目計劃和構思進行溝通交流，確定項目的可行性，能否在有限期間完成等內容，并對學生實現項目需要學習的內容進行指導。在學生將綜合項目分解為小實驗的過程中，對學生的實驗進行批改，指出存在的不足之處和修改意見，并就項目實現進度和小組長進行溝通，促使小組在規定的時間內可以保質保量地完成項目。項目完成后，學生需要對項目的實現過程進行總結，并提交實驗報告。教師最后會根據學生的過程質量、最終項目表現等進行考核。

3.2 線上補充學習

本課程的課堂知識點講授，是由教師對Python程序設計課程公共知識點進行講授。教師會給出與項目第三方庫的建議，而學生的項目可能會用到的第三方庫各有不同，需要學生進行線上補充學習。

北京理工大學嵩天教授的國家精品在線開放課程“Python 語言程序設計”在國內具有較高的知名度，已在中國大學MOOC 上開設多年，具有豐富的教學案例和庫的講解，因此，本課程將嵩天教授的“Python 語言程序設計”作為課程指定的線上補充學習課程。

作為補充，教師會推薦一些國內知名的線上社區給學生作為交流學習使用。這樣在他們遇到問題時，可以在這些線上社區向一些資深程序員求教。推薦的社區有Python 中國社區（https://pychina.org/）、Python 中文開發者社區（https://www.pythontab.com/）、CSDN 網站（https://www.csdn.net/）等。另外，課程教師還給學生推薦了幾個知名的公眾號，如“機器之心”“Python 小屋”“俊紅的數據分析之路”等。

3.3 線下翻轉學習

線下翻轉學習采用小規模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）教學形式。在學生線上學習完成之后，以學生小組為單位，教師組織線下教學活動，對學生的線上學習成果進行掌握和了解。

在線下翻轉學習中，通常以學生項目小組為單位，進行學習的交流和討論。先由學生對各自的學習內容進行匯報，講述自己的線上學習心得，包括各自負責的項目模塊有何益處、存在哪些問題。然后由小組成員進行討論交流，思考問題的解決方式。然后教師對問題的難點和重點進行講解，并回答學生們的問題。最后由教師進行總結。整個線下翻轉課堂兩節課的時長大約90 分鐘。翻轉課堂結束后，學生根據課堂討論交流的內容進行代碼實現，完成各自的模塊和實驗內容，并于下一次課程前完成各自的任務。線下翻轉課堂活動流程如圖2 所示。

圖2 線下翻轉課堂活動流程

3.4 教學資源

本課程教學活動設計使用的教學資源包含三方面的內容，分別為線下教學教材、線上學習平臺和作業交流平臺。

線下教學教材使用的是筆者編寫的《Python數據分析實戰》，該書2021 年在清華大學出版社出版，目前已重印三次。書中提供大量的練習和習題供學生使用，并配套相關的答案，還提供了相關視頻教學材料作為補充。

對于教學過程中擴展的內容部分，教師推薦中國大學MOOC 平臺作為補充，并提供一些著名的Python 社區，如Python 中國社區、Python 中文開發者社區、CSDN 網站供學生交流學習使用。特別推薦北京理工大學嵩天教授的國家精品在線開放課程“Python 語言程序設計”，該課程具有豐富的教學案例和庫的講解。中國大學MOOC 平臺具有簽到、互助答疑、問卷調查、學習考核等功能，能夠輔助教師進行分組討論、問題解答等課堂活動。

使用超星慕課平臺進行學生作業的提交和批改，該平臺可實現教師課程的資料上傳，作業限時發布，作業自動批改和考試等功能，能夠對簡單的知識點進行自動考核，減輕教師的教學工作量，幫助教師及時掌握學生的學習動態。

4 課程考核設計

由于課程使用的是案例式實驗教學，因此，課程考核摒棄了傳統編程語言，如C、C++、Java 期末試卷的考核形式。整個考核分為過程考核和期末考核兩個部分，成績使用量化形式計分，其中過程考核占60 分，期末考核40 分。

課程過程考核分為4 個部分，分別為練習成績和實驗成績。練習成績主要考查學生課堂學習過程中的知識點的掌握，包括練習結果、代碼規范程度、練習講解三個部分。實驗成績主要考查學生對章節知識的融會貫通，包括實驗結果、代碼規范程度、實驗分析、與綜合大項目的關系四個部分。

期末考核以綜合大作業形式進行考核，主要考查大作業的邏輯完整性、項目展示效果、項目復雜度和團隊合作效果四個部分。

具體課程考核細則如表2 所示。

表2 課程考核細則表

5 Python 案例式實驗教學效果評價

課程結束后，通過五個方面對基于PBL 的軟件工程專業Python 案例式實驗教學效果進行評估和檢驗，并根據評估結果進行反思和總結，以在下一次課程活動中改進。

1）進行統一的上機測試，對比應用PBL 實驗教學Python 課程班級（以下簡稱PBL 實驗班）和以往傳統Python 課程班級（以下簡稱傳統課程班）編程能力的差異。

2）課程結束之后，對比PBL 實驗班和傳統課程班學生的參賽獲獎情況，考查學生靈活應用Python 編程技術及項目創新能力。

3）進行問卷調查，對比PBL 實驗班和傳統課程班學生的學習興趣、學習收益及進一步學習意愿的差異。

4）跟蹤對比PBL 實驗班和傳統課程班的相關計算機等級證書通過率方面的差異。

5）跟蹤對比PBL 實驗班和傳統課程班畢業設計選用Python 語言的差異，并對比畢業設計評優的差異。圖3 為部分學生大作業的結果截圖。

圖3 部分學生大作業的結果截圖

6 結束語

基于PBL 的軟件工程專業Python 課程案例式實驗教學是一項很好的計算機編程語言教學改革嘗試，它針對軟件工程專業學生進行分析，以PBL 教學方法為指導，融合線上、線下教學方式，獲得了一定的教學效果提升。根據該實驗教學的結果，可以得出以下結論。

1）傳統以教師為主導，以知識點為教學核心的編程語言教學方式，已無法適應Python 這類應用型編程語言的教學模式。Python 教學應當以學生為中心，以項目、問題為主導，積極主動發現學生的興趣和結合當下應用熱點，課堂上組織學生自主討論和交流，提升學生興趣和課堂教學效果。

2）線上線下混合教學要靈活結合，線下教學應先把學生的基礎打好，在教師的引導和建議下，通過線上教學資源進行補充學習。學生在線上學習時，教師需要隨時掌握學生的學習動態，并及時發現他們線上學習中存在的問題。

3）解決問題是PBL 教學的根本，在進行Python語言教學時，需要引導學生結合自己的興趣解決專業應用相關問題，并在教師的建議指導下，學習相關擴展專業知識，最后解決問題。在這個過程中，教師只是引導作用，學生才是解決問題的核心，讓學生分析問題、解決問題，最終提高學生的動手實踐的能力，全方位鍛煉學生的項目開發能力。

4）小組合作學習有助于學生團隊協作能力的提升，有助于學生溝通表達能力的培養，無論在進行課堂練習還是綜合項目實踐中，應該多鼓勵學生之間的溝通和交流，特別是在進行分組時，更需要注意學生分組搭配的科學性。

5）線上教學平臺和線上補充教學資源是PBL教學活動一個重要的考量因素，應結合學校的具體情況和學生的習慣，認真開展調研和分析并將其靈活地融入教學活動設計。