基于賦能教育的程序設(shè)計(jì)通識(shí)課程教學(xué)改革及課程建設(shè)

［摘 要］ 通過國內(nèi)外“程序設(shè)計(jì)”課程對(duì)比，引出當(dāng)前程序設(shè)計(jì)通識(shí)課的痛點(diǎn)，提出基于賦能教育的程序設(shè)計(jì)通識(shí)課程教學(xué)改革及課程建設(shè)方案，重點(diǎn)從教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)，重在賦能教育；教學(xué)內(nèi)容：取舍遵循以學(xué)生為中心，契合專業(yè)及社會(huì)需求；重構(gòu)教學(xué)模式：引入“軸反轉(zhuǎn)”，先能力后知識(shí)，知識(shí)為能力服務(wù)；教學(xué)設(shè)計(jì)：以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變。通過這幾個(gè)方面進(jìn)行闡述及教學(xué)實(shí)踐，旨在為程序設(shè)計(jì)通識(shí)課程教學(xué)找到一條“教”與“學(xué)”和諧統(tǒng)一的實(shí)施方案。

［關(guān)鍵詞］ 程序設(shè)計(jì)通識(shí)課；賦能；教學(xué)統(tǒng)一；教學(xué)設(shè)計(jì)

［作者簡介］ 胡瑞鵬（1977—），男，湖北武漢人，碩士，武漢輕工大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，主要從事數(shù)據(jù)挖掘及可視化研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）29-0057-04 ［收稿日期］ 2023-05-30

“程序設(shè)計(jì)”是本科院校各專業(yè)必修的通識(shí)課程，也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。既要掌握概念，又要?jiǎng)邮志幊毯蜕蠙C(jī)調(diào)試運(yùn)行，使學(xué)生掌握信息化社會(huì)數(shù)據(jù)處理與問題求解自動(dòng)化的基本方法和手段，初步具備運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序求解復(fù)雜專業(yè)問題的能力。

當(dāng)前，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能研究與應(yīng)用的不斷推進(jìn)，作為人工智能和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)語言，Python語言逐步走入大學(xué)程序設(shè)計(jì)課堂，已逐步代替C語言和Visual Basic，而成為主要的教學(xué)語言。C語言更偏向底層，抽象和語法糖更少，語法復(fù)雜，跨平臺(tái)性差，因此導(dǎo)致實(shí)用性較差；因?yàn)槲④洸辉偬峁?duì)VB6開發(fā)的支持，導(dǎo)致Visual Basic已經(jīng)不再是主流編程語言，被日漸淘汰。而Python語言語法簡潔，可以專注于程序設(shè)計(jì)思想及計(jì)算思維的訓(xùn)練。因此，Python在大數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)、人工智能編程、腳本編寫及系統(tǒng)測試等領(lǐng)域均排名第一，在Web編程和科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。Python語言可以跨平臺(tái)，國際上具有相當(dāng)豐富的開源函數(shù)庫，基本覆蓋了理學(xué)、工學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)等各個(gè)專業(yè)，對(duì)各專業(yè)學(xué)生深入開展專業(yè)內(nèi)容學(xué)習(xí)十分有益［1］。所以，特別是對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，用Python作為教學(xué)語言是非常好的選擇。與C語言等傳統(tǒng)教學(xué)語言相比，Python語言更大的優(yōu)勢在于其更具有實(shí)用性，可以讓學(xué)習(xí)者在較短時(shí)間內(nèi)掌握利用程序設(shè)計(jì)方法解決復(fù)雜專業(yè)問題的能力，尤其是進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化等方面的能力。

一、國內(nèi)外程序設(shè)計(jì)課程對(duì)比

結(jié)合筆者多年“程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及美國紐約州立大學(xué)為期一年的訪學(xué)經(jīng)歷，總結(jié)出程序設(shè)計(jì)通識(shí)課痛點(diǎn)主要有：教學(xué)內(nèi)容與時(shí)代前沿脫節(jié)；教學(xué)模式陳舊單一，新興信息技術(shù)應(yīng)用不充分；教學(xué)目標(biāo)存在重知識(shí)傳授、輕能力培養(yǎng)，導(dǎo)致復(fù)雜問題求解能力不足，工程能力培養(yǎng)不足；教師工程能力弱；考核方式偏重結(jié)課考試，抄襲現(xiàn)象頻繁。列舉國內(nèi)大學(xué)與對(duì)比項(xiàng)目如表1所示。

因此，在課程教學(xué)實(shí)施中，必須重塑教學(xué)目標(biāo)，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，改進(jìn)教學(xué)方法和手段，設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心、以能力為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)施方案。這既是“程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的發(fā)展趨勢，也是本研究課題的主要內(nèi)容。

二、教學(xué)目標(biāo)：從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)，重在賦能教育

非計(jì)算機(jī)專業(yè)的“程序設(shè)計(jì)”課程傳統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)多是要求掌握程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，旨在解決簡單計(jì)算問題、簡單算法，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完后卻不能動(dòng)手，做不到學(xué)以致用。因此本教研項(xiàng)目旨在轉(zhuǎn)變教學(xué)目標(biāo)，從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)，重在賦能教育。

“程序設(shè)計(jì)”課程講授的知識(shí)分為兩個(gè)認(rèn)知：初級(jí)認(rèn)知和高階認(rèn)知，如圖1所示。其中初級(jí)認(rèn)知主要包括基礎(chǔ)知識(shí)、概念、語法以及基礎(chǔ)算法。高階認(rèn)知主要包括應(yīng)用能力、設(shè)計(jì)能力和計(jì)算思維的培養(yǎng)，二者體現(xiàn)出知識(shí)獲取的金字塔模型。課程要有一定的難度，教師和學(xué)生需要跳一跳才能夠得著，這就要求教師認(rèn)真花時(shí)間、花精力、花情感備課講課，同時(shí)學(xué)生課上、課下要有較多的學(xué)習(xí)時(shí)間和思考作為課程學(xué)習(xí)的保障。初級(jí)認(rèn)知階段可借鑒傳統(tǒng)“程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)的實(shí)施手段，旨在讓學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法和基礎(chǔ)算法。高階認(rèn)知階段，以學(xué)生為中心，采用賦能教育，旨在培養(yǎng)學(xué)生的素養(yǎng)和能力，包括計(jì)算思維、信息素養(yǎng)、思政元素、專業(yè)技能以及綜合能力等。這樣才能夠真正做到教學(xué)目標(biāo)從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向素養(yǎng)能力的培養(yǎng)，從而賦予學(xué)生更多解決實(shí)際問題的能力，例如，基本的數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)可視化能力，乃至復(fù)雜問題抽象、建模、分解，以及利用計(jì)算機(jī)求解能力等［2］。

通過教學(xué)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變，Python課程教學(xué)旨在以解決問題和計(jì)算思維培養(yǎng)為主，通過大量計(jì)算問題的實(shí)踐訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維，既培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)興趣，又培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決計(jì)算問題的思維和能力。

三、教學(xué)內(nèi)容：以學(xué)生為中心，契合社會(huì)需求

“程序設(shè)計(jì)”課程的痛點(diǎn)之一就是教學(xué)內(nèi)容與時(shí)代前沿脫節(jié)，過于強(qiáng)調(diào)編程語言的語法、程序設(shè)計(jì)方法和算法的學(xué)習(xí)。所采用的教學(xué)案例多為單純數(shù)學(xué)問題，距離實(shí)際應(yīng)用較遠(yuǎn)，教學(xué)過程中存在“學(xué)不會(huì)，也用不上”的問題。為了解決這個(gè)痛點(diǎn)，“程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)內(nèi)容必須具有前沿性、時(shí)代性以及實(shí)用性。

Python語言語法相對(duì)簡單，生態(tài)完善，教學(xué)內(nèi)容除了程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分，例如，數(shù)據(jù)類型、流程控制及函數(shù)等，還應(yīng)契合社會(huì)需求，包含文件與數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化等高階認(rèn)知內(nèi)容。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)部分的內(nèi)容可以打散融入問題求解之中，以案例為紐帶，在知識(shí)點(diǎn)間建立一種有機(jī)的聯(lián)系。在高階認(rèn)知階段，強(qiáng)化各知識(shí)點(diǎn)間的交叉融合、反復(fù)再現(xiàn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用問題能力。

教學(xué)內(nèi)容需以學(xué)生為中心，契合學(xué)生需求。課程要以“計(jì)算機(jī)+專業(yè)”為紐帶，設(shè)計(jì)與各專業(yè)應(yīng)用緊密結(jié)合的應(yīng)用型教學(xué)案例和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜專業(yè)問題求解為根本目標(biāo)，真正做到學(xué)以致用，以用促學(xué)，真正培養(yǎng)學(xué)生用信息技術(shù)解決問題的能力。

教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)支撐“四新”學(xué)科建設(shè)。教育部提出建設(shè)“新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”，要求傳統(tǒng)學(xué)科與新興信息技術(shù)深度交叉融合，這也給非計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)通識(shí)課程提出了新的要求［3］。所以，程序設(shè)計(jì)通識(shí)課不應(yīng)該只是了解程序設(shè)計(jì)的基本方法，還要承擔(dān)起培養(yǎng)各專業(yè)學(xué)生掌握運(yùn)用程序設(shè)計(jì)方法解決復(fù)雜的專業(yè)問題，尤其是數(shù)據(jù)處理問題的能力，為從事行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用和人工智能等相關(guān)工作打下良好的基礎(chǔ)。

教學(xué)內(nèi)容融入課程思政元素，在案例中融入科學(xué)精神的培養(yǎng)，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力。注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)告的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

四、教學(xué)模式重構(gòu)：“軸反轉(zhuǎn)”教學(xué)模式，即先能力后知識(shí)

知識(shí)是一個(gè)會(huì)過時(shí)的、與時(shí)間相關(guān)的記錄，而能力是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的“競爭力狀態(tài)”清單，是學(xué)習(xí)能力和潛力的體現(xiàn)。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)緊緊圍繞具體的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，比如針對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講授，缺乏各知識(shí)點(diǎn)之間的交叉融合，缺乏轉(zhuǎn)化成能力的有效途徑及催化劑。雖然“程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)模式一直在不斷地改進(jìn)和發(fā)展，但還是沒有擺脫側(cè)重語法、算法、程序設(shè)計(jì)方法的講授，忽略實(shí)際能力的培養(yǎng)，從而導(dǎo)致不能滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。本教研項(xiàng)目引入美國斯坦福大學(xué)在2025計(jì)劃中提出的“軸反轉(zhuǎn)”教學(xué)理念［4］?！拜S反轉(zhuǎn)”教學(xué)理念的核心就在于“有使命的學(xué)習(xí)”，這就要求教與學(xué)的過程都必須有明晰的目標(biāo)，學(xué)生有長遠(yuǎn)的愿景和使命，將自己的興趣融入問題的解決，通過學(xué)習(xí)和做項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)。

采用“軸反轉(zhuǎn)”教學(xué)模式，就要求將傳統(tǒng)教學(xué)中以知識(shí)傳授為教學(xué)核心的方法，反轉(zhuǎn)為以能力培養(yǎng)為主、知識(shí)為能力服務(wù)的模式，即所有的知識(shí)獲得都要為技術(shù)能力的呈現(xiàn)服務(wù)。該教學(xué)組織模式弱化單純知識(shí)的講授，將教學(xué)的核心從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向問題求解方法和思維訓(xùn)練，將知識(shí)打散融入問題求解中。設(shè)計(jì)多個(gè)緊密圍繞專業(yè)實(shí)際需求的案例，并以案例為紐帶，在知識(shí)點(diǎn)間建立一種有機(jī)的聯(lián)系，強(qiáng)化各知識(shí)點(diǎn)之間的交叉融合、反復(fù)再現(xiàn)，在實(shí)際問題求解的同時(shí)逐漸掌握相關(guān)的知識(shí)。學(xué)生總是基于一定的使命進(jìn)行學(xué)習(xí)的，通過不斷地解決從簡單到復(fù)雜的各種問題，賦予學(xué)生好奇心與不停探索的動(dòng)力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，從而幫助學(xué)生快速構(gòu)建起解決各種復(fù)雜專業(yè)問題的能力。

五、教學(xué)設(shè)計(jì)：以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變

教學(xué)設(shè)計(jì)、組織與實(shí)施要突出學(xué)生中心地位，以“教”為中心轉(zhuǎn)向以“學(xué)”為中心。教師首先要弄明白“教什么？怎么教？”這兩個(gè)問題，這就要求授課教師也要與時(shí)俱進(jìn)，不斷提高自身的專業(yè)能力和教學(xué)能力，特別是要提升信息技術(shù)的綜合應(yīng)用能力［5］。并且要根據(jù)目標(biāo)導(dǎo)向反向教學(xué)設(shè)計(jì)，始終堅(jiān)持知識(shí)、能力和素質(zhì)有機(jī)融合。對(duì)于事實(shí)性知識(shí)和概念性知識(shí)采用理論講授和學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法。以此為基礎(chǔ)，通過理論授課、項(xiàng)目研討、創(chuàng)新競賽以及作業(yè)實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力、問題分析與建模能力等、數(shù)據(jù)分析能力、數(shù)據(jù)可視化能力以及工程應(yīng)用能力等，還可以通過理論講授、課程思政及作業(yè)實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、信息素養(yǎng)以及道德品質(zhì)等方面的素質(zhì)［3］。

在教學(xué)設(shè)計(jì)、組織與實(shí)施過程中，可以采用多種教學(xué)手段相結(jié)合。采用“軸反轉(zhuǎn)”教學(xué)模式，體現(xiàn)先能力，后知識(shí)，帶著使命學(xué)習(xí)，為程序設(shè)計(jì)賦能；遵循個(gè)性化，針對(duì)不同的專業(yè)需求，設(shè)計(jì)緊密結(jié)合專業(yè)實(shí)際需求的案例；突出數(shù)據(jù)化，著眼于專業(yè)數(shù)據(jù)分析，并利用教學(xué)數(shù)據(jù)反饋教學(xué)中存在的問題；利用新興信息技術(shù)輔助教學(xué)，例如，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示教學(xué)難點(diǎn)，利用自動(dòng)評(píng)測技術(shù)交互訓(xùn)練等；強(qiáng)調(diào)過程化訓(xùn)練和考核，加大平時(shí)過程考核的力度，靈活使用多種評(píng)價(jià)方式，不再采用期末一卷定總分的評(píng)價(jià)方式，而是建立起從學(xué)習(xí)過程、作業(yè)練習(xí)到上機(jī)測試，定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合，多視角、多元化的過程評(píng)價(jià)體系；扁平化程序設(shè)計(jì)，簡化邏輯，從而降低編程難度；師生互動(dòng)式、項(xiàng)目式合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)師生之間的教與學(xué)良性發(fā)展。

采用線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)方式。當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”教育日益普及，各種新興信息技術(shù)和數(shù)字資源都很容易獲取，例如，在線課程、虛擬實(shí)驗(yàn)及智慧教室等。教師可以利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建自己的在線課程資源方便學(xué)生使用，還可以通過建立QQ、微信群隨時(shí)進(jìn)行答疑解惑。在發(fā)揮線上教學(xué)的同時(shí)，也要充分發(fā)揮線下教學(xué)優(yōu)勢。線下課堂教學(xué)是課程建設(shè)的主陣地、主渠道和主戰(zhàn)場，根據(jù)學(xué)生情況因材施教組織教學(xué)，可以通過思維互動(dòng)、問答互動(dòng)、情感互動(dòng)及行為互動(dòng)等多種互動(dòng)教學(xué)模式，保持課堂活力。

結(jié)語

筆者及其教學(xué)團(tuán)隊(duì)在近兩年左右的教學(xué)活動(dòng)中，積極實(shí)踐基于賦能教育的Python通識(shí)課課程教學(xué)，使教學(xué)目標(biāo)從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)，重在賦能教育，重塑先能力后知識(shí)的教學(xué)模式，創(chuàng)建以“計(jì)算機(jī)+專業(yè)”緊密結(jié)合的應(yīng)用型教學(xué)案例和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，合理取舍教學(xué)內(nèi)容，靈活采取線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，突出學(xué)生中心地位，從以“教”為中心轉(zhuǎn)向以“學(xué)”為中心，始終堅(jiān)持知識(shí)、能力和素質(zhì)有機(jī)融合，教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)

［1］劉合兵，尚俊平，席磊.基于能力導(dǎo)向的程序設(shè)計(jì)綜合性課程實(shí)習(xí)改革與實(shí)踐［J］.河南教育（高校版），2021（7）：64-66.

［2］唐德凱，夏新文，桂小林.新工科背景下面向賦能教育的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革探索［J］.計(jì)算機(jī)教育，2020（9）：178-182.

［3］汪紅霞，賀愛香.面向賦能教育的程序設(shè)計(jì)類教學(xué)模式研究［J］.上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020（6）：31-35+74.

［4］魏冬梅，王秀華，王影，等.基于Python的程序設(shè)計(jì)通識(shí)課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐［J］.計(jì)算機(jī)教育，2019（2）：69-73.

［5］曹福亮，劉英，王伊寧，等.面向新工科的工程專業(yè)實(shí)踐賦能教育路徑［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2021（3）：85-91.

Teaching Reform and Curriculum Construction of Programming General Course Based on Empowerment Education

HU Rui-peng

（School of Mathematics amp; Computer Science， Wuhan Polytechnic University， Wuhan，

Hubei 430048， China）

Abstract： By comparing programming courses at home and abroad， this paper draws out the pain points of current programming general courses， proposes the teaching reform and curriculum construction plan of programming general courses based on empowerment education， and focuses on the elaboration and practice of teaching objective transformation from knowledge imparting to ability cultivation， teaching content following the Student-centered method and professional needs of students， reconstructing teaching mode based on “Axix Reversal” to make knowledge serves ability， teaching design from “Teaching” to “Learning” transformation， and other aspects. The aim of the elaboration and teaching practice is to find a harmonious and unified implementation scheme of “teaching” and “l(fā)earning” for the teaching of programming general courses.

Key words： programming general courses; empowerment; the unity of teaching and learning; design of teaching