Python程序設(shè)計(jì)從知識(shí)型課程向能力培養(yǎng)型課程的改革實(shí)踐

馬文秀 李焱

摘要：在互聯(lián)網(wǎng)+教育新時(shí)代背景下，信息技術(shù)與教育的充分融合使得多維度混合教學(xué)模式的課堂創(chuàng)新得以實(shí)現(xiàn)。作為未來(lái)信息技術(shù)支持性工具的Python語(yǔ)言，也由引入到課堂的教改到如今的以Python為工具強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)的教改。站在學(xué)科的高度，注重與專(zhuān)業(yè)的交叉融合，我校對(duì)Python課程進(jìn)行了1+n模式的課程體系改革和課程內(nèi)容的重構(gòu)。多維度混合式教學(xué)由知識(shí)型課程向思維、能力型課程發(fā)展，改造傳統(tǒng)課程，創(chuàng)設(shè)新課程。

關(guān)鍵詞：Python語(yǔ)言;新教育時(shí)代;學(xué)科交叉;混合式教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）28-0162-02

1新教育時(shí)代的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的第五次信息技術(shù)革命的到來(lái)，以計(jì)算思維、智能思維和數(shù)據(jù)思維為主要特征的多元思維方式在各個(gè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。新技術(shù)賦能新教育時(shí)代，借助于中國(guó)大學(xué)MOOC、SPOC、線上訓(xùn)練平臺(tái)Pvthon123、校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)課堂Blackboard以及移動(dòng)APP學(xué)習(xí)通、雨課堂等信息化教學(xué)工具和平臺(tái)教師可以充分和靈活的設(shè)計(jì)教學(xué)模式和授課內(nèi)容。

新時(shí)代的學(xué)生都是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成長(zhǎng)起來(lái)的“數(shù)字原住民”，他們對(duì)現(xiàn)代技術(shù)充滿好奇，對(duì)課程充滿期待。作為教師需要理解網(wǎng)絡(luò)新生代，實(shí)踐和掌握新的教學(xué)手段和內(nèi)容，充分利用網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力。

教育部吳巖司長(zhǎng)在第十一屆“中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇”上的報(bào)告，強(qiáng)調(diào)全面振興本科教育，建設(shè)中國(guó)大學(xué)金課。大學(xué)生要有效“增負(fù)”，提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，拓展課程深度。對(duì)教師和學(xué)生都提出了較高要求。

Python語(yǔ)言語(yǔ)法簡(jiǎn)潔，跨平臺(tái)，開(kāi)源生態(tài)，有著豐富的第三方庫(kù)和眾多的應(yīng)用領(lǐng)域。目前已有約700多所院校開(kāi)設(shè)了Pv-thon程序設(shè)計(jì)課程。基于Python語(yǔ)言的教學(xué)資源非常豐富，在中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)有近40門(mén)關(guān)于Python語(yǔ)言及其應(yīng)用的課程。線上訓(xùn)練平臺(tái)Pythonl23也更趨完善。新時(shí)代的教育大環(huán)境已經(jīng)為課堂教學(xué)改革創(chuàng)造了無(wú)限空間，教師可以靈活的設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和開(kāi)展混合式教學(xué)模式。

2Python課程體系的建構(gòu)和課程內(nèi)容的重構(gòu)

Python是一門(mén)比較全面與平衡的語(yǔ)言，既能滿足系統(tǒng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，又能滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等領(lǐng)域的計(jì)算，同時(shí)又是與其他學(xué)科交叉的粘合劑。我校于2017年初組建了《Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》教學(xué)團(tuán)隊(duì)，將計(jì)算思維語(yǔ)言Python引入到我校大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)教育課程。歷經(jīng)三年的Python教學(xué)，不斷的積累教學(xué)資源，積極的探索教學(xué)改革模式。

在新教育時(shí)代，我校利用新工科思想努力探索計(jì)算機(jī)課程與專(zhuān)業(yè)課程的交叉融合發(fā)展，建設(shè)了適合于財(cái)經(jīng)類(lèi)院校的Py-thon課程群。對(duì)Python課程進(jìn)行了1+n即計(jì)算思維1+計(jì)算生態(tài)n的課程體系設(shè)置。

我校針對(duì)新生開(kāi)設(shè)《Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》必修課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的基本編程能力和計(jì)算思維能力。后續(xù)跟進(jìn)面向應(yīng)用實(shí)踐能力的Python若干選修課程《數(shù)據(jù)可視化技術(shù)Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)》《Python數(shù)據(jù)分析與挖掘?qū)崙?zhàn)》《Python之互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集》。學(xué)生可以根據(jù)導(dǎo)師建議或自己興趣在二年級(jí)自由選擇學(xué)習(xí)。

財(cái)經(jīng)類(lèi)學(xué)生最關(guān)心的是數(shù)據(jù)，應(yīng)具備數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展現(xiàn)的能力。Python也已經(jīng)在金融量化投資領(lǐng)域占據(jù)了重要的位置。

在課程建設(shè)和改革的新階段，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力的培養(yǎng)。教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建以學(xué)科交叉應(yīng)用和能力導(dǎo)向?yàn)橹?，?shí)踐能力以Python為主。例如網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)數(shù)據(jù)提取的原理是什么，數(shù)據(jù)分析的目的是什么。讓Python語(yǔ)言回歸本源，Python語(yǔ)言只是實(shí)踐的工具。

在教學(xué)內(nèi)容的組織中本著有趣、有用的原則合理的選擇案例。例如以圖形牽引興趣，用Python的Turtle繪圖庫(kù)設(shè)計(jì)圖形，建立圖形案例庫(kù)。讓學(xué)生在輕松有趣的學(xué)習(xí)氛圍中掌握Py-thon庫(kù)及庫(kù)函數(shù)的使用以及基本的Python語(yǔ)法。結(jié)合學(xué)生已有的數(shù)學(xué)方程式和代數(shù)知識(shí)建立有關(guān)數(shù)學(xué)分析的案例，例如：蒙特卡羅方法求解圓周率、列表篩選法求解質(zhì)數(shù)、枚舉法驗(yàn)證6174猜想、遞歸法繪制科赫曲線等。這些案例體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的特點(diǎn)、規(guī)律和方法，突出了對(duì)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。同時(shí)結(jié)合財(cái)經(jīng)類(lèi)學(xué)生建立了Python獲取財(cái)經(jīng)數(shù)據(jù)的案例、Py-thon淺析股票數(shù)據(jù)、Python財(cái)經(jīng)數(shù)據(jù)的可視化分析、Python金融時(shí)間序列分析等案例。這些案例融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和學(xué)科專(zhuān)業(yè)的交叉應(yīng)用，可以提高學(xué)生用計(jì)算機(jī)解決專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力。

3多維度混合教學(xué)模式的課堂創(chuàng)新

3.1“教”與“學(xué)”的混合

在Python課程的教學(xué)中開(kāi)展基于中國(guó)大學(xué)MOOC和校內(nèi)精品課程網(wǎng)站的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)形式。將部分“教師講授”內(nèi)容以MOOC來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)體課堂更多的是教師引導(dǎo)下的學(xué)生自主式、參與式、探究式、合作式學(xué)習(xí)。

結(jié)合與Python教材配套的中國(guó)大學(xué)MOOC課程，將Python語(yǔ)言的概述、開(kāi)發(fā)環(huán)境配置以及Python語(yǔ)法基礎(chǔ)都在線上MOOC中完成。為了確保學(xué)習(xí)效果以及對(duì)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的督查，教師需要提供預(yù)習(xí)任務(wù)單，學(xué)生實(shí)現(xiàn)課前淺層學(xué)習(xí)。任務(wù)單及學(xué)習(xí)公告通過(guò)手機(jī)學(xué)習(xí)通發(fā)布，可以及時(shí)傳達(dá)到每個(gè)學(xué)生。

例如對(duì)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型和math庫(kù)的學(xué)習(xí)，首先擬定預(yù)習(xí)任務(wù)單：Python語(yǔ)言數(shù)值型數(shù)據(jù)和字符串的表示方法是什么？寫(xiě)出Python語(yǔ)言常用的運(yùn)算符和以下Python表達(dá)式的結(jié)果？用math庫(kù)完成階乘和三角函數(shù)的運(yùn)算。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下有目的地進(jìn)行線上MOOC學(xué)習(xí)并完成預(yù)習(xí)的作業(yè)。

在Python語(yǔ)言的教學(xué)中，重視實(shí)踐應(yīng)用，不去過(guò)多的追究語(yǔ)法細(xì)節(jié)。在基本編程能力培養(yǎng)中，采用類(lèi)比編程法和母題衍生法，學(xué)生在已掌握的代碼基礎(chǔ)上，尋找差異，激發(fā)創(chuàng)新。題目的選擇原則是與學(xué)生掌握的數(shù)學(xué)知識(shí)和財(cái)經(jīng)類(lèi)課程結(jié)合。例如：階乘算法、組合數(shù)的計(jì)算、斐波那契數(shù)列、個(gè)稅計(jì)算、期權(quán)定價(jià)、理財(cái)產(chǎn)品收益計(jì)算等。重在培養(yǎng)學(xué)生用最簡(jiǎn)單的知識(shí)技能組合解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

翻轉(zhuǎn)課堂中，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)以及不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。

3.2“老師”與“學(xué)生”的混合

混合式教學(xué)模式重新詮釋了教學(xué)中，老師與學(xué)生的角色任務(wù)。教師是學(xué)習(xí)資源的構(gòu)建者，學(xué)習(xí)情景的創(chuàng)設(shè)者，學(xué)習(xí)活動(dòng)的引導(dǎo)者。學(xué)生除了積極學(xué)習(xí)還要承擔(dān)責(zé)任、迎接挑戰(zhàn)、樂(lè)于合作、善于分享。

在線下實(shí)體課堂，教師將根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的完成情況，選擇重難點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性講解。并把教學(xué)內(nèi)容組織成測(cè)驗(yàn)題目，學(xué)生可以在課堂解答相應(yīng)題目也可以通過(guò)手機(jī)學(xué)習(xí)通搶答。教學(xué)的實(shí)施，由強(qiáng)化“教”轉(zhuǎn)為強(qiáng)化“學(xué)”，提升了學(xué)習(xí)效果。

學(xué)生講述學(xué)生評(píng)價(jià)，我們對(duì)班級(jí)進(jìn)行了小組劃分。40人的班級(jí)可以分成7-8個(gè)小組，小組成員可以按宿舍劃分，以便成員間的大作業(yè)項(xiàng)目協(xié)作和課下討論。在同一個(gè)小組里，隨機(jī)選擇學(xué)生講解課堂內(nèi)容或者是預(yù)習(xí)的MOOC內(nèi)容，小組成員從學(xué)習(xí)效果與深度兩方面給予考評(píng)。

根據(jù)學(xué)習(xí)效果金字塔的統(tǒng)計(jì)，主動(dòng)學(xué)習(xí)如教授他人學(xué)習(xí)成效為90%、主動(dòng)實(shí)踐學(xué)習(xí)成效為70%、小組討論學(xué)習(xí)成效為50%，而被動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)成效只有30%以下。所以生講生評(píng)教學(xué)模式強(qiáng)化了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，通過(guò)學(xué)生自己講授強(qiáng)化了對(duì)課堂內(nèi)容的理解深度。

Python教學(xué)中我們還積極采用探究擴(kuò)展式教學(xué)模式，在講授完P(guān)ython基本語(yǔ)法和數(shù)據(jù)類(lèi)型以后每完成一章內(nèi)容就進(jìn)行一次大作業(yè)的布置。大作業(yè)一般是由若干功能模塊組成的案例式作業(yè)，由小組協(xié)作完成。例如組合數(shù)據(jù)類(lèi)型結(jié)合詞頻統(tǒng)計(jì)詞云輸出的案例作業(yè)，作業(yè)中涉及第三方庫(kù)Wordcloud和jieba庫(kù)的安裝和使用，文件的讀寫(xiě)操作，詞頻統(tǒng)計(jì)算法的設(shè)計(jì)以及詞云布局等模塊任務(wù)。項(xiàng)目完成后以小組名義提交程序和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。小組研討，項(xiàng)目探究，這種教學(xué)模式，可以促進(jìn)學(xué)生提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作探索與研究能力。

課堂上教師選擇學(xué)生講解案例，教師對(duì)案例進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、發(fā)現(xiàn)閃光點(diǎn)要給予肯定和鼓勵(lì)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤要講解正確的案例求解。這個(gè)過(guò)程不僅是“教”知識(shí)，更重要的是強(qiáng)化了知識(shí)的運(yùn)用。教師可以在更高層次上引導(dǎo)學(xué)生對(duì)案例項(xiàng)目進(jìn)行迭代，例如詞頻統(tǒng)計(jì)的案例，可以結(jié)合學(xué)生論文介紹關(guān)鍵字抽取方法、中文文本向量化、文本聚類(lèi)等概念、算法及應(yīng)用。目標(biāo)是拓展學(xué)生的思維、研究及創(chuàng)新能力。

3.3“趣味性”與“實(shí)用性”的混合

在Python入門(mén)教學(xué)階段，我們采用以圖形牽引興趣的方法來(lái)介紹Pvthon程序的編寫(xiě)。Python的turtle庫(kù)是一個(gè)直觀有趣的圖形繪制庫(kù)，激發(fā)Python學(xué)習(xí)興趣，就從turtle開(kāi)始。

在授課的第一單元，我們把turtle繪圖融人Python編程思想中，通過(guò)圖形的繪制介紹Python語(yǔ)法。例如庫(kù)的導(dǎo)人，庫(kù)函數(shù)的使用以及函數(shù)封裝等概念。給學(xué)生布置的作業(yè)是提交tur-tle創(chuàng)意圖形作品。圖形很直觀地讓學(xué)生感受到編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)字藝術(shù)之美，激發(fā)了藝術(shù)創(chuàng)新思維，提升了學(xué)習(xí)興趣。是學(xué)生最喜歡的作業(yè)之一，產(chǎn)生大量的優(yōu)美作品。教師和學(xué)生都可以上傳優(yōu)秀作品到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行展示，例如：Pythonl23教學(xué)平臺(tái)的turtle創(chuàng)意作品展示區(qū)。有的同學(xué)為了達(dá)到作業(yè)個(gè)性化創(chuàng)意的要求，主動(dòng)上網(wǎng)查閱資料，很好地激發(fā)了學(xué)生的自學(xué)能力。

教學(xué)的第二單元是turtle繪圖進(jìn)階，引入程序結(jié)構(gòu)，參數(shù)化和遞歸及分形的概念。例如從五角星的繪制延伸擴(kuò)展到五星紅旗的繪制可以在順序結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入循環(huán)結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)以及函數(shù)封裝和參數(shù)的傳遞算法。在Blackboard平臺(tái)設(shè)置討論區(qū)，師生一起探討“Python的語(yǔ)法特點(diǎn)以及代碼規(guī)范”有針對(duì)性的提高程序的質(zhì)量。

通過(guò)兩個(gè)單元的學(xué)習(xí)，學(xué)生在輕松有趣的氛圍里已經(jīng)掌握了Python簡(jiǎn)單程序的編寫(xiě)，理解了Python的語(yǔ)法要素?？梢阅７轮ゾ帉?xiě)相類(lèi)似的一些程序，舉一反三。比如介紹溫度轉(zhuǎn)換程序，學(xué)生就會(huì)編寫(xiě)貨幣轉(zhuǎn)換程序，介紹天天向上能力積累的問(wèn)題，學(xué)生就會(huì)編寫(xiě)貸款利息計(jì)算、理財(cái)產(chǎn)品收益計(jì)算等類(lèi)似算法的程序。學(xué)生通過(guò)描紅、臨摹到獨(dú)立操刀，通過(guò)各種實(shí)際應(yīng)用練習(xí)，主動(dòng)思考和實(shí)踐，不斷提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

我們生活在一個(gè)圖形的世界里，圖形讓現(xiàn)實(shí)生活變得豐富多彩，學(xué)會(huì)利用圖形來(lái)分析和解決問(wèn)題，既是現(xiàn)實(shí)生活的需要，也是圖形編程的重要內(nèi)容。前面單元的turtle圖形編程讓學(xué)生增加了學(xué)習(xí)興趣，那么后續(xù)單元的圖像處理和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，更有助于我們解決實(shí)際生活和學(xué)習(xí)中的問(wèn)題。

Python的PIL庫(kù)是一個(gè)具有強(qiáng)大圖像處理能力的第三方庫(kù)，不僅包含了豐富的像素、色彩操作功能，還可以用于圖像歸檔和批量處理。學(xué)生只需編寫(xiě)10行左右的代碼，就可以得到漂亮而神奇的圖像處理結(jié)果。感受自己編寫(xiě)的圖像處理濾鏡程序，看著滿意的圖像效果圖，學(xué)生心里充滿著成就感。沒(méi)有什么比快樂(lè)學(xué)習(xí)更重要了。

財(cái)經(jīng)類(lèi)專(zhuān)業(yè)要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)是枯燥的，然而Python的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是非常強(qiáng)大的。在Python金融數(shù)據(jù)可視化方面，無(wú)論是傳統(tǒng)的K線圖，還是現(xiàn)在的策略分析，都可以使用Python的Pandas和Matplotlib來(lái)繪制出美觀大方的金融圖形，為企業(yè)的決策提供便利。

4結(jié)語(yǔ)

在互聯(lián)網(wǎng)+教育新時(shí)代，大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程體系與內(nèi)容的設(shè)置更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生計(jì)算思維及能力的培養(yǎng)。Python語(yǔ)言易讀寫(xiě)、開(kāi)源跨平臺(tái)以及豐富類(lèi)庫(kù)等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，使財(cái)經(jīng)類(lèi)學(xué)生更容易掌握使用Python編程方法來(lái)完成數(shù)據(jù)的分析與處理。大規(guī)模MOOC加翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)模式探索和實(shí)施，更加強(qiáng)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和探究創(chuàng)新性。Python知識(shí)學(xué)習(xí)與能力訓(xùn)練的混合、開(kāi)源代碼與個(gè)性創(chuàng)新的混合、藝術(shù)想象與科學(xué)思維的混合都是在遵循教育目標(biāo)與教學(xué)規(guī)律前提下的多維度的融合與課堂創(chuàng)新。