新工科背景下“Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”教學(xué)改革實(shí)踐＊

高望

（江漢大學(xué)人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430056）

2021年中國(guó)政府工作報(bào)告明確指出，要借助創(chuàng)新促進(jìn)經(jīng)濟(jì)全方面高質(zhì)量發(fā)展，并推出了“強(qiáng)基計(jì)劃”等一系列教育改革措施。高等教育的各個(gè)方面都有所涉及，這對(duì)高校程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)也提出了更高的要求[1]。為了在新一輪的產(chǎn)業(yè)革命和科技變革中取得突破，支撐《中國(guó)制造2025》和《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，并推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用、校企協(xié)同，建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)機(jī)制，加快培養(yǎng)引領(lǐng)創(chuàng)新、適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)人才，“新工科”工程教育改革范式的推出恰逢其時(shí)。

“新工科”教育理念提出不久后，教育部正式推出新工科項(xiàng)目建設(shè)指南，陸續(xù)形成了《“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)》等新工科建設(shè)方案。在“新工科”背景下，江漢大學(xué)開(kāi)設(shè)了“Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”課程，旨在培養(yǎng)的學(xué)生計(jì)算思維和程序設(shè)計(jì)能力。作為大數(shù)據(jù)分析和人工智能的主流編程語(yǔ)言，Python的使用非常廣泛[2-3]。當(dāng)前，中國(guó)高等院校理工科專業(yè)都為學(xué)生開(kāi)設(shè)了一門(mén)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性課程，以C語(yǔ)言為主，少量高校使用Java或Visual Basic語(yǔ)言教學(xué)。在通識(shí)教育中開(kāi)設(shè)的程序設(shè)計(jì)課程，對(duì)于基礎(chǔ)不同、專業(yè)不同的學(xué)生往往使用相同的教學(xué)模式和教學(xué)方法。這樣的學(xué)習(xí)方式容易使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，學(xué)習(xí)勁頭不足，難以體會(huì)如何利用程序設(shè)計(jì)思想解決實(shí)際問(wèn)題。

“新工科”背景下的工科教育要求學(xué)生具備工程實(shí)踐能力，能夠利用計(jì)算機(jī)程序解決復(fù)雜的專業(yè)問(wèn)題。這就需要程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容使學(xué)生具備相應(yīng)能力，能夠支撐復(fù)雜問(wèn)題的分析和求解。遺憾的是，當(dāng)前程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方式難以培養(yǎng)這種工程實(shí)踐能力，在教學(xué)目標(biāo)中也未能得到充分體現(xiàn)。這種綜合能力培養(yǎng)的不足也許會(huì)造成對(duì)工科專業(yè)是否有必要建設(shè)程序設(shè)計(jì)類課程群的困惑。

1 新工科建設(shè)對(duì)程序設(shè)計(jì)課程的要求

中國(guó)工科在校生人數(shù)約為700萬(wàn)，已經(jīng)建設(shè)完成了全球最大規(guī)模的工科教育框架。但需要指出的是，中國(guó)工科類人才培養(yǎng)目標(biāo)不明確，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程教育、工業(yè)生產(chǎn)和技能培訓(xùn)、通識(shí)教育與專業(yè)教育之間區(qū)別和聯(lián)系的認(rèn)識(shí)還很局限，教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)實(shí)際需要結(jié)合不緊密，工科類學(xué)生普遍難以滿足復(fù)合型、綜合型人才的能力要求。與傳統(tǒng)工科不同，新工科的教育理念致力于以信息化推動(dòng)工業(yè)化，培養(yǎng)具備較強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力和復(fù)雜問(wèn)題分析能力的“新工科”人才。這類人才不僅應(yīng)在自己的專業(yè)領(lǐng)域成為專家，還要具有各種學(xué)科交叉的跨領(lǐng)域能力。

以人機(jī)融合為標(biāo)志，人工智能即將進(jìn)入3.0新興時(shí)代，智能制造是未來(lái)人工智能重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。多智能體、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)知識(shí)學(xué)習(xí)、云計(jì)算、人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)智能、AI芯片等新知識(shí)不斷更新，傳統(tǒng)的工科培養(yǎng)方式已難以應(yīng)對(duì)新一輪科技變革的挑戰(zhàn)。因此，高校工科教育需要對(duì)原有體系進(jìn)行改革，創(chuàng)新培養(yǎng)模式，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。在這個(gè)升級(jí)換代的過(guò)程中，程序設(shè)計(jì)類課程可以滿足大部分新工科工程專業(yè)的信息技術(shù)需求，當(dāng)然這需要建設(shè)多位一體的、能夠支撐新工科教育理念的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式。

2 “Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”教學(xué)改革探索

根據(jù)學(xué)生專業(yè)對(duì)信息技術(shù)的需要，“新工科”要求學(xué)生能夠分析和解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，如學(xué)科交叉問(wèn)題、綜合性問(wèn)題等。為支撐這一需求，需要改變傳統(tǒng)教學(xué)思路，改革教學(xué)模式。

2.1 比較異同快速上手

很多工科專業(yè)在開(kāi)設(shè)“Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”課程之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)C語(yǔ)言或Java語(yǔ)言。在這種情況下，教師再細(xì)致逐個(gè)講解Python的語(yǔ)法基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，可能令課堂教學(xué)非常枯燥。然而，Python語(yǔ)言的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)于有一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生，傳統(tǒng)的教學(xué)方式先講解理論知識(shí)，再上機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的效果不盡如人意。因此，建議教師將工程項(xiàng)目實(shí)踐和教學(xué)知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合。

具體來(lái)說(shuō)，為了讓學(xué)生快速上手，教師在指導(dǎo)學(xué)生掌握Python開(kāi)發(fā)環(huán)境配置的基本過(guò)程后,便可以簡(jiǎn)要介紹Python與Java/C等語(yǔ)言在運(yùn)算符、表達(dá)式、輸入輸出等基礎(chǔ)知識(shí)的異同，隨后重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力和計(jì)算思維。

2.2 基于工程實(shí)踐的問(wèn)題探究式教學(xué)方式

“新工科”的教學(xué)理念要求利用信息化技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題，這就需要培育不同專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維習(xí)慣。對(duì)于有一定基礎(chǔ)的學(xué)生，教師可以從簡(jiǎn)單的工程實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)始，然后進(jìn)一步提出新的應(yīng)用需求，引導(dǎo)學(xué)生用學(xué)習(xí)到理論知識(shí)解決新的問(wèn)題。如此一來(lái)，不僅可以讓學(xué)生熟練掌握所學(xué)知識(shí)，又能培養(yǎng)他們的計(jì)算思維。此外，在工程項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)該要求學(xué)生在編寫(xiě)程序之前先繪制程序流程圖，從而鍛煉學(xué)生能夠去分析并解決復(fù)雜工程問(wèn)題。對(duì)此舉例如下。

應(yīng)用1：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲，首先設(shè)置一個(gè)正整數(shù)，然后用戶輸入一個(gè)數(shù)，如果和該數(shù)一致則輸出“猜對(duì)了”，否則輸出“猜錯(cuò)了”并提示用戶哪個(gè)數(shù)更大。由于學(xué)生已有一定基礎(chǔ)，項(xiàng)目要求也比較簡(jiǎn)單直觀，學(xué)生可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目要求的各項(xiàng)功能，從而熟練掌握Python語(yǔ)言中順序、分支和條件3種基本程序結(jié)構(gòu)，深入了解如何使用Python語(yǔ)言中的內(nèi)置函數(shù)，并進(jìn)一步探索如何使用Python語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)折半查找法。

應(yīng)用2：應(yīng)用1中設(shè)置的正整數(shù)是固定的，在程序運(yùn)行后便不會(huì)發(fā)生變化。每次用戶重新進(jìn)行游戲時(shí)，要猜的數(shù)字和上一次游戲的一樣。這會(huì)導(dǎo)致用戶產(chǎn)生倦怠感，對(duì)游戲失去興趣，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)上述問(wèn)題的解決方案。

在這個(gè)應(yīng)用實(shí)踐中，可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)random.randint()函數(shù)隨機(jī)生成一個(gè)正整數(shù)的方法來(lái)解決每次游戲要猜的數(shù)一樣的問(wèn)題。同時(shí)，還可引導(dǎo)學(xué)生自行查找Python語(yǔ)言在數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計(jì)算等眾多領(lǐng)域常用類庫(kù)的使用方法。

應(yīng)用3：用戶在應(yīng)用2中玩完一次游戲后，必須重新運(yùn)行程序，才能開(kāi)始一下局游戲。如何實(shí)現(xiàn)用戶可以連續(xù)游戲。

在這個(gè)應(yīng)用實(shí)踐中，可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)應(yīng)用2中的程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，增加開(kāi)始游戲、暫停游戲、退出游戲等操作方式，并將游戲主體部分和這些操作方式封裝成函數(shù)，使程序更加簡(jiǎn)潔，易于理解。學(xué)生通過(guò)這個(gè)應(yīng)用可以掌握如何在Python語(yǔ)言中使用函數(shù)，理解函數(shù)式編程和過(guò)程式編碼之間的區(qū)別和聯(lián)系，了解計(jì)算思維導(dǎo)向的編程方式。

應(yīng)用4：應(yīng)用3中所使用的函數(shù)比較多，如何進(jìn)一步優(yōu)化？

在這個(gè)應(yīng)用實(shí)踐中，可以引導(dǎo)學(xué)生將應(yīng)用3中定義的函數(shù)以模塊的方式存儲(chǔ)并導(dǎo)入，使程序的結(jié)構(gòu)更加清晰，便于管理，并實(shí)現(xiàn)了代碼的重復(fù)利用。學(xué)生通過(guò)這個(gè)應(yīng)用可以掌握如何使用Python語(yǔ)言的模塊，理解程序的可重用性。

應(yīng)用5：雖然各個(gè)功能函數(shù)已經(jīng)存放在模塊文件之間，可以導(dǎo)入使用，如何進(jìn)一步優(yōu)化？

在這個(gè)應(yīng)用實(shí)踐中，可以引導(dǎo)學(xué)生利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，將游戲數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)操作進(jìn)一步封裝成類。學(xué)生通過(guò)這個(gè)應(yīng)用可以加深對(duì)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的理解，掌握Python語(yǔ)言中類的定義和使用。

應(yīng)用6：玩家在命令行終端中玩游戲的用戶體驗(yàn)不佳，如何修改為當(dāng)前更為流行的圖形化界面。

在這個(gè)應(yīng)用實(shí)踐中，可以引導(dǎo)學(xué)生了解Python中tkinter、PyQt、PySlide等圖形化界面工具集，掌握?qǐng)D形化界面開(kāi)發(fā)的基本流程、組件狀態(tài)的控制方法和事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制，從而對(duì)應(yīng)用5的代碼進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)游戲的圖形化界面。

通過(guò)基于工程實(shí)踐的問(wèn)題探究式教學(xué)方式，在工程項(xiàng)目應(yīng)用需求演化的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。將Python語(yǔ)言的核心知識(shí)點(diǎn)融入到各個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用中，使學(xué)生更容易理解面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^(guò)程編程思想的區(qū)別，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生的積極性等。

2.3 基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐能力培養(yǎng)

由于“新工科”要求學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐能力，因此在“Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”教學(xué)改革中，可以采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)方式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃中，通過(guò)一個(gè)特定領(lǐng)域（例如學(xué)生成績(jī)數(shù)據(jù)、圖書(shū)館的圖書(shū)信息、豆瓣電影信息、電商網(wǎng)站的評(píng)論數(shù)據(jù)等）的數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。完成這種類型的項(xiàng)目，并不需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這類復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，但又能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)課程所學(xué)習(xí)的知識(shí)（例如程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等）通過(guò)Python語(yǔ)言應(yīng)用到人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、信息檢索等領(lǐng)域。在項(xiàng)目實(shí)踐的初期，教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和查閱資料，深入了解使用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的原理、方法和步驟。同時(shí)，教師可以協(xié)助學(xué)生將完整的數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目分解成多個(gè)子功能模塊，例如數(shù)據(jù)采集與爬蟲(chóng)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)可視化、GUI界面等。

在數(shù)據(jù)采集階段，需要利用爬蟲(chóng)程序發(fā)送HTTP請(qǐng)求獲取網(wǎng)頁(yè)HTML源文件，再利用正則表達(dá)式等技術(shù)提取網(wǎng)頁(yè)中所需要的信息。由于教學(xué)項(xiàng)目所涉及的數(shù)據(jù)量不大，因此不建議學(xué)生使用Scrapy、Crawley等流行的Python爬蟲(chóng)框架。此外，這些框架已經(jīng)將常用的數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行了封裝，使用時(shí)僅需要調(diào)用相應(yīng)接口即可，不利于學(xué)生掌握數(shù)據(jù)采集原理，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力。教師可以指導(dǎo)學(xué)生使用request模塊，向網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，以及利用Chrome瀏覽器的開(kāi)發(fā)模式采集異步加載網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)。此時(shí)，教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生了解數(shù)據(jù)采集中涉及的法律問(wèn)題。當(dāng)目標(biāo)網(wǎng)站設(shè)置了反采集文件聲明，應(yīng)該避免爬取該網(wǎng)站的相關(guān)數(shù)據(jù)。如果目標(biāo)網(wǎng)站提供的是給公眾瀏覽查詢的公開(kāi)信息，那么采集該網(wǎng)站的公開(kāi)數(shù)據(jù)是符合法律法規(guī)的。

在采集到網(wǎng)頁(yè)的HTML源文件后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生分析網(wǎng)頁(yè)源碼，找到所要采集數(shù)據(jù)的特征。然后，可以使用正則表達(dá)式或Xpath等技術(shù)從網(wǎng)頁(yè)源碼中抽取相關(guān)數(shù)據(jù)。這個(gè)項(xiàng)目模塊能夠加深學(xué)生對(duì)正則表達(dá)式的理解，掌握使用Xpath查詢語(yǔ)言快速?gòu)腍TML源文件定位網(wǎng)頁(yè)元素的方法，將所學(xué)Python語(yǔ)言的字符串相關(guān)知識(shí)融合成一個(gè)有機(jī)整體。

通過(guò)以上方式可以在網(wǎng)絡(luò)中短時(shí)間采集到海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果通過(guò)文件的方式來(lái)進(jìn)行保存，則難以管理和檢索。因此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用MongoDB和Redis數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存和管理爬蟲(chóng)程序采集的數(shù)據(jù)，提高學(xué)生的自學(xué)能力。MongoDB通過(guò)鍵值對(duì)的形式保存數(shù)據(jù)，類似于Python語(yǔ)言中的字典，非常適合爬蟲(chóng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。作為一個(gè)流行的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，Redis在爬蟲(chóng)程序中可用于緩存需爬取的url列表，從而提高程序的讀寫(xiě)能力。在這個(gè)項(xiàng)目模塊中，將數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)和Python語(yǔ)言聯(lián)合起來(lái)，達(dá)到借助工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)生數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目實(shí)踐后，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到提高，為學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)和工作中解決復(fù)雜工程問(wèn)題提供支撐。同時(shí)，學(xué)生實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目軟件和文檔，也為他們參加“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”“開(kāi)放數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用”等各類競(jìng)賽提供思路和借鑒。

3 挖掘思政元素實(shí)現(xiàn)思政育人

習(xí)近平總書(shū)記曾在高等院校思想政治理論課教師座談會(huì)上，明確指出要堅(jiān)持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘教學(xué)方式和課程內(nèi)容中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，實(shí)現(xiàn)全員全程全方位育人[4]。因此，作為專業(yè)基礎(chǔ)課，“Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”也需要在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)出課程思政元素，探索將立德樹(shù)人和專業(yè)課程相結(jié)合的教學(xué)方式。為了培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)國(guó)熱情，塑造積極向上的人生觀和價(jià)值觀，可以在教學(xué)過(guò)程中融合以下案例開(kāi)展課程思政。

3.1 Python語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)

Python這門(mén)語(yǔ)言誕生于20世紀(jì)90年代，如今已經(jīng)成為人工智能的通用語(yǔ)言，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)可視化等領(lǐng)域。從誕生之初，“明確”“優(yōu)雅”和“簡(jiǎn)單”等理念就貫穿Python的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)者摒棄有歧義和復(fù)雜的語(yǔ)法規(guī)則，使用簡(jiǎn)單明確的編碼規(guī)范，從而提高了Python程序的可維護(hù)性和可讀性。聯(lián)系到生活中，可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)Python設(shè)計(jì)者的專業(yè)性，只有較高專業(yè)性，才令Python語(yǔ)言在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。只有努力學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，同學(xué)們才有可能成為相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人才，在工作中實(shí)現(xiàn)自己的價(jià)值。

3.2 Python序列

列表是Python語(yǔ)言中常用的序列結(jié)構(gòu)。如果要在列表中增加一個(gè)新元素，可以使用列表對(duì)象的insert、extend或append這3種方法。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，要根據(jù)具體需求有針對(duì)性地進(jìn)行選擇。通過(guò)分析3種方法的異同，可以引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)生活工作中要針對(duì)問(wèn)題，有的放矢，找到解決問(wèn)題的最佳方案。

3.3 異常處理結(jié)構(gòu)

程序運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的錯(cuò)誤被稱為異常。通過(guò)對(duì)異常和調(diào)試的講解，提升學(xué)生的風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)。聯(lián)系到生活中，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到做同一件事也許會(huì)造成多種不同的后果，并且有一些還是事先沒(méi)有預(yù)料到的異常后果。這就需要學(xué)生們事前多思考，要為這些異常后果也準(zhǔn)備好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式難以支撐新工科人才培養(yǎng)理念，分析了新工科建設(shè)對(duì)程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)的要求。以“Python語(yǔ)言基礎(chǔ)”這門(mén)課程為例，通過(guò)基于工程實(shí)踐的問(wèn)題探究式教學(xué)方式，將知識(shí)點(diǎn)融入到工程項(xiàng)目應(yīng)用中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。此外，將課程思政元素融入教學(xué)設(shè)計(jì)中，幫助學(xué)生樹(shù)立積極向上的人生觀和價(jià)值觀。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明，本文所提出教學(xué)改革方案可以激發(fā)學(xué)生的興趣，提升教學(xué)效果。