新工科視角下以計算思維為導(dǎo)向的高職Python程序設(shè)計公共課程教學(xué)改革研究

肖卓宇 黃俊 徐運標(biāo) 陳果 郭杰

摘要：針對新工科視閾下高職學(xué)生程序設(shè)計公共課程實踐能力欠缺的問題，以公共課程Python程序設(shè)計為例，通過Python基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知識點與計算思維能力映射、Python numpy庫知識點與計算思維能力映射、Python pandas庫知識點與計算思維能力映射、Python matplotlib庫知識點與計算思維能力映射4個模塊對公共課程Python程序設(shè)計進(jìn)行教學(xué)改革。實驗結(jié)果證明，引入計算思維技能的教學(xué)改革有助于提升高職學(xué)生程序設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：新工科;計算思維;Python程序設(shè)計;映射;計算思維能力

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0154-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 前言

2018年3月15日，教育部辦公廳發(fā)布《教育部辦公廳關(guān)于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》[1]。新工科專業(yè)主要指針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，包括大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)工科專業(yè)[2]。2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任周以真提出計算思維（ Computational Thinking）的概念，計算思維是運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為[3]。肖卓宇[4-6]等人基于計算思維的教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)課程及考核方式進(jìn)行了教學(xué)改革。文獻(xiàn)[7]引入計算思維對課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就行了深入研究，取得了較好的效果。文獻(xiàn)[8]引入計算思維針對新工科大數(shù)據(jù)技術(shù)課程體系進(jìn)行了優(yōu)化，取得了一定的成效。

課題組前期工作取得了較好的科研成果[9-15]。但我院作為“工”字號全國示范性高職院校，學(xué)生入學(xué)分?jǐn)?shù)相對較低，理論基礎(chǔ)薄弱，在國家大力倡導(dǎo)新工科的背景下，引入計算思維的高職Python程序設(shè)計公共課程教學(xué)改革研究顯得尤為重要。

2 計算思維導(dǎo)向下的公共課程Python程序設(shè)計

PYthon程序設(shè)計作為學(xué)院公共課程需要學(xué)生掌握Python程序基礎(chǔ)、numpy庫、pandas庫、matplotlib庫四個主要模塊，為學(xué)習(xí)好這些模塊，需要具備相應(yīng)的計算思維能力，見圖1。

2.1計算思維能力與Python基礎(chǔ)知識為映射表1中描述了Python程序基礎(chǔ)部分需要掌握的知識點與計算思維能力要求的映射關(guān)系。表1中對Python程序基礎(chǔ)的運算符、變量、模塊、類、文件、異常等知識點做出了要求。此外，實戰(zhàn)項目《男女電影評分差異比較》要求首先對復(fù)雜問題進(jìn)行抽象思維求解，再通過形式化符號表示，遞歸等計算思維方法進(jìn)行具體問題求解。

2.2 計算思維能力與Python numpy庫知識點映射

表2中描述了Python numpy數(shù)學(xué)函數(shù)庫部分需要掌握的知識點與計算思維能力要求的映射關(guān)系。表2中對Python numpy庫的numpy的屬性、array、numpy的運算等知識點做出了要求。此外，實戰(zhàn)項目需要實現(xiàn)《圖像的手繪效果》，這對計算思維中的抽象思維、符號表示、形式化證明等方法有著較高的要求。

2.3 計算思維能力與Python pandas庫知識點映射

表3中描述了Python pandas庫部分需要掌握的知識點與計算思維能力要求的映射關(guān)系。表3中對Python pandas庫的Series、DataFrame、選擇數(shù)據(jù)等知識點做出了要求。此外，實戰(zhàn)項目需要實現(xiàn)《Pandas特征效果分析》，這同樣對計算思維中的抽象思維、符號表示、形式化證明等方法有著較高的要求。

2.4 計算思維能力與Python matplotlib庫知識點映射

表4中描述了Python matplotlib可視化庫部分需要掌握的知識點與計算思維能力要求的映射關(guān)系。表4中對Python mat-plotlib庫的figure圖像、設(shè)置坐標(biāo)軸、legend圖例、scatter散點圖等知識點做出了要求。此外，實戰(zhàn)項目需要實現(xiàn)《引力波繪制》，這對計算思維中的抽象思維、模型構(gòu)建、符號表示等方法有著較高的要求。

3 結(jié)論

本課題對新工科視角下以計算思維為導(dǎo)向的高職Python程序設(shè)計公共課程教學(xué)改革進(jìn)行了研究，以Python程序為例，分4階段對其映射的計算思維方法進(jìn)行深入研究。事實證明，新工科視角下引入計算思維的思想有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，今后工作將進(jìn)一步厘析知識點要求與計算思維能力要求之間的關(guān)系，為學(xué)生程序設(shè)計能力的提升奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝士明，郭琰.智能教育背景下新工科教學(xué)改革：框架設(shè)計與實施路徑[J].高等工程教育研究，2019（6）：155-161.

[2]狄長艷，周慶國，李廉.新工科背景下對于計算思維的再認(rèn)識[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（21）：47-53.

[3]何欽銘，王浩.面向新工科的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系及課程建設(shè)[Jl.中國大學(xué)教學(xué)，2019（1）：39-43.

[4]肖卓宇，黎妍，葉嘉笑.以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)生程序設(shè)計能力培養(yǎng)研究[J].計算機(jī)時代，2017（1）： 79-81.

[5]肖卓宇，葉嘉笑.基于CDIO的IT類應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，18（1）：89-90，97.

[6]肖卓宇，葉嘉笑，黎妍.計算機(jī)專業(yè)大學(xué)生程序設(shè)計實踐能力培養(yǎng)改革[J]軟件導(dǎo)刊.2017，16（2）： 197-199.

[7]肖卓宇，余波.大學(xué)生參與式教學(xué)方法在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，17（01）：88-90.

[8]肖卓宇，宋藝.基于CDIO的大數(shù)據(jù)技術(shù)課程教學(xué)研究[J].長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，25（2）：125-126.

[9]肖卓宇，何锫，余波.非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模式的恢復(fù)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2019，40（1）： 143-148，208.

[10]肖卓宇，黃海，何锫，等，設(shè)計模式檢測工具有效性評估策略[Jl.計算機(jī)科學(xué)與探索，2018，12（03）：380-392.

[11]肖卓宇，何锫，李港，等，注入間接線索的設(shè)計模式變體分類檢測[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2018，39（06）：1335-1341.

[12]肖卓宇，何锫，多階段可松弛的設(shè)計模式變體檢測方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，46（01）： 26-31.

[13]肖卓宇，何锫，余波.一種多階段交互式線索驅(qū)動的設(shè)計模式識別方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2017，43（09）：1746-1756.

[14]肖卓宇，何锫，楊鑫維，等.基于文法產(chǎn)生式優(yōu)化的設(shè)計模式識別方法[Jl-電子科技大學(xué)學(xué)報，2017，46（3）： 569-576.

[15]肖卓宇，何锫，余波，等.一種形式化上下無關(guān)文法關(guān)系驅(qū)動的設(shè)計模式檢測方法[J].工程科學(xué)學(xué)報，2016，38（10）：1499-1508.

【通聯(lián)編輯：張薇】

收稿日期：2020-02-15

基金項目：“2019年度全國高等院校計算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會課題：新工科視角下以計算思維為導(dǎo)向的高職Python程序設(shè)計公共課程教學(xué)改革研究（2019-AFCEC-332）”

作者簡介：肖卓宇（1979-），男，湖南長沙人，副教授，研究方向為軟件演化、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等;黃俊（1990-），男，湖南長沙人，助教，主要研究方向：智能制造等;徐運標(biāo)（1983-），男，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：軟件工程等;郭杰（1976一），女，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：軟件工程等;陳果（1980-），女，湖南長沙人，碩士，講師，研究方向：軟件工程等。