基于計算思維的非計算機專業(yè)Python課程體系設(shè)計

孫新杰 李惠 龍尚銀 孫國營

摘要：計算思維的培養(yǎng)對于現(xiàn)代大學(xué)生至關(guān)重要，Python作為非計算機專業(yè)的學(xué)生踏入計算機編程行業(yè)的一個敲門磚顯得非常適合，該文分別從數(shù)學(xué)和美術(shù)兩個非計算機專業(yè)為入口，介紹了Python教學(xué)的課程設(shè)計及教學(xué)方法，通過實踐驗證該方式得到了良好的效果，為非計算機專業(yè)的計算思維教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：計算思維;Python;非計算機專業(yè);課程設(shè)計

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0234-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

隨著人工智能行業(yè)及大數(shù)據(jù)分析的熱度不斷攀升，Python語言作為一種功能強大的計算機語言也迎來了它的春天。高校也在不斷地修訂自己的人才培養(yǎng)模式，無論哪種專業(yè)的學(xué)生適當(dāng)?shù)剡M行計算思維的培養(yǎng)都有利于該專業(yè)學(xué)生更好地適應(yīng)未來的發(fā)展[1]。

Python語言本身的天然優(yōu)勢，使它能夠快速融入其他行業(yè)，不僅是計算機專業(yè)人員能夠快速的學(xué)會Python，非計算機專業(yè)的學(xué)生對Python也是能夠很快上手，并且快速地在本專業(yè)進行應(yīng)用。六盤水師范學(xué)院非計算機專業(yè)大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗課程中加入部分Python語言的教學(xué)，取得了學(xué)生的高度認(rèn)可，不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)計算機基礎(chǔ)的實用性大大得到提升，更使得學(xué)生能夠通過Python的學(xué)習(xí)掌握本專業(yè)與計算機融合的一個切入點。本文就數(shù)學(xué)和美術(shù)兩個非計算機專業(yè)來探討將Python融入課程的教學(xué)設(shè)計。

2 Python教學(xué)課程設(shè)計與教學(xué)方法

2.1 Python教學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計

Python語言本身包羅萬象，針對不同行業(yè)有它特殊的函數(shù)庫支撐，可以這樣說，Python是一門萬金油，可以在任何行業(yè)發(fā)光發(fā)熱[2]。作為一門通用性很高的語言，要想完全掌握Python的全部技能是萬萬做不到的，也是不可能同時也是沒必要實現(xiàn)的，針對不同行業(yè)除了掌握基礎(chǔ)的Python技巧之外，就是研究和本專業(yè)相關(guān)的一些函數(shù)的使用，即可快速上手達到專業(yè)融合。但是無論哪些行業(yè)使用Python來和自己的專業(yè)進行融合，一些Python基礎(chǔ)技巧是必須掌握的，下面就Python一些基礎(chǔ)核心內(nèi)容進行介紹。

Python使用的基礎(chǔ)性要求有：掌握Python軟件的安裝與環(huán)境的配置，本文推薦使用Anaconda軟件進行一些常用環(huán)境的配置，簡單高效;基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、列表、容器、集合、控制語句以及循環(huán)的簡單應(yīng)用。

2.2 Python課程教學(xué)的教學(xué)方法

無論是針對計算機專業(yè)學(xué)生還是非計算機專業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)計算機語言都應(yīng)該是以應(yīng)用為首要目的，著重培養(yǎng)學(xué)生使用計算機語言解決實際問題的能力[3]。

隨著國家實力的不斷提升，大學(xué)的硬件基礎(chǔ)也得到了很大的改善，針對六盤水師范學(xué)院的學(xué)生來說無論是計算機專業(yè)學(xué)生還是非計算機專業(yè)學(xué)生都能夠保證學(xué)習(xí)計算機類課程的時候一生一機，這樣能夠很大的改觀一些傳統(tǒng)的計算機語言教學(xué)模式即“教”“練”分開，現(xiàn)在完全可以做到“教”“練”一體，老師邊講解，學(xué)生邊練習(xí)，達到及時的所見即所得的效果。同時建議在進行Python教學(xué)的同時放棄傳統(tǒng)的PPT授課模式，使用Anaconda中的jupyter notebook進行授課，該軟件可以達到很好的“教”“練”融合，如圖1所示。

另外常用的計算機語言采用的教學(xué)方法多為講授法，并且大部分都在講解計算機語言中的語法。對于課時量不是很充足的大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗中引入部分和專業(yè)相關(guān)的Python內(nèi)容進行教學(xué)，該方法顯得不切合實際，需要從教學(xué)方法上面進行一些改進。通過對兩個專業(yè)的實踐來看，改進的案例教學(xué)法是最適合非計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計算機語言的最好方法。

改進之后的案例教學(xué)不能只講案例，由于大部分非計算機專業(yè)學(xué)生對于計算機語言都是零基礎(chǔ)，需要在選擇好的案例上面引入基礎(chǔ)的計算機語法并結(jié)合該專業(yè)的應(yīng)用場景加以講解。比如在對數(shù)學(xué)專業(yè)進行授課的時候，根據(jù)數(shù)學(xué)專業(yè)的對于函數(shù)的理解比較深入，這里通過講解和決策相關(guān)的一些算法，分別從參數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)以及輸出等方面進行了案例的介紹，并且通過逐步實現(xiàn)該案例穿插講解了各種針對數(shù)學(xué)與計算機結(jié)合需要掌握的一些基礎(chǔ)語法;再比如在對美術(shù)專業(yè)進行授課的過程中，由于藝術(shù)類學(xué)生對于計算機語言更加不敏感，他們對計算機輔助美術(shù)也沒有很深入的認(rèn)識，更多的時候是使用計算機進行PS的設(shè)計功能，如何能夠讓這些藝術(shù)類的學(xué)生產(chǎn)生一些興趣，本文結(jié)合實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)讓美術(shù)專業(yè)的學(xué)生使用Python里面的畫圖案列，可以很快地和他們的專業(yè)相結(jié)合，并能夠最大程度地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

除了課堂上面的案例教學(xué)以外，還需要針對課堂教學(xué)進行對應(yīng)的課后練習(xí)案例升級教學(xué)。針對數(shù)學(xué)專業(yè)的課后練習(xí)可以是經(jīng)典算法的計算機編程實現(xiàn)，如累加和算法，排序算法，階乘算法等。對于美術(shù)專業(yè)的課后練習(xí)可以使用計算機編程實現(xiàn)正方體、玫瑰花等常見圖形的畫法。

2.3 Python輔助數(shù)學(xué)專業(yè)的教學(xué)課程設(shè)計

數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生有著其他專業(yè)沒有的數(shù)學(xué)思維能力，算法能力等，但是隨著社會的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)在國內(nèi)取得了舉足輕重的地位，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)一些模式也受到了沖擊，大部分學(xué)生可以針對某個問題進行算法的設(shè)計，但是不能夠通過數(shù)據(jù)驗證該算法的合理性與正確性，特別是大數(shù)據(jù)行業(yè)的興起，更是對算法提出了需要落地使用的要求。通過在大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗課程中加入部分和算法相關(guān)的Python知識，同學(xué)們都能夠快速地掌握語言的特點并能夠把算法進行計算機語言化，Python融入數(shù)學(xué)專業(yè)的課程設(shè)計如圖2所示，主要涉及Python基礎(chǔ)、Python數(shù)學(xué)函數(shù)庫的講解、Python基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的講解便于存儲數(shù)據(jù)，Python算法思維的講解便于學(xué)生從宏觀的算法到計算機語言實現(xiàn)的鴻溝跨越。

通過設(shè)計合適的針對數(shù)學(xué)專業(yè)的個性化教學(xué)內(nèi)容，能夠使得學(xué)生快速掌握Python的技巧，以及使用Python解決自己專業(yè)的問題。通過對數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生的不同案例訓(xùn)練，最終所有學(xué)生都能夠很好地完成如公式1到公式5這種復(fù)雜的算法思想的計算機程序化，使得同學(xué)們無論在以后的專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，還是可能從事的科研工作，都能起到積極的作用。

1.設(shè)[a=[al，au]]，[b=[bl，bu]]，稱

[d（a，b）=ε1a1-bl1+al-bl+ε2au-bu1+au-bu]? ? ? ? （1）

2.權(quán)重公式編寫

[ρa，b=α-alal+bllog2alal+bl+-blal+bllog2blal+bl]

[+β -a?la?l+b?llog2a?la?l+b?l+-b?la?l+b?llog2b?la?l+b?l]

[+γ-a?ua?u+b?ulog2a?ua?u+b?u+-b?ua?u+b?ulog2b?ua?u+b?u]

[+δ -auau+bulog2auau+bu+-buau+bulog2buau+bu]

[Hj=β-1log2mi=1ma?liji=1ma?lijlog2a?liji=1ma?lij][+γ-1log2mi=1ma?uiji=1ma?uijlog2a?uiji=1ma?uij]

[+1-β-γ -1log2mi=1msiji=1msijlog2siji=1msij]，[j=1，2，…，n]? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中：

[ρd+ij=α -rlijrlij+rl+ijlog2rlijrlij+rl+ij+-rl+ijrlij+rl+ijlog2rl+ijrlij+rl+ij]

[+β -r?lijr?lij+r?l+ijlog2r?lijr?lij+r?l+ij+-r?l+ijr?lij+r?l+ijlog2r?l+ijr?lij+r?l+ij]

[+γ -r?uijr?uij+r?u+ijlog2r?uijr?uij+r?u+ij+-r?u+ijr?uij+r?u+ijlog2r?u+ijr?uij+r?u+ij]

[+δ -ruijruij+ru+ijlog2ruijruij+ru+ij+-ru+ijruij+ru+ijlog2ru+ijruij+ru+ij]? ? ? ? ? ? （3）

負理想方案的距離熵

[ρ-i=j=1nωjρd-ij]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

其中：

[ρd-ij=α -rlijrlij+rl-ijlog2rlijrlij+rl-ij+-rl-ijrlij+rl-ijlog2rl-ijrlij+rl-ij]

[+β -r?lijr?lij+r?l-ijlog2r?lijr?lij+r?l-ij+-r?l-ijr?lij+r?l-ijlog2r?l-ijr?lij+r?l-ij]

[+γ -r?uijr?uij+r?-ijlog2r?uijr?uij+r?u-ij+-r?u+ijr?uij+r?u-ijlog2r?u+ijr?uij+r?u-ij]

[+δ -ruijruij+ru-ijlog2ruijruij+ru-ij+-ru-ijruij+ru-ijlog2ru-ijruij+ru-ij]? ? ? （5）

2.4 Python輔助美術(shù)專業(yè)的課程設(shè)計

美術(shù)專業(yè)的學(xué)生對于理科思維模式特別是計算思維本身就具有很大的排斥，如何讓美術(shù)專業(yè)的學(xué)生感受到學(xué)習(xí)Python對于自己的專業(yè)及以后可能從事的專業(yè)有幫助顯得更加困難。對于該專業(yè)的學(xué)生來說，通過實踐發(fā)現(xiàn)選擇更具有針對性的Python畫圖對于他們的興趣提升起到很大的作用。通過講授畫圖發(fā)現(xiàn)，美術(shù)專業(yè)的學(xué)生對畫圖方式創(chuàng)造能力遠遠高于從事計算機專業(yè)的老師，學(xué)生只要掌握了基礎(chǔ)的Python語言繪圖方法，再加上自身美術(shù)專業(yè)的功底，學(xué)生很快就能夠畫出各式各樣的栩栩如生的圖片或動畫，并且同一張圖實現(xiàn)的方式多姿多彩，這樣大大提升了學(xué)生的能力，為以后即將從事的行業(yè)與計算機的交匯打下一個基礎(chǔ)。Python融入美術(shù)專業(yè)的課堂內(nèi)容設(shè)計如圖3所示，主要涉及Python基礎(chǔ)、Python turtle海龜畫圖庫的相關(guān)函數(shù)使用方法講解、Python中關(guān)于顏色的設(shè)置與調(diào)整方式講解。

通過設(shè)計合適的針對美術(shù)專業(yè)的個性化教學(xué)內(nèi)容，能夠使得學(xué)生快速掌握Python的技巧，以及使用Python解決自己專業(yè)的問題。通過對美術(shù)專業(yè)學(xué)生的不同案例訓(xùn)練，最終所有學(xué)生都能夠很好地完成圖形的設(shè)計，而且實現(xiàn)的Python代碼都很簡單，如代碼2.1所示，簡短幾句代碼就實現(xiàn)了太陽花的繪制。

復(fù)雜一點的櫻花的繪制如圖4，同學(xué)們也能夠通過幾次練習(xí)之后輕松掌握。

3 Python課堂教學(xué)評價設(shè)計

Python課程評價是Python課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生計算思維模式下的應(yīng)用為主要目標(biāo)，對于課堂效果的評價應(yīng)該主要基于這一點開展。評價方法應(yīng)該采用多種方式，如同行評價、教師自我評價、學(xué)生評價。評價的內(nèi)容可以從Python基礎(chǔ)掌握情況，興趣度，專業(yè)相關(guān)度，Python專業(yè)函數(shù)庫學(xué)習(xí)掌握情況等展開?？傊槍Σ煌瑢I(yè)設(shè)置具有針對性的評價方式及內(nèi)容，最終達到以計算思維的培養(yǎng)為導(dǎo)向，以案例教學(xué)為基礎(chǔ)，通過非計算機專業(yè)計算機基礎(chǔ)實驗課程的編程為基本原理，通過課后案例習(xí)題強化專業(yè)與計算機的結(jié)合，著力提高學(xué)生的計算機輔助專業(yè)的目的。

4 結(jié)語

對于數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，除了掌握C語言以外，在大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗這門課中適當(dāng)?shù)卣莆誔ython語言，可以更高效地把數(shù)學(xué)思維用計算機語言展示，更好地為以后專業(yè)學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。對于美術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說，通過使用一些精挑的海龜畫圖案例使他們快速的上手，并能夠?qū)崿F(xiàn)用計算機的“紙筆”進行繪圖，對自己的繪圖及以后專業(yè)發(fā)展都起到積極的作用。

通過實踐發(fā)現(xiàn)，針對不同專業(yè)的學(xué)生，根據(jù)各自的專業(yè)特點，選擇不同的Python知識及方法，這樣既能夠最大的發(fā)揮Python語言的優(yōu)勢，也利于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)自己的專業(yè)課，并能夠起到計算機對自己專業(yè)的輔助作用，繼而提升各專業(yè)學(xué)生解決實際問題的能力。

參考文獻：

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[3] 嵩天，黃天羽.Python語言程序設(shè)計教學(xué)案例新思維[J].計算機教育，2017（12）：11-14，19.

【通聯(lián)編輯：梁書】