以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的Python課程教學(xué)改革研究

摘要：隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性日益凸顯。Python語言因其簡潔性和易學(xué)性成為眾多高校公共計(jì)算機(jī)課程的首選編程語言。傳統(tǒng)的Python教學(xué)方法往往注重語法和編程技巧，而忽視了學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)。文章從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評價(jià)體系三個(gè)方面，提出了以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的Python課程教學(xué)改革方案，旨在提高學(xué)生的計(jì)算思維能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；案例教學(xué)；問題驅(qū)動(dòng)；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號：G642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0167-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算思維作為信息時(shí)代的一種重要思維方式，受到越來越多的關(guān)注。計(jì)算思維最早由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出，是指“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及理解人類行為等一系列的思維活動(dòng)”[1]。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象與自動(dòng)化，是將具體的實(shí)際問題抽象為可計(jì)算化的問題，然后進(jìn)行問題建模并設(shè)計(jì)出解決方案和步驟，再進(jìn)一步編碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算程序，最后解決問題。這種思維方式不僅提高了解決問題的效率，還培養(yǎng)了人們的創(chuàng)新思維和評判性思維能力。

在公共計(jì)算機(jī)課程中，計(jì)算思維的培養(yǎng)至關(guān)重要。首先，公共計(jì)算機(jī)課程作為大學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程，旨在提高學(xué)生的信息素養(yǎng)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算思維去思考問題和解決問題，為今后專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。其次，計(jì)算思維有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在計(jì)算思維培養(yǎng)的過程中，學(xué)生需要不斷嘗試新的方法、新的思路來解決問題，這些正是創(chuàng)新思維的重要來源。因此，在授課過程中可以通過案例分析和項(xiàng)目實(shí)踐，讓學(xué)生體驗(yàn)如何利用計(jì)算思維解決問題，從而激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

1 目前Python課程教學(xué)現(xiàn)狀

由于Python語言語法簡潔，非常適合初學(xué)者學(xué)習(xí)，而且其對于程序邏輯設(shè)計(jì)較為純粹，這樣能更好地訓(xùn)練學(xué)生抽象問題和設(shè)計(jì)算法的能力，這也正是計(jì)算思維培養(yǎng)的核心[2]。雖然 Python 語言簡潔易學(xué)，有利于計(jì)算思維的培養(yǎng)，但目前的 Python 課程教學(xué)仍存在一些問題。

1） 忽視計(jì)算思維的培養(yǎng)。Python課程是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，理論基礎(chǔ)知識點(diǎn)較多，對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說難以理解，需要勤思考多實(shí)踐。但在Python課程的實(shí)際教學(xué)過程中，很多教師將課堂的重點(diǎn)放在語法知識的講授上，而忽視了計(jì)算思維的培養(yǎng)。同時(shí)，教師教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上沒有很好地融入計(jì)算思維培養(yǎng)的核心。這些不僅不利于學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的不斷下降，影響教學(xué)質(zhì)量和效果。

2） 缺乏對計(jì)算思維培養(yǎng)的完整體系[3]。在授課過程中許多教師對計(jì)算思維的理解不夠深入，缺乏明確的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)模式較為單一，大多數(shù)仍以灌輸式的知識教學(xué)為主，無法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深層次的思考，不利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和解決問題能力。其次，在課程設(shè)置上缺乏連貫性和系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生難以形成完整的計(jì)算思維框架。

3） 缺乏科學(xué)合理的評價(jià)系統(tǒng)。目前，Python課程的評價(jià)方式主要是通過期末考試和全國計(jì)算機(jī)等級考試，重點(diǎn)考查學(xué)生知識點(diǎn)的掌握以及編程技巧和能力，這種單一的評價(jià)方式忽略了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的表現(xiàn)，無法全面反映學(xué)生的綜合素養(yǎng)。此外，現(xiàn)有的評價(jià)系統(tǒng)缺乏有效的反饋機(jī)制，使得教師不能及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求，無法制定具有針對性的教學(xué)方案和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 Python課程中計(jì)算思維的培養(yǎng)方法

如何有效地將計(jì)算思維融入課程的實(shí)際教學(xué)中，提高學(xué)生計(jì)算思維能力和解決問題的能力，一直以來都是計(jì)算機(jī)教育界極為關(guān)心的熱點(diǎn)問題。計(jì)算思維的概念對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說比較抽象，計(jì)算思維的培養(yǎng)不僅是培養(yǎng)學(xué)生編寫程序的思維，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生分析解決綜合問題的能力，而這種能力的培養(yǎng)需要真實(shí)的問題情境以及行之有效的教學(xué)方法[4]。因此，將計(jì)算思維融入 Python 課程教學(xué)，關(guān)鍵在于結(jié)合實(shí)際案例和系統(tǒng)訓(xùn)練。

在Python程序設(shè)計(jì)課程中有很多內(nèi)容都能很好地詮釋計(jì)算思維，可以利用這些生動(dòng)形象的案例有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。首先，引入實(shí)際案例，激發(fā)學(xué)生興趣。在教學(xué)過程中，教師可以引入數(shù)據(jù)分析、Web開發(fā)等案例，讓學(xué)生看到Python編程的實(shí)用性，理解計(jì)算思維在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力。其次，通過實(shí)際的知識點(diǎn)所涉及的內(nèi)容來系統(tǒng)學(xué)習(xí)和反復(fù)訓(xùn)練，以最終獲得計(jì)算思維的能力。在這個(gè)過程中，教師需要對知識點(diǎn)進(jìn)行深入剖析，并結(jié)合實(shí)際案例，設(shè)計(jì)訓(xùn)練內(nèi)容，幫助學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐之間建立有效聯(lián)系，使其真正掌握并靈活運(yùn)用計(jì)算思維。學(xué)生通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)知識點(diǎn)，逐步構(gòu)建計(jì)算思維的理論框架，并通過大量實(shí)踐訓(xùn)練，以此獲得計(jì)算思維能力。

3 以計(jì)算思維為導(dǎo)向的Python課程教學(xué)改革實(shí)踐

3.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出計(jì)算思維的核心要素

計(jì)算思維的要素分為抽象歸納、結(jié)構(gòu)分層、算法設(shè)計(jì)、調(diào)試優(yōu)化、模式識別、泛化遷移6個(gè)方面，從行為角度來看，利用計(jì)算思維解決問題分為確定問題、設(shè)計(jì)步驟、步驟實(shí)施、評估迭代、泛化推廣這5個(gè)步驟。在教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容可以圍繞計(jì)算思維的6個(gè)要素展開，通過計(jì)算思維解決問題的5個(gè)步驟引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，逐漸培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

在教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化過程中，必須精心設(shè)計(jì)教學(xué)策略，確保計(jì)算思維的核心要素能夠有效融入教學(xué)實(shí)踐中。在課程設(shè)計(jì)上，應(yīng)增加與計(jì)算思維直接相關(guān)的案例分析，這里以Python中常見的遞歸算法為例。遞歸算法是一種直接或間接調(diào)用自身函數(shù)的算法，將問題不斷分解為規(guī)模較小的子問題，然后遞歸調(diào)用方法來表示問題的解。遞歸算法可以簡化代碼，解決復(fù)雜問題，能很好詮釋計(jì)算思維中的分解、抽象以及自動(dòng)化的核心概念[5]。

猴子吃桃問題：猴子第1天摘了若干個(gè)桃子，當(dāng)即吃了一半，還不過癮，又多吃了一個(gè)。第2天又將剩下的桃子吃掉一半，又多吃了一個(gè)。以后每天都吃了前一天剩下的一半另加一個(gè)。到第10天想再吃時(shí)，就只剩下一個(gè)桃子了。求第1天共摘了多少個(gè)桃子？

1） 分析問題。由題意可知，每天剩余桃子的總數(shù)，都是之后一天桃子的總數(shù)。比如今天吃的桃子總數(shù)，是前一天吃剩的桃子，前一天的桃子數(shù)量，是吃剩的桃子數(shù)量加1后乘以2。因此，第10天還沒吃，就剩1個(gè)，假設(shè)第9天還沒吃之前有s個(gè)桃子，可得s/2-1=1，即s=（1+1）×2=4，得出第9天的桃子數(shù)量為4，以此類推，即可算出第一天摘了多少桃子。

2） 設(shè)計(jì)方案。定義i為吃過桃子的天數(shù)，s為桃子總數(shù)，利用while循環(huán)，當(dāng)滿足igt;0時(shí)執(zhí)行循環(huán)語句，運(yùn)用計(jì)算思維的遞歸思維，可得到s=2（s+1），每往前推一天，所用時(shí)間減少一天，即i=i-1，直到ilt;=0時(shí)，退出循環(huán)，輸出s。

3） 代碼實(shí)現(xiàn)。

def f（n）：" " " #求第n天的桃子數(shù)量

if n==10：

return 1

return （f（n+1）+1）*2

print（f（1））

4） 泛化遷移。在此類問題的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新問題，培養(yǎng)學(xué)生知識泛化遷移的能力，根據(jù)遞歸算法，學(xué)生可自主完成斐波那契數(shù)列的輸出問題。

3.2 改進(jìn)教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)知識教學(xué)與思維教學(xué)的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往側(cè)重知識灌輸，忽略了學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。本研究采用線上線下相結(jié)合的“四課一中心”混合式教學(xué)模式，具體流程如圖1所示。課前教師發(fā)布學(xué)習(xí)資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)并完成預(yù)習(xí)作業(yè)；課上精講重難點(diǎn)，并結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，讓學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，使知識能夠得到內(nèi)化和提升。課后進(jìn)行在線練習(xí)和測試，并加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。對于Python課程的語言基礎(chǔ)內(nèi)容可通過線上教學(xué)，有效彌補(bǔ)教學(xué)課時(shí)的不足，讓學(xué)生有更多的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)編程，這樣不僅有助于提高學(xué)生的動(dòng)手能力，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

在線下教學(xué)過程中，教師采用案例式教學(xué)和問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式。 案例式教學(xué)是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一系列有趣且貼近真實(shí)生活的案例，通過這些案例將學(xué)生引入一個(gè)真實(shí)情境中，啟發(fā)學(xué)生思考，讓他們更容易理解和掌握知識點(diǎn)。例如編程實(shí)現(xiàn)簡易購物系統(tǒng)，從中可以向?qū)W生介紹列表的基本操作、程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)等，讓學(xué)生了解到學(xué)習(xí)編程的實(shí)用性，可大大增加他們學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性；利用turtle庫繪制絢麗多彩的星光夜空，吸引學(xué)生的注意力，再向?qū)W生介紹turtle庫函數(shù)的基本使用方法、隨機(jī)函數(shù)的使用、函數(shù)調(diào)用等，讓學(xué)生了解到編程的趣味性，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣。由此可見，案例教學(xué)法將理論知識和實(shí)際操作緊密結(jié)合，不僅提高了課程教學(xué)效率，還提升了學(xué)生分析問題和解決問題的能力[6]。

在授課過程中，教師采用問題驅(qū)動(dòng)并結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行教學(xué)。上課前劃分好學(xué)習(xí)小組，每組5～6人，要求學(xué)生完成課前的慕課學(xué)習(xí)和預(yù)習(xí)測試題，并以小組為單位進(jìn)行問題收集[7]。課堂教學(xué)中，教師發(fā)布討論主題及相關(guān)練習(xí)內(nèi)容，并提出討論的具體要求，學(xué)生以小組的形式進(jìn)行討論。討論過程中，如果是共性問題，教師進(jìn)行講解，是個(gè)別針對性問題，教師可單獨(dú)指導(dǎo)。課堂以學(xué)生為中心，學(xué)生在討論過程中理解知識，學(xué)習(xí)中遇到的問題也可以在課堂上與老師和同學(xué)討論解決。討論完成后，各小組代表做主題陳述，教師進(jìn)行總結(jié)，點(diǎn)評其優(yōu)點(diǎn)和不足，提供完善建議并拓展問題，讓學(xué)生深入思考。這種混合式的教學(xué)模式，通過引導(dǎo)學(xué)生討論，激發(fā)學(xué)生對問題的思考和探究，有利于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力。同時(shí)，還能有效的增強(qiáng)教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)性。

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要環(huán)節(jié)。通過線上教學(xué)可適當(dāng)縮短理論教學(xué)的課時(shí)，從而加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教師可提前在學(xué)習(xí)通里布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，可分小組完成。通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生能更好地理解和吸收理論知識，并且能夠主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。對于綜合性的實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生可以從中學(xué)習(xí)到算法的選擇和優(yōu)化、代碼的編寫和調(diào)試，以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等知識，這些都是計(jì)算思維的重要組成部分。

3.3 完善評價(jià)體系

課程考核評價(jià)體系是評判教學(xué)效果的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是對教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評價(jià)反饋[8]。以期末考試作為課程考核的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，過于單一，不利于計(jì)算思維的培養(yǎng)，因此，完善評價(jià)體系，將計(jì)算思維納入評價(jià)范圍，全面評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。課程的評價(jià)方式分為過程性考核和期末考核，具體考核標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

過程性考核更側(cè)重學(xué)生學(xué)習(xí)過程，及時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，在計(jì)算思維培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用。過程性考核內(nèi)容包括上機(jī)實(shí)踐、作業(yè)、課堂表現(xiàn)和出勤。上機(jī)實(shí)踐主要考查學(xué)生分析問題和解決問題的能力，占過程性考核的40%，教師根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)情況評分，學(xué)生成績乘以上機(jī)實(shí)踐的權(quán)重值得到實(shí)驗(yàn)的最終考核成績。作業(yè)主要是圍繞每章節(jié)的重難點(diǎn)布置，結(jié)合線上一些拓展性的相關(guān)習(xí)題，以此考查學(xué)生的知識應(yīng)用和遷移能力，占過程性考核的30%。課堂表現(xiàn)主要是課上學(xué)生的發(fā)言和提問情況，主要考查學(xué)生思維能力和知識遷移能力，占過程性考核的20%，每個(gè)學(xué)生每學(xué)期至少一次課堂表現(xiàn)的機(jī)會(huì)。出勤主要考查學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，占過程性考核的5%。過程性考核的最終成績由各部分加權(quán)求和得到。期末考核是綜合性考核，主要考查學(xué)生知識的綜合應(yīng)用能力，考核內(nèi)容主要考查基本概念和基本理論，重點(diǎn)考查學(xué)生程序閱讀和編程實(shí)踐能力，題型包括單選題、填空題、程序閱讀題和編程題。最后，通過過程性考核和期末考核量化分值加權(quán)求和得到學(xué)生的綜合測評結(jié)果。因此，這種基于計(jì)算思維的Python課程評價(jià)體系能有效提升學(xué)生的編程能力和計(jì)算思維水平。

4 結(jié)束語

培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力對于信息時(shí)代至關(guān)重要。本文探討了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的Python課程教學(xué)改革，在分析教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了Python課程中計(jì)算思維培養(yǎng)的方法，以及教學(xué)改革的實(shí)施方案。未來研究將進(jìn)一步探索創(chuàng)新教學(xué)模式和評價(jià)機(jī)制，以更好地滿足學(xué)生需求，促進(jìn)計(jì)算思維的全面發(fā)展。

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【通聯(lián)編輯：王 力】