興趣導(dǎo)向下的Python 程序設(shè)計課程教學(xué)模式研究

趙美林

（三峽大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，社會的發(fā)展，世界高等教育也在發(fā)生革命性變化。 2006 年， 美國 CMU 大學(xué)的周以真（ Jeannette M.Wing）教授提出了“計算思維”的概念，倡導(dǎo)高等教育要培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)科學(xué)去求解問題的能力。 2016 年提出的“新工科”概念，更是受到教育部的密切關(guān)注和大力支持， 在不到一年的時間里，就組織各大高校進(jìn)行深入探討， 先后形成了 “復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項目的通知》，奠定了其在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的戰(zhàn)略地位。2018 年4月教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，要求推動“新工科”建設(shè)，新工科專業(yè)主要包括大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)工科專業(yè)。

人類日益普及的網(wǎng)絡(luò)行為、全世界企業(yè)系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備、 各類傳感器等產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)信息， 各政府部門和企業(yè)等都看到了大數(shù)據(jù)的價值， 這也使得 “新工科”中的“大數(shù)據(jù)”備受關(guān)注，成為應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。在2018 年3 月教育部公布的2017 年度新增備案本科專業(yè)中，“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)”最為熱門。據(jù)統(tǒng)計，共有200 余所高校新增 “數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)”專業(yè)。 未來社會將會是以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的社會， 企業(yè)的各項決策都要以數(shù)據(jù)為依據(jù)， 這就要求高校培養(yǎng)的學(xué)生對大數(shù)據(jù)的認(rèn)知要有所提升， 應(yīng)該具備一定的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，即：

第一，對數(shù)據(jù)的敏感度，既能了解數(shù)據(jù)的價值，又能認(rèn)識到數(shù)據(jù)的局限性；第二，對數(shù)據(jù)的收集能力；第三，對數(shù)據(jù)的分析、處理能力，能夠讀懂各種數(shù)據(jù)表達(dá)的含義；第四，利用數(shù)據(jù)進(jìn)行決策的能力。 在大數(shù)據(jù)時代， 數(shù)據(jù)素養(yǎng)應(yīng)該成為我們適應(yīng)潮流、 應(yīng)對挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)素養(yǎng)之一。

程序設(shè)計作為計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的核心課程，承載著培養(yǎng)學(xué)生“計算思維”、“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的責(zé)任。 但是長期以來，我國高校的程序設(shè)計課程主要開設(shè)C 語言程序設(shè)計課程和VB 程序設(shè)計課程， 學(xué)習(xí)完畢之后就被束之高閣， 幾乎不會再用， 無法滿足非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生在后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)中繼續(xù)使用該語言解決問題的需求。

1 Python 語言優(yōu)勢

Pyt hon 語言是一種既支持面向過程、 又支持面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，而且，語法簡潔、易讀。 另外，Python是開源的編程語言， 擁有豐富而強(qiáng)大的擴(kuò)展庫、 優(yōu)良的可擴(kuò)展性和可移植性， 它還是一種靈活的粘合語言，可以把用其他語言編寫的模塊聯(lián)接在一起。

1.1 語法簡單、入門容易

我國高校的基礎(chǔ)程序設(shè)計課程主要開設(shè)C 語言和VB 語言程序設(shè)計課程，雖然這類語言應(yīng)用廣泛，但是存在著學(xué)習(xí)難度大， 入門困難的問題， 幾乎一大半的教學(xué)時間都要用于語言本身的講授， 尤其是對于非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，入門學(xué)習(xí)更是困難。 因此，在基礎(chǔ)程序設(shè)計課程的教學(xué)中， 需要兼顧不同專業(yè)學(xué)生的接受能力，選擇一種語法簡單、入門容易、應(yīng)用廣泛的程序設(shè)計語言。

Python 是一種代碼簡潔、語法簡單、上手容易的高級程序設(shè)計語言，實(shí)現(xiàn)相同功能的代碼量只有C 語言的五分之一到十分之一， 而且應(yīng)用范圍廣泛， 不管對于剛剛接觸程序設(shè)計語言的學(xué)生， 還是已經(jīng)有了一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生，Python 都能夠滿足他們不同的學(xué)習(xí)需求。 目前，全國已有多所高校，如北京理工大學(xué)、南京大學(xué)、 國防科技大學(xué)等都開設(shè)了Python 程序設(shè)計課程。

1.2 擴(kuò)展庫豐富，功能強(qiáng)大

Python 作為一種開源的程序語言，具有非常豐富的擴(kuò)展庫，而且應(yīng)用非常廣泛。 目前，Python 語言擁有的各類擴(kuò)展庫已經(jīng)超過10 多萬個。[1]這也大大方便了我們在教學(xué)過程中， 根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和不同專業(yè)的學(xué)生需求來選擇不同深度的擴(kuò)展庫來開展實(shí)際教學(xué)。 對于Python 基本語法和基本程序結(jié)構(gòu)、 函數(shù)等內(nèi)容的講解可以借助于相對比較簡單的、 內(nèi)置的turtle 繪圖庫，或者是Matplotlib 二維繪圖庫， 通過圖形的繪制讓學(xué)生對Python 運(yùn)行結(jié)果有一個直觀的認(rèn)識； 科學(xué)計算可以使用NumPy 庫； 機(jī)器學(xué)習(xí)可以使用Scikit-learn 庫， 深度學(xué)習(xí)可以使用TensorFlow 框架； 網(wǎng)絡(luò)爬蟲既有學(xué)習(xí)容易、 適合于小規(guī)模爬蟲的requests 庫， 也有更加專業(yè)、速度更快、 適合于中等規(guī)模爬蟲的Scrapy 爬蟲框架；Python 對中文的支持也比較友好， 有專門用于中文分詞的jieba 庫； 還有可以制作云標(biāo)簽的wordcloud 庫。Python 語言構(gòu)成了一個功能強(qiáng)大的計算生態(tài)圈。

1.3 利于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和數(shù)據(jù)素養(yǎng)

Python 語言是一種輕語法、 入門容易的編程語言，學(xué)生可以減少在學(xué)習(xí)編程語言本身所花費(fèi)的時間，能夠?qū)⒏嗟木ν度氲椒治鰡栴}、 解決問題的深入思考上， 有利于培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)語言解決實(shí)際問題的能力。 我們正在進(jìn)入一個以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的大數(shù)據(jù)時代，而Python 豐富的擴(kuò)展庫中，既有可以獲取大量信息的多個爬蟲擴(kuò)展庫， 又有可以用于數(shù)據(jù)分析、 數(shù)據(jù)挖掘的擴(kuò)展庫，可以充分滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需求。Python 語言良好的計算生態(tài)圈非常有利于學(xué)生計算思維和數(shù)據(jù)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1.4 受用終身的語言

Python 語言的易學(xué)易用和豐富的開源庫將會給學(xué)生帶來一個全新的程序設(shè)計認(rèn)識， 它既可以開發(fā)網(wǎng)站、爬取數(shù)據(jù)，又可以做數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)挖掘、可視化展示，還可以處理圖像、制作影視特效、進(jìn)行游戲設(shè)計等，用武之地非常之廣泛。Python 是一門讓學(xué)生會終身受用的編程語言， 可以幫助他們更好地利用計算機(jī)解決學(xué)習(xí)、工作中所面臨的各類計算問題。

2 Python 程序設(shè)計課程教學(xué)模式改革

2.1 教學(xué)過程中淡化語法

在傳統(tǒng)程序設(shè)計課程的教學(xué)過程中， 非常注重程序語言本身語法的講解。 在課程講授之初， 就會花費(fèi)大量的課時講解程序語言的語句構(gòu)成元素、 數(shù)據(jù)類型、 三大基本結(jié)構(gòu)等語法內(nèi)容， 使剛剛接觸程序設(shè)計語言的大一新生直接面對枯燥、 乏味的語法知識，令其心生畏懼， 甚至認(rèn)為程序設(shè)計語言就是 “枯燥、乏味”的代名詞，從而產(chǎn)生畏難心理，失去學(xué)習(xí)的興趣。因此， 程序設(shè)計語言課程講授之初， 應(yīng)該淡化語法知識的內(nèi)容，重在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 建立以興趣為導(dǎo)向的教學(xué)模式

美國當(dāng)代著名的教育心理學(xué)家奧蘇伯爾提出了有關(guān)興趣教學(xué)的理論。 他認(rèn)為， 機(jī)械教學(xué)是一種死記硬背的記憶性的學(xué)習(xí)， 而帶有興趣的教學(xué)是一種以思維為核心的理解性學(xué)習(xí)。[2]興趣是最好的老師，只有學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容感興趣時， 才能學(xué)得最好。 課堂教學(xué)僅靠教師一個的努力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 需要師生的共同努力， 只有充分調(diào)動學(xué)生的積極性、 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能更好地完成課堂教學(xué)。

2.2.1 漸進(jìn)式實(shí)例教學(xué)

要在教學(xué)過程中激發(fā)、并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就不能采用平鋪直敘的方式來講解Python 語言的各語法和知識點(diǎn)， 必須根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的興趣點(diǎn)來設(shè)計教學(xué)案例，以“漸進(jìn)式實(shí)例”來引導(dǎo)學(xué)生從基本問題到復(fù)雜問題的逐步深入學(xué)習(xí)。 充分利用Python 語言的優(yōu)勢和豐富的擴(kuò)展庫，讓學(xué)生感受到Python 語言的魅力，培養(yǎng)學(xué)生的編程興趣， 讓學(xué)生掌握利用計算機(jī)解決問題的方法，提升利用計算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。

教學(xué)案例應(yīng)該以圖形化案例為主， 圖形化的案例既可以給學(xué)生視覺上的沖擊， 又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 更重要的是， 選取的教學(xué)案例既要有一定的趣味性，又不能過于復(fù)雜，要由淺及深，能夠較好地融會貫通各相關(guān)知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

Python 語言的Turtle 庫是一個簡單、 易用的繪圖庫，可以將其作為Python 語言學(xué)習(xí)的入門庫。在講解程序設(shè)計的三大基本結(jié)構(gòu)時， 利用Turtle 庫繪制不同的多邊形來逐步展開。 首先， 通過引導(dǎo)學(xué)生思考如何手動繪制一個等邊三角形， 進(jìn)而引出如何利用Turtle 庫繪制及順序結(jié)構(gòu)的概念； 其次， 利用繪制三角形時的轉(zhuǎn)角問題，引出分支結(jié)構(gòu)的概念，從而，讓學(xué)生體驗到如何在一段代碼中繪制兩個不同方向的三角形；最后， 引導(dǎo)學(xué)生思考， 如果要繪制邊數(shù)較多的復(fù)雜多邊形時， 該如何處理， 進(jìn)一步引出利用循環(huán)結(jié)構(gòu)來簡化繪制代碼。 這樣，由繪制一個簡單的等邊三角形，讓學(xué)生由淺入深地逐步理解了程序設(shè)計的三大基本結(jié)構(gòu)。之后， 讓學(xué)生思考代碼重用的問題， 從而引出對函數(shù)概念的講解及函數(shù)的調(diào)用。

為了能夠繼續(xù)探索學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 應(yīng)再選取一些漸進(jìn)型案例。 例如， 讓學(xué)生自定義繪制五角星的函數(shù)，并繪制一面五星紅旗；接著，通過介紹random 庫，讓學(xué)生了解隨機(jī)函數(shù)的使用， 并讓學(xué)生自己編寫一段繪制隨機(jī)五角星的代碼， 以強(qiáng)化學(xué)生對函數(shù)以及隨機(jī)函數(shù)的使用。 要真正成就學(xué)生的編程興趣， 還應(yīng)該選取一些開放性案例， 在這類案例中， 不必設(shè)定具體的實(shí)驗?zāi)繕?biāo)，如，介紹簡單的小蟒蛇的繪制方法后，讓學(xué)生理解并修改代碼，繪制出自己喜愛的“花樣”小蟒蛇來， 這更有利于調(diào)動學(xué)生主動性， 甚至可以讓學(xué)生根據(jù)自己的喜好，繪制各種有趣的圖形，相互品鑒，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力和成就感。

另外，還要選取一些趣味性較強(qiáng)的案例，以保持學(xué)生激發(fā)出來的濃厚學(xué)習(xí)興趣。 例如，案例中可以融合一些有趣的歷史文化故事，讓學(xué)生進(jìn)行情景編程，或是列舉一些與現(xiàn)實(shí)結(jié)合比較緊密的案例、 應(yīng)用比較熱的案例，例如，可以利用jieba 擴(kuò)展庫對自己感興趣的文學(xué)著作進(jìn)行詞頻統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)著作中的主要人物，通過對英語四、六級考試中的閱讀材料的詞頻統(tǒng)計可以找到出現(xiàn)的高頻詞匯， 以此來幫助英語復(fù)習(xí)， 并且還可以結(jié)合wordcloud 擴(kuò)展庫進(jìn)行可視化的詞云展示。讓學(xué)生深刻體驗到編程是一件有趣的、而且很有用處的事情。

2.2.2 翻轉(zhuǎn)課堂

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中， 往往都是以老師為主進(jìn)行課堂講授，學(xué)生被動接受，致使學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。 在Python 程序設(shè)計教學(xué)過程中，可以選取部分內(nèi)容，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方式，讓學(xué)生變被動為主動，教師進(jìn)行課堂輔導(dǎo)。例如，在講解利用python 編寫網(wǎng)絡(luò)爬蟲的內(nèi)容時， 可以先讓學(xué)生查閱相關(guān)資料， 并結(jié)合中國大學(xué)MOOC 網(wǎng)上由北京理工大學(xué)嵩天教授講授的“Python網(wǎng)絡(luò)爬蟲與信息爬取” 課程， 進(jìn)行課前學(xué)習(xí)。 在課堂上， 讓學(xué)生互相交流學(xué)習(xí)體會， 探討學(xué)習(xí)中遇到的問題， 教師進(jìn)行引導(dǎo)講授， 并以項目的形式給出一個實(shí)踐案例，讓學(xué)生實(shí)際動手來編寫爬蟲代碼。

“翻轉(zhuǎn)課堂”可以增加學(xué)生和教師間的互動和個性化溝通， 提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性， 教師化主為輔，為學(xué)生營造一個自主學(xué)習(xí)的環(huán)境。

3 結(jié)語

在以興趣為導(dǎo)向的教學(xué)過程中，改變了以往課堂教學(xué)方式，以學(xué)生的興趣為起點(diǎn)，通過漸進(jìn)式趣味性案例的講解，使學(xué)生對程序設(shè)計產(chǎn)生濃厚的興趣，并結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)理念，進(jìn)一步激發(fā)其學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。 在后續(xù)的教學(xué)研究中，將根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)和需求，深入探索如何將Python 程序設(shè)計課程與專業(yè)需求緊密結(jié)合，提高學(xué)生利用Python 解決實(shí)際問題的能力。