基于DICE知識生態(tài)模式的Python課程教學實踐

葉鷗 李占利 馮健

摘 要：為保證Python語言課程教學質量、提高學生利用Python語言解決理論和實踐問題的能力，提出基于DICE知識生態(tài)模式的Python課程教學實踐方法。該方法以構建DICE知識生態(tài)模式為導向，通過建立知識分布、知識互動、知識競爭和知識演化相融合的多元化教學方法，在培養(yǎng)學生計算思維的基礎上，不斷加大學生知識儲備、提高學生自主學習能力，使學生最終能利用Python程序設計語言解決軟件專業(yè)理論問題和實踐應用問題。教學實踐表明，該方法可有效促進學生自主學習能力、提高Python程序設計語言應用能力。

關鍵詞：Python程序設計;DICE知識生態(tài)模式;計算思維;自主學習

DOI：10. 11907/rjdk. 192420 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G433文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）008-0264-03

Abstract： To ensure the teaching quality of Python language course and improve the ability of students to use Python language to solve scientific theory and application problems， a Python programming curriculum reform and practice method based on DICE knowledge ecological model is proposed in this paper. It is guided by the construction of DICE knowledge ecological model， and integrates diversified teaching methods in the process of knowledge distribution， knowledge interaction， knowledge competition and knowledge evolution. This method can continuously increase the knowledge reserves and active learning ability of students based on cultivating their computational thinking. Finally， Python programming language can be used to solve the theory problems or practice problems in the field of software engineering. The teaching practice shows that the proposed method can effectively promote students active learning ability and improve the flexible application ability of Python programming language.

Key Words： Python programming; DICE knowledge ecological model; computational thinking; active learning

0 引言

1989年，Guido van Rossum開發(fā)了一種可集支持命令式程序設計和泛型編程等多種編程范式于一體的Python腳本語言，該程序設計語言是在面向對象和解釋型程序設計語言基礎上的進一步演變與發(fā)展[1-2]。Python程序設計語言由于其語法簡單、開源實現(xiàn)[3]，具有較強的可移植性、可擴展性和可嵌入性，具備功能強大、種類豐富多樣的標準庫，并可應用于其它語言與工具，因此Python語言也被稱為膠水語言。同時，它也可支持Web編程、數(shù)據(jù)庫編程、網絡編程、網頁爬蟲、Pymo引擎、黑客編程等應用，為各專業(yè)領域科學研究和軟件工程項目開發(fā)提供了強大支持，已廣泛應用于視頻圖像處理、自然語言處理、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等方向的研究[4-6]。Python程序設計語言因其語言特點和廣泛的適用性，成為國際最受歡迎的程序設計語言。為保證Python語言課程教學質量，提高學生利用Python語言解決科學理論和應用問題的能力，進行Python程序設計語言課程教學改革研究十分必要。

1 國內外研究現(xiàn)狀

目前，國外很多高校（如麻省理工學院、渥太華大學等）已將《Python程序設計》課程作為大學生基礎編程課程，并在Coursera等在線教育平臺上提供約翰霍普金斯大學等眾多高校的Python在線課程[7]。國外高校通過研究發(fā)現(xiàn)，Python程序設計語言相比其它語言具有更高的教學價值，并且這一技術趨勢也得到國外眾多大學響應。美國綜合排名前100的大學已有超過70所開設了Python語言類課程[3]。加拿大渥太華大學提出多元化Python教學思想，通過多元化教學手段進行教學改革?？偟膩碚f，從國外高校教學效果和教學質量來看，相關教改取得了較好效果。

我國針對Python程序設計語言課程的開設和研究起步相對較晚。目前，相關教學研究主要集中在如何利用計算思維進行Python程序語言學習。文獻[8]利用計算思維提出Python語言程序設計的4段教學模式，通過案例、拆解、糾錯和增量式編程方式進行教學;文獻[9]提出計算思維視域下的Python程序設計語言課程教學改革方法，可兼顧編程技術和數(shù)據(jù)分析技術;文獻[10]分析了基于計算思維的Python編程語言教學課程先進性，發(fā)現(xiàn)Python語言課程有助于培養(yǎng)學生計算思維能力;文獻[11]將Python融入《數(shù)字信號處理》課程，開展理論講授、實驗操作和課程設計3個環(huán)節(jié)，通過網絡課程拓展自主學習渠道，構建以Python為基礎，集課堂演示、實踐操作和知識應用于一體的綜合教學模式;文獻[12]提出通過理解和運用計算生態(tài)，推動Python程序設計語言的教學改革。通過已有研究發(fā)現(xiàn)，Python程序設計語言課程與計算思維緊密相連，可在兼顧Python語言功能的基礎上，與數(shù)據(jù)科學、人工智能等關聯(lián)，在引導學生對程序設計平滑入門的同時，讓學生深入理解和掌握如何運用程序語言解決理工科理論科學和工程實踐問題。

然而，計算思維是建立在數(shù)學理論與相關理工科專業(yè)背景基礎之上的。若僅靠Python程序設計語言學習帶動學生計算思維的培養(yǎng)顯然是不夠的，并且以計算思維為導向的Python程序設計課程教學方式存在以下不足之處：

（1）由于Python語言的易用性和擴展性，學生往往會輕視Python相關知識的學習。事實上，在不同研究領域，Python語言實現(xiàn)方式差異性較大，主要體現(xiàn)在豐富的標準庫函數(shù)與相關領域算法的實現(xiàn)方面，學生需在掌握一定專業(yè)知識的基礎上學習Python編程。

（2）學生水平參差不齊，如果直接將計算思維載入Python學習過程中，數(shù)學基礎薄弱或專業(yè)領域知識掌握不牢的學生容易產生厭學和排斥心理，不利于學生持續(xù)學習。

（3）在教學過程中容易忽視學生學習方式。由于我國很多高校依然以講授Python知識為主，學生大多采用被動學習的方式，因此過度依賴于老師講授，針對專業(yè)領域的Python應用往往較難入手，不利于學生主動思考能力發(fā)展。

（4）該課程教學設計往往容易忽視Python知識體系建立。除Python程序設計之外，相關課程內容涉及較少，課程延展性較弱，不利于學生進一步深入學習，學生知識體系會受到一定程度限制，這點與國外有所差距。

為解決上述問題，本文以構建分布—互動—競爭—演化（Distribution-Interaction-Competition-Evolution，DICE）知識生態(tài)模式[13]為導向，對《Python程序設計》課程進行教學內容和教學方式改革，通過探討如何在課程教學過程中為學生構建知識生態(tài)體系，使學生在主動學習的基礎上，不斷加大知識儲備，并進一步理解和掌握計算思維方式，并利用Python程序設計語言解決相關領域科學問題和項目工程實踐問題。

2 基于DICE知識生態(tài)模式的Python程序設計課程實踐方法

DICE模式起初是生態(tài)學研究的一種生態(tài)關系模式，具體研究某一特定環(huán)境內，生物與生物之間、生物與環(huán)境之間的相互關系。DICE模式定義了生態(tài)系統(tǒng)中的4種生態(tài)關系：分布（Distribution）、互動（Interaction）、競爭（Competition）和演化（Evolution），上述4種生態(tài)關系構成了完整的生態(tài)系統(tǒng)。在此基礎上，文獻[13]提出了DICE知識生態(tài)模型，用于研究知識與教師、學生之間的相互關系。DICE知識生態(tài)模型具體內容如表1所示。

本文以構建DICE知識生態(tài)模式為導向，進行知識分布、知識互動、知識競爭和知識演化相融合的Python程序設計課程改革與實踐。其中，教師在DICE知識生態(tài)模式中設計知識結構，引導知識互動，建立知識競爭模式，啟發(fā)知識演化過程。學生在Python課程學習過程中，首先獲取多樣的知識內容，建立計算思維理念;然后，學生通過自主學習進行知識互動和探索;之后，通過知識應用形成知識競爭;最后，在知識競爭的過程中總結問題，改進知識結構和內容。為增強學生的知識理解和運用能力，本文以軟件工程項目與縱向科研項目為載體，使學生在Python語言課程學習的基礎上，了解與Python程序設計語言相關的課程內容和專業(yè)內容。DICE知識生態(tài)模式為導向的Python程序設計課程教學體系如圖1所示。

由圖1可知，為構建DICE知識生態(tài)模式，首先需仔細分析DICE知識生態(tài)模型概念與計算思維內涵，研究模型各基本組成部分含義、內容，以及其特征和表現(xiàn)形式，確定在《Python程序設計》課程中哪些知識要點涉及DICE知識模型相關內容;其次，可將課程涉及到的知識體系分解為知識單元和知識點，研究這些知識點如何與知識生態(tài)的典型特征和不同階段有機融合;之后，選取學生已掌握的專業(yè)領域知識或感興趣的專業(yè)領域知識，對現(xiàn)有教學內容進行重新審視和定位，在教學內容中適當調整、增加Python語言課程與專業(yè)領域知識相結合的內容;最后，圍繞問題分析思路組織相關知識，設計課程教學內容，最終構建一個以DICE知識生態(tài)模式為導向的《Python程序設計》課程知識體系，并通過項目驅動的方式進行講授。針對圖1中不同階段內容的相關教學實踐方法如下所示。

（1）DICE知識分布階段。首先，選取Python程序設計語言內容較全面的書籍及相關輔導材料作為該課程教學內容與素材，盡可能涉及基本Python語言、基于面向對象程序設計、網絡編程、圖像輸出編程、大數(shù)據(jù)編程等內容，滿足DICE知識分布多樣性及全面性;其次，有針對性地選取MOOC、微課等Python課程資料作為輔助教學材料，盡可能彌補課堂有限時間內教學講授的薄弱部分，提高知識分布強度;最后，在講授過程中，將線性代數(shù)、高等數(shù)學等涉及的計算方式與Python程序設計語言講授相結合，引入計算思維，引導學生利用Python語言解決實際計算問題。

（2）DICE知識互動階段。首先，以若干小組為單位，給不同小組分發(fā)Python語言相關的知識內容，調動學生自主學習興趣，讓學生自學相關專業(yè)領域知識，并運用Python語言解決相關專業(yè)領域的簡單問題。例如引入機器學習中某些簡單算法案例或者視頻圖像處理涉及的簡單操作，讓小組內學生進行問題討論和Python編程，設計并實現(xiàn)橫向或縱向項目中涉及的簡單問題，完成知識互動的內部互動環(huán)節(jié);其次，以小組為單位，讓小組組長在課堂教學中進行案例講解和分析，小組成員進行問題解答，將小組研究和學習內容與其他小組成員進行交流，并將python程序代碼進行分享，盡可能調動學生學習自主性和學習興趣，將Python語言課程與專業(yè)領域知識相結合，實現(xiàn)知識互動的外部互動環(huán)節(jié);最后，鼓勵學生參與項目開發(fā)，并將開發(fā)的軟件項目作為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽或互聯(lián)網+等競賽作品參賽，與其它高校師生進行進一步的外部知識互動。

（3）DICE知識競爭階段。首先，以小組為單位，根據(jù)學生個體興趣愛好或教師設定范圍，擬出一個研究性題目或小型實踐項目題目（該類題目不宜過多，可多個小組完成同一個題目）;然后組內成員利用Python語言加以實現(xiàn);最后，教師以項目答辯形式對組內成員進行考核，對于組內成員表現(xiàn)優(yōu)異者，平時成績可酌情提高，實現(xiàn)DICE組內競爭。該類競爭屬于合作式競爭關系;其次，讓完成同一題目的不同小組進行逐一答辯和評判，分析各自內容優(yōu)缺點，并通過組間辯論與分析，使學生更深入全面理解和掌握Python程序設計相關內容及知識運用;最后，對于較好的作品可推薦參加各類大學生程序設計競賽或其它計算機類大學生競賽，進一步提高學生競爭力，從而通過DICE知識生態(tài)沖突式競爭，增強學生運用Python知識的能力。

（4）DICE知識演化階段。首先，在學生項目實踐中，教師引導學生利用已學知識進行創(chuàng)新性嘗試，以便實現(xiàn)DICE知識生態(tài)中的知識突變過程;其次，教師在Python課程教學過程中，鼓勵學生創(chuàng)新性地將知識應用于解決某些實際場景的問題，以便實現(xiàn)DICE知識生態(tài)中的知識突變過程;最后，鼓勵不同專業(yè)學生進行合作和交流，共同實現(xiàn)軟件項目開發(fā)，從而實現(xiàn)DICE知識生態(tài)中的知識互換過程，促進學生學習和應用Python程序語言解決實際工程問題與科學研究問題。

通過上述不同階段的實踐，可構建出基于DICE知識生態(tài)模式的Python語言課程，從而加強學生知識儲備和知識運用能力。此外，通過將Python語言作為工具，結合專業(yè)領域知識，以計算思維為導向，提高學生利用編程解決實際問題的能力;最后，通過不同階段形式多樣的授課方式，提高學生學習興趣和自主學習能力。

3 結語

為提升Python語言課程教學質量與學生利用Python語言解決理論和實踐問題的能力， 本文提出了基于DICE知識生態(tài)模式的Python程序設計課程教學改革實踐方法。通過與教學改革項目、陜西省自然科學基礎研究項目等縱向項目相結合，在抽取Python課程知識要點的基礎上，以DICE知識生態(tài)模式為導向，可解決知識點繁雜、學生無法理清等重點問題。此外，通過知識生態(tài)模式提高學生學習Python相關知識的主動性，最終在Python課程中通過有機融合DICE知識生態(tài)模式、教學內容、教學方法和教學手段，提升教學模式設計的科學性，保證教學方法和教學手段使用的針對性，并提高學生靈活運用Python知識自主解決科學問題和實踐應用問題的能力。

參考文獻：

[1] 秦昳，史曉楠. ?《程序設計基礎》課程教學改革實踐——以Python語言為教學語言[J]. ?軟件導刊（教育技術）， 2018， 17（2）： 71-72.

[2] 張莉，金瑩，張杰. 多樣化可擴展的python教學體系探索與實踐[J]. ?計算機教育， 2017（8）：18-22.

[3] 嵩天， 黃天羽， 禮欣. ?Python語言：程序設計課程教學改革的理想選擇[J]. ?中國大學教學， 2016（2）： 42-46.

[4] CUI Y J， LIU X B. The application of R and Python in teaching for probability and mathematical statistics course[J]. ?Education Teaching Forum， 2017（12）： 192-193.

[5] DUARTE E V. Teaching the first programming course with Pythons turtle graphic library[C]. ? Proceeding of 2016 ACM Conference on Innovation and Technology in Computer Science Education， 2016：244-245.

[6] HUANG X H， TANG H F， WEN-TAO Y U， et al. Teaching reform of digital signal processing course based on Python[J]. ?Journal of Electrical & Electronic Education， 2018（1）：56-58，70.

[7] 秦科， 劉貴松. ?面向Python應用的大學教學改革初探[J]. ?計算機教育， 2017（9）：21-25.

[8] 趙霞， 張珣， 韓忠明，等. ?Python語言教學中問題解決能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)實踐[J]. ?計算機教育， 2017（9）：6-10.

[9] 王亞萍. ?計算思維培養(yǎng)視域下《Python程序設計》課程的教學改革實踐[J]. ?電腦知識與技術， 2018（2）： 99-100.

[10] 王立翔. ?基于計算思維的Python語言課程教學改革芻議[J]. ?教育現(xiàn)代化， 2017（15）： 12-13.

[11] 黃曉輝， 唐慧豐， 余文濤，等. ?基于Python的“數(shù)字信號處理”課程教學改革[J]. ?電氣電子教學學報， 2018（1）： 56-58.

[12] 嵩天， 彭遠紅， 宋文婷. ?理解和運用計算生態(tài)推動Python語言教學改革[J]. ?計算機教育， 2017（ 8）：6.

[13] 趙衛(wèi)兵. ?基于DICE模式的知識生態(tài)體系構建[J]. ?情報科學， 2015， 33（7）：30-34.

（責任編輯：江 艷）