項目驅(qū)動的程序設計課程改革與實踐

曹曉葉

摘 要：程序設計類課程是計算機專業(yè)基礎課程，也是非計算機本科的基礎選修課程。通過分析語言教學現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)程序設計課程中學生參與度不高的問題，提出基于項目驅(qū)動的團隊協(xié)作教學模式。課堂教學以網(wǎng)絡爬蟲系統(tǒng)設計為模擬項目，通過改變語言教學體系，不僅激發(fā)了學生學習興趣，而且提高了學習效果，有效培養(yǎng)了學生的計算思維與綜合協(xié)作能力，使學生課堂參與度接近90%。

關鍵詞：項目驅(qū)動;團隊協(xié)作;程序設計課程;爬蟲系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 192344 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）002-0180-04

英標：The Reform and Practice in Project-Driven Programming Course

英作：CAO Xiao-ye

英單：（School of Computer Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640，China）

Abstract： Programming course is the basic course of computer specialty. It is also the basic elective course for non-computer undergraduate. Based on the analysis of the current situation and problems in language teaching， in order to solve the problem of insufficient participation of students in traditional programming courses， this paper proposes a project-driven teamwork teaching model. Classroom teaching takes the design of web crawler system as a simulation project to change the language teaching system. This model not only stimulates students interest in learning， but also improves their mastery of classroom content， so that students can constantly improve their computational thinking and comprehensive collaborative ability in the process of learning. Students participation in the classroom is close to 90%.

Key Words： project driven; team cooperation; programming course; crawler system

0 引言

計算機課程特點決定了教學需要以實踐為基礎，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與動手能力。目前高校程序設計類課程主要采用傳統(tǒng)教學模式，以理論指導實踐為原則，以教師為中心，而忽視了對學生應用能力的培養(yǎng)?；陧椖康慕虒W法就是為解決這一問題而提出的。本文通過在計算機課程，主要是程序設計類課程中選取合適的項目，將傳統(tǒng)教學方法與現(xiàn)代教學方法進行有機結(jié)合，以激發(fā)學生的學習積極性;從結(jié)構(gòu)、算法及代碼等不同方面培養(yǎng)學生的實踐能力以及分析、解決問題的能力;教學以學生為中心，提升學生的學習主動性。

項目驅(qū)動的教學是基于建構(gòu)主義理論發(fā)展起來的，其核心教育理念是讓學生學會積極解決問題，并構(gòu)建自己的知識框架;強調(diào)在“做中學”，認為一切學習都源于經(jīng)驗，主張學校學習要與實際生活相聯(lián)系，按照人類解決問題的思維方式安排教學活動。項目驅(qū)動教學法在國外已成為一個研究熱點，并形成一種教育教學理論。1979年，博雷泊最早將這種教學理論應用于語言教學實踐中;1987年，耶登提出應用任務型教學法設計課堂教學的過程、具體步驟與相關技巧。目前國內(nèi)對項目驅(qū)動教學法的研究大多集中于一線教育工作者，一線教師根據(jù)自己的教學實踐提出各自的教學模式與教學過程。雖然在操作過程上有所差異，但都是以學生為中心，強調(diào)項目設置與小組協(xié)作[1，3]。

針對國內(nèi)外目前主要教學案例，本文參考探究式教學、案例教學等教學模式，提出以學生為中心，以項目為載體。在教學活動中，學生在教師的組織與引導下，自主完成一個具體且有實際應用價值的產(chǎn)品設計開發(fā)。學生在設計開發(fā)過程中學習專業(yè)知識，實現(xiàn)對所學知識的融會貫通，并對其作進一步深入探索。

1 項目驅(qū)動教學模式

1.1 項目驅(qū)動教學模式涵義

項目驅(qū)動教學模式是教師通過設計一個典型“項目”而開展的教學實踐活動。項目選取以從簡單到復雜、從單一到綜合為原則，將教學知識點融入其中。引導、啟發(fā)、鼓勵學生以小組為單位，通過教師的理論講解先掌握相關基本知識點，然后分配學習任務，開展項目實踐活動，使學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，從而加深對知識的理解。完整的項目實踐使學生能夠?qū)⑾嚓P知識點融會貫通，并將理論與實踐相關聯(lián)，在真實情景中學習，增強知識遷移能力[1]。

1.2 教學模式特點

項目驅(qū)動教學模式以學生為中心，在整個教學活動中，學生是完成項目的主體，教師是項目設計者，以項目為主線，將知識點包含在整個項目過程中，學生通過項目接收與掌握知識點。其主要特點如下：①對于學生而言，提供了發(fā)展如計算思維、合作溝通能力等綜合技能的機會，相比傳統(tǒng)課堂教學，其對學生自主學習能力的要求更高，培養(yǎng)了學生的學習自信心，改善了其學習態(tài)度;②對于學習過程而言，學生帶著問題尋找解決方案，在學習活動中不斷對方案進行評估，不斷反思學習活動中的失誤，在特定框架內(nèi)作出決定，可活躍課堂氣氛，提升學生學習熱情;③在知識傳授方面，教師從關注知識與技能轉(zhuǎn)變?yōu)殛P注學生，從給出知識與技能轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑W生進行自主學習，學生從被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，從個體學習轉(zhuǎn)變?yōu)楹献魈剿鲗W習;④在課程教學內(nèi)容修訂方面，在原有課程內(nèi)容中強化課程理念，在項目案例設計中注重調(diào)動學生的主動性與積極性，強調(diào)對學生科學研究精神與職業(yè)道德的培養(yǎng)[2]。

2 項目設計與實施

項目選擇對于課程改革效果起著至關重要的作用，教師在項目選擇上要遵循以下原則：①項目一定要能用到課程相關知識點，使學生能將理論知識與實踐技能相結(jié)合;②項目要有一定的實際應用價值，讓學生在完成項目過程中獲得成就感;③項目要難易適中，太難的項目學生可能會選擇放棄，太容易則缺乏挑戰(zhàn)性，無法調(diào)動學生的積極性。項目選定之后，教師首先要通過一定理論講解讓學生掌握基本知識點，然后讓學生以小組為單位，根據(jù)不同分工劃分角色，明確各個角色的學習任務，引導學生開展項目實踐活動。讓學生按照軟件生命周期，完成需求分析、軟件設計、編碼實現(xiàn)及軟件測試等環(huán)節(jié)，通過小組答辯展示課程學習成果[3]。

整個項目設計與實施包括項目設計、項目實施與答辯幾個環(huán)節(jié)，在每個階段要求學生提供關鍵性文檔材料或完成作品，比如設計階段要有需求說明文檔，實施階段要有詳細功能設計文檔，答辯環(huán)節(jié)要有完成作品的系統(tǒng)展示。這些關鍵性的驗收資料確保教師能全過程地跟蹤學生學習進度和學習情況，并進行階段性檢查與控制，以保證學生按照計劃完成項目。

3 項目改革實踐

在高級語言程序設計課程中，課堂教學以網(wǎng)絡爬蟲系統(tǒng)設計為模擬項目，改變了傳統(tǒng)語言教學體系，不僅激發(fā)了學生學習興趣，而且提高了對課堂內(nèi)容的掌握程度，有效培養(yǎng)了學生的計算思維和綜合協(xié)作能力。

網(wǎng)絡爬蟲是一種自動抓取網(wǎng)頁，并解析與提取網(wǎng)頁內(nèi)容的程序。網(wǎng)絡爬蟲從一個給定的URL（Uniform Resource Locator）種子集出發(fā)，下載種子集中URL對應的網(wǎng)頁并解析網(wǎng)頁，提取新的URL加入URL隊列，同時存儲目標資源，如文字、圖片、視頻等，逐條訪問隊列中的URL，直到URL隊列為空或爬蟲任務目標達成為止[4]。

爬蟲項目實施步驟一般分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲3個階段[9]。第一步數(shù)據(jù)采集是指獲取想得到內(nèi)容URL中的html內(nèi)容，然后經(jīng)過第二步處理得到相應字段，最后通過第三步存儲到數(shù)據(jù)庫表中。爬蟲功能詳細設計流程實例如圖2所示。

本設計中爬蟲功能實現(xiàn)主要流程如下：①訪問百度題庫考研政治目錄，獲取各個章節(jié)題目數(shù)量及章節(jié)ID等信息;②通過對各章的chapterid等參數(shù)進行拼接，形成各章節(jié)題目對應的URL鏈接;③將各章題目的qid等信息存儲到臨時變量中;④通過對qid和題目詳情信息URL的拼接，獲取unicode 編碼題目信息的html文本信息;⑤通過手寫一個工具類UnicodeToCN 將unicode字符轉(zhuǎn)化成中文字符;⑥通過Java正則表達式獲取題目各字段信息;⑦利用上述試題信息建立相應試題類對象，并插入到數(shù)據(jù)庫中。

主題爬蟲在常規(guī)爬蟲基礎上添加了主題相似度計算模塊。主題爬蟲設計目標是優(yōu)先爬取與主題最相關的網(wǎng)頁，過濾與主題無關的網(wǎng)頁，以此限定主題爬蟲搜索范圍，提高工作效率。主題爬蟲一般工作流程如下：由用戶預先指定目標主題，給定URL種子集;下載種子集中URL對應的網(wǎng)頁，解析網(wǎng)頁并提取新的URL;根據(jù)主題相似度計算算法預測URL與主題相關度，過濾與主題無關的URL;將與主題相關的URL加入URL隊列，并且根據(jù)主題相似度從高到低排序，優(yōu)先爬取與主題相似度高的URL對應頁面，同時儲存任務目標資源，如文字、圖片、視頻等，直到URL隊列為空或爬蟲任務目標達成為止[5-6]。

融合LDA的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡主題爬蟲適用于有充足標簽化語料，且目標主題屬于語料標簽集范圍內(nèi)的情形[7]。如圖3所示為主題爬蟲工作流程：①設定URL種子集和目標主題，URL調(diào)度器初始化URL隊列;②從URL隊列中取一條URL，記錄URL相似度，爬取URL對應網(wǎng)頁，交給HTML解析器;③HTML解析器解析網(wǎng)頁，提取所有符合設定提取規(guī)則的URL，以及主題相似度計算依據(jù)的文檔;④用訓練好的LDA主題模型計算文檔主題向量，用訓練好的word2vec模型將文檔轉(zhuǎn)化為詞向量矩陣，輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡文本分類器;⑤得到網(wǎng)頁文檔的主題相似度，如果相似度高于設定閾值，從當前網(wǎng)頁保存目標資源，同時賦予提取的URL相似度權(quán)重，加入URL隊列，如果相似度低于設定閾值，則舍棄該網(wǎng)頁與所有URL;⑥URL隊列進行URL去重，按照URL的相似度排序;⑦重復步驟②～⑥直至URL隊列為空，或爬蟲任務目標達成為止。

其中，URL去重是爬蟲不可或缺的部分。爬蟲記錄已爬取過的URL列表，并對后續(xù)提取到的相同URL進行過濾，以避免重復爬取同一頁面。實驗中使用的方法來自python爬蟲框架scrapy，對URL進行MD5處理再存儲到哈希表中。MD5是一種消息摘要算法，能將較長的URL字符串轉(zhuǎn)化成128位散列值。該方法能較好地避免沖突，對內(nèi)存需求也較低。URL隊列使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是優(yōu)先級隊列，能快速查找相似度最高的URL并自動進行排序[8]。

分類問題評價指標主要有召回率（recall）、精確率（precision）和F1 Score。

主題爬蟲相關文檔可以分成4組：主題爬蟲爬取到的相關文檔（A）、主題爬蟲爬取到的不相關文檔（B）、相關但主題爬蟲沒有爬取到的文檔（C）、不相關且沒有被主題爬蟲爬取到的文檔（D）。

則召回率recall：

[recall=AA+C]

精確率precision：

[precision=AA+B]

F1 Score：

[F1Score=2*recall*precisionrecall+precision*100%]

召回率體現(xiàn)主題爬蟲爬取與主題相關文檔的能力，精確率體現(xiàn)主題爬蟲判斷文檔是否屬于該主題的能力，兩者通常呈負相關，所以同時采用F1 Score值作為綜合評價查全率與查準率的指標。

4 項目實驗與評價

為了驗證項目系統(tǒng)在實際網(wǎng)絡環(huán)境中運行的性能，設計了簡單的驗證實驗。實驗爬取目標是百度百科詞條頁面，設定爬取主題為“體育”。使用python模塊requests爬取網(wǎng)頁，然后使用python模塊BeautifulSoup解析爬取到的網(wǎng)頁，以提取想要的內(nèi)容。

用于判定相似度的文本取自頁面的詞條說明文本，其HTML標簽為