黃天羽+嵩天

摘 要：針對目前程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)狀況，分析學(xué)生在程序設(shè)計(jì)課程入門學(xué)習(xí)中的困惑，探討將現(xiàn)有程序設(shè)計(jì)課程案例與圖形相結(jié)合，提出“圖形牽引興趣，開展Python案例教學(xué)”的觀點(diǎn)，并給出圖形化入門程序案例、圖形化程序結(jié)構(gòu)案例、圖形化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)案例、實(shí)際問題應(yīng)用等，在程序設(shè)計(jì)入門教學(xué)過程中通過圖形實(shí)現(xiàn)計(jì)算問題求解過程或結(jié)果呈現(xiàn)的多樣化、可視化，以達(dá)到提高學(xué)生程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)現(xiàn)代計(jì)算思維的目的。

關(guān)鍵詞： Python程序設(shè)計(jì)；圖形教學(xué)；興趣牽引；案例教學(xué)

0 引 言

Python語言是目前最接近自然語言的通用編程語言，它是程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的理想選擇，是理解計(jì)算思維時(shí)代性的重要體現(xiàn)[1]。程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革不僅僅是選擇一種語言，更應(yīng)該是建立一種易于理解、提升興趣的教學(xué)形式。在教學(xué)方法層次上，教師應(yīng)重視圖形的作用[2]。我們生活在一個(gè)豐富多彩的圖形世界里，學(xué)會(huì)利用圖形分析和解決問題，既是現(xiàn)實(shí)生活的需要，又是圖形編程的重要內(nèi)容。在教學(xué)中，用圖形的可視化手段輔助解決計(jì)算問題，在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，又有助于解決學(xué)習(xí)、生活及生產(chǎn)中的問題。

計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)給人們的生活帶來了巨大改變。計(jì)算機(jī)用戶接口的人機(jī)方式由最初穿孔紙帶，經(jīng)歷了字符顯示、文字顯示、圖形/圖像、視頻/多媒體，發(fā)展到今天全方位感知的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。與此形成鮮明對比的是，當(dāng)前程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)案例依然沿用基于字符的人機(jī)接口。

Python語言提供了豐富的圖形計(jì)算生態(tài)環(huán)境，借助第三方庫可以方便地實(shí)現(xiàn)圖形繪制、數(shù)據(jù)可視化、用戶界面以及復(fù)雜的圖形應(yīng)用[3]。在Python教學(xué)中引入圖形化手段[4]，實(shí)現(xiàn)計(jì)算問題求解過程或結(jié)果呈現(xiàn)的多樣化、可視化，可以達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生建立學(xué)習(xí)自信、培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代計(jì)算思維的目的。

1 當(dāng)前程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)現(xiàn)狀

自程序設(shè)計(jì)語言課程在我國高校開設(shè)以來，一直沿用以求解數(shù)學(xué)類問題為主的教學(xué)案例主線，典型例子如下。

（1）星號問題。編寫程序，輸出由星號（*）組成的菱形。

（2）溫度轉(zhuǎn)換問題。編寫程序，轉(zhuǎn)換攝氏溫度為華氏溫度，轉(zhuǎn)換公式為C=（5/9）（F-32），其中，C表示攝氏溫度，F(xiàn)表示華氏溫度。

求解這些問題的共同點(diǎn)是對簡單數(shù)學(xué)公式進(jìn)行編程并計(jì)算結(jié)果。翻譯成程序設(shè)計(jì)語言即通過定義合適的數(shù)學(xué)變量，建立數(shù)學(xué)表達(dá)式，將結(jié)果賦值給變量，最終輸出計(jì)算結(jié)果。對于剛剛接觸程序設(shè)計(jì)的學(xué)生來說，程序設(shè)計(jì)語言是一種全新的思維訓(xùn)練，也是計(jì)算思維習(xí)慣的培養(yǎng)過程。然而，枯燥的程序設(shè)計(jì)語言語法學(xué)習(xí)和單一形式的問題求解實(shí)踐降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使得他們對程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生了理想和現(xiàn)實(shí)差距的困惑。這些困惑反映了當(dāng)前程序設(shè)計(jì)教學(xué)案例已經(jīng)遠(yuǎn)離學(xué)生實(shí)際生活的事實(shí)。

2 以圖形牽引興趣

圖形讓現(xiàn)實(shí)生活變得豐富多彩。在教學(xué)中，用圖形的可視化手段輔助解決計(jì)算問題，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，又有助于解決學(xué)習(xí)、生活及生產(chǎn)中的問題。

2.1 教學(xué)案例的字符化與圖形化對比

針對前文中的典型程序問題，在Python語言教學(xué)過程中，可以通過圖形化設(shè)計(jì)將計(jì)算過程和結(jié)果以直觀的可視化形式展示出來，其設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1和圖2所示。將其與傳統(tǒng)教學(xué)的輸入輸出設(shè)計(jì)相比，圖形化的輸入輸出具有更好的理解性和直觀性，同時(shí)對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也起到有益的引導(dǎo)作用。

在圖1所示的星號問題案例中，主要考查學(xué)生對循環(huán)結(jié)構(gòu)的理解以及輸入邊界條件的驗(yàn)證。雖然以星號排列組成的求解結(jié)果形式屬于圖形化的范疇，如圖1（a）所示，但黑白顏色和“*”字符輸出會(huì)讓學(xué)生對圖形理解產(chǎn)生障礙；而圖1（b）所示的結(jié)果不僅在顏色上有豐富的變化，同時(shí)能更直觀、更形象地幫助學(xué)生理解通過輸入n值獲得3～n邊形的循環(huán)結(jié)構(gòu)問題。

在圖2所示的溫度轉(zhuǎn)換問題案例中，需要讓學(xué)生實(shí)踐C=（5/9）（F-32）數(shù)學(xué)公式的計(jì)算。圖2（a）展示了以英文句子作為提示的輸入方式；圖2（b）給出了基于對話框的用戶交互界面，在輸入框中輸入攝氏溫度C值，在對話框中輸出數(shù)值型華氏溫度F值，同時(shí)對話框背景色根據(jù)當(dāng)前溫度的高低給出不同顏色暗示，第1張圖表示溫度越低，第3張圖表示溫度越高。圖2（b）的圖形化結(jié)果較圖2（a）更加直觀且考核了分支結(jié)構(gòu)。這種運(yùn)用色彩的方式使學(xué)生自身能產(chǎn)生與顏色值類似的感受，更貼近生活實(shí)際，與學(xué)生“學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語言，解決身邊計(jì)算問題”的初衷一致。

2.2 Python的圖形計(jì)算生態(tài)

Python語言具有開源、跨平臺(tái)、腳本執(zhí)行、通用等若干特點(diǎn)，1991年正式發(fā)布至今26年，迅速發(fā)展且得到普及和廣泛應(yīng)用。Python語言的開源思想深入發(fā)展，已構(gòu)建了龐大的計(jì)算生態(tài)。目前，Pyton語言形成了約10萬多個(gè)以開源項(xiàng)目為代表的第三方庫，在圖形和可視化領(lǐng)域也形成了龐大的生態(tài)社區(qū)，如Enthought公司提供了豐富的第三方圖形庫，Enthought社區(qū)也成為典型的圖形計(jì)算生態(tài)圈。

Python語言的第三方圖形庫可以分為簡單平面繪圖庫、GUI圖形用戶界面庫、數(shù)據(jù)可視化庫、圖形/圖像/多媒體庫等幾類，見表1。

2.3 教學(xué)案例的圖形化設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)案例的圖形設(shè)計(jì)不僅需要考慮程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的展示，還需要在求解問題的過程中引入圖形化設(shè)計(jì)方法，輔助問題求解，更大限度地提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。圖形化設(shè)計(jì)可考慮從以下4個(gè)方面展開。

1）計(jì)算問題求解結(jié)果呈現(xiàn)的多樣化、可視化。

2.1節(jié)分別針對星號問題和溫度轉(zhuǎn)換問題開展了求解結(jié)果的圖形化設(shè)計(jì)，求解結(jié)果直觀生動(dòng)、形式多樣化。對于傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)案例，可以通過Python語言第三方庫改造，實(shí)現(xiàn)可視化展現(xiàn)。Python語言第三方庫使用簡單，案例中不應(yīng)回避圖形繪制，應(yīng)盡可能利用圖形化手段豐富求解結(jié)果的呈現(xiàn)效果。

2）程序設(shè)計(jì)教學(xué)與圖形的結(jié)合。

程序設(shè)計(jì)語言的語法和程序結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計(jì)入門課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。Python語言是一種重問題求解、輕語法的程序設(shè)計(jì)語言，其初衷是將程序員的主要精力放在問題求解上，因此，為了實(shí)現(xiàn)圖形牽引興趣的Python學(xué)習(xí)，應(yīng)將程序設(shè)計(jì)教學(xué)的全部內(nèi)容與圖形相結(jié)合，包括程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)等。

3）引入圖形用以直觀展示問題的求解過程。

很多實(shí)際問題在抽象成計(jì)算問題的過程中，會(huì)逐漸丟失直觀的信息成分。通常數(shù)學(xué)問題的求解都是以理論推導(dǎo)為基礎(chǔ)，相對于可視化而言，其求解過程枯燥、非直觀，如遞歸類問題。通過引入圖形手段，可以直觀展示遞歸嵌套的逐級求解過程，這將幫助學(xué)生直觀理解遞歸原理和具體運(yùn)行過程。

4）實(shí)際問題應(yīng)用的豐富多彩。

在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的90%應(yīng)用程序都具有豐富的可視化形象，一方面，體現(xiàn)在絕大多數(shù)應(yīng)用軟件都有美觀的圖形用戶接口GUI，即軟件界面；另一方面，很多實(shí)際問題的應(yīng)用是基于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)生成的，如圖形藝術(shù)、圖像處理、游戲設(shè)計(jì)開發(fā)、3D應(yīng)用等。在信息類相關(guān)專業(yè)開展程序設(shè)計(jì)高級進(jìn)階課程教學(xué)時(shí)，應(yīng)及時(shí)引入圖形化編程，以完善程序設(shè)計(jì)的知識體系。

3 程序設(shè)計(jì)課程入門實(shí)例

3.1 開展圖形教學(xué)可能產(chǎn)生的困惑

改變傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)案例，開展基于圖形的程序設(shè)計(jì)案例教學(xué)，可能會(huì)給教師和學(xué)生帶來以下困惑。

（1）初學(xué)程序設(shè)計(jì)的學(xué)生是否真的理解圖形概念？調(diào)查表明，學(xué)生認(rèn)為圖形的人機(jī)交互方式遠(yuǎn)比命令行方式更好理解，因此圖形將成為程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的輔助工具。

（2）使用Pyhon圖形庫需要多少程序設(shè)計(jì)功底？能否在入門課程中使用？Python語言的圖形計(jì)算生態(tài)不僅提供了專業(yè)的第三方圖形庫，還提供了適用于入門學(xué)習(xí)者的第三方圖形庫，這使得編寫Python圖形程序非常簡單，對于零基礎(chǔ)入門學(xué)習(xí)者來說并不存在障礙。

（3）圖形是Python可選的教學(xué)內(nèi)容，還是必選的教學(xué)內(nèi)容？沒有圖形支持的程序只能基于數(shù)字或字符，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和顯示效果十分發(fā)達(dá)的今天，這種學(xué)習(xí)體驗(yàn)非常不利于學(xué)生保持學(xué)習(xí)興趣。對于初學(xué)者來說，圖形不僅是Python語言必選的教學(xué)內(nèi)容，還是必不可少的教學(xué)手段。

3.2 第一個(gè)圖形入門程序設(shè)計(jì)

我們通過引入第一個(gè)圖形入門程序設(shè)計(jì)案例，分析圖形對入門者的學(xué)習(xí)興趣牽引作用。通常，程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)的第一個(gè)入門案例都為“Hello World”，該案例通過執(zhí)行輸出語句，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的計(jì)算機(jī)程序。然而，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，完成這樣的程序編寫并不能給初學(xué)者帶來成就感和學(xué)習(xí)信心，或者說從入門學(xué)習(xí)的興趣牽引角度上來說，效果并不明顯。

在教學(xué)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)了以Python（英文釋義蟒蛇）為主題的小蛇繪制案例snake.py。該案例基于Python內(nèi)嵌的Turtle庫，在圖形窗口中繪制了一條彎曲的蟒蛇，程序繪制結(jié)果如圖3所示。Python的程序代碼如下：

#snake.py

import turtle #引入turtle庫

def drawSnake（rad， angle， len， neckrad）： #繪制小蛇函數(shù)

for i in range（len）： #繪制小蛇身體彎曲的周期數(shù)

turtle.circle（rad， angle） #繪制正半圓

turtle.circle（-rad， angle） #繪制負(fù)半圓

turtle.circle（rad， angle/2） #繪制小蛇的脖子

turtle.fd（rad）

turtle.circle（neckrad+1， 180）

turtle.fd（rad*2/3）

turtle.setup（1300， 800， 0， 0） #建立窗框

pythonsize = 30 #設(shè)置畫筆變量

turtle.pensize（pythonsize） #設(shè)置畫筆粗細(xì)

turtle.pencolor（"blue"） #設(shè)置畫筆顏色

turtle.seth（-40） #設(shè)置前進(jìn)的朝向

drawSnake（40， 80， 5， pythonsize/2） #調(diào)用小蛇繪制函數(shù)

snake程序案例體現(xiàn)了較多程序設(shè)計(jì)元素，如第三方庫的引用、變量定義、表達(dá)式、函數(shù)定義、循環(huán)結(jié)構(gòu)等；同時(shí)，該程序還包含Python Turtle庫的若干函數(shù)。在實(shí)踐中，初學(xué)者并沒有因?yàn)槌瓕?5行陌生代碼而退縮，正是由于Python語言重問題求解、輕語法的特點(diǎn)，學(xué)生更關(guān)注如何繪制出一條小蛇，而非每一個(gè)語句的語法。在完成代碼抄寫并成功運(yùn)行程序的情況下，95%以上的學(xué)生認(rèn)為通過編寫代碼繪制出一條生動(dòng)的小蛇“有趣”“有成就感”，78%以上的學(xué)生認(rèn)為自己對學(xué)好程序設(shè)計(jì)語言課程“有信心”。

在該程序中引入的Turtle庫是一個(gè)適用于初學(xué)者的繪圖庫，通過模擬烏龜爬行釋義實(shí)現(xiàn)圖形的繪制，如turtle.fd（）是沿著當(dāng)前方向爬行/繪制一定長度的直線，trutle.pensize（）是設(shè)置爬行/繪制路徑的寬度。

4 開展Python圖形案例教學(xué)

為了進(jìn)一步探討圖形與程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)的結(jié)合，我們針對程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、文件、字典和遞歸開展Python圖形案例教學(xué)的設(shè)計(jì)。由于Turtle圖形庫易于理解，本節(jié)案例均基于Turtle庫實(shí)現(xiàn)圖形可視化，源程序可參考中國大學(xué)MOOC“Python語言程序設(shè)計(jì)”課程在線資源[5]。

4.1 圖形與程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

程序設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計(jì)語言教學(xué)的重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)提出了程序的3種基本結(jié)構(gòu)，即順序、循環(huán)和選擇，它們控制了算法一系列操作的執(zhí)行次序。在圖形化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，教師可設(shè)計(jì)這樣的案例：“編寫程序，應(yīng)用順序、循環(huán)和選擇3種程序基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多邊形繪制”。順序、循環(huán)和選擇3種結(jié)構(gòu)的程序主要代碼片段如下：

在程序?qū)崿F(xiàn)上，通過順序調(diào)用Turtle庫中函數(shù)penup（）、goto（）、pendown（）、circle（）依次實(shí)現(xiàn)多邊形的繪制，程序執(zhí)行效果如圖4（a）所示；通過循環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)置goto（）和circle（）函數(shù)的參數(shù)為循環(huán)變量，實(shí)現(xiàn)多邊形的循環(huán)繪制；通過選擇結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸入的選擇參數(shù)shape，有選擇地進(jìn)入不同的分支語句，執(zhí)行多邊形繪制。進(jìn)一步，通過設(shè)置turtle的begin_fill（）、pencolor（）、end_fill（）函數(shù)，可以為繪制的多邊形填充顏色，程序執(zhí)行效果如圖4（b）所示，可使得圖形結(jié)果更加生動(dòng)、鮮明。該案例的設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生直觀理解3種程序結(jié)構(gòu)。

4.2 圖形與文件

文件操作是程序設(shè)計(jì)入門課程的重要內(nèi)容之一。圖形化文件操作實(shí)例設(shè)計(jì)如下：讀取文件data.txt數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)形成的圖形路徑。圖5（a）給出了文件data.txt示意，文件中第1行第1列數(shù)據(jù)300表示向當(dāng)前方向前進(jìn)300個(gè)像素，第2列數(shù)據(jù)0表示向左轉(zhuǎn)，1則表示向右轉(zhuǎn)，第3列數(shù)據(jù)144表示轉(zhuǎn)動(dòng)的144度角，第4、5、6列數(shù)據(jù)（1，0，0）表示當(dāng)前繪制路徑的顏色RGB值。根據(jù)該數(shù)據(jù)文件，可以動(dòng)態(tài)地繪制出路徑圖形，如圖5（b）所示。這是典型的基于文件數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用案例，是工程數(shù)據(jù)可視化、視頻文件播放器等應(yīng)用的極簡設(shè)計(jì)。該案例不僅可以讓學(xué)生練習(xí)文件讀取操作，還有助于學(xué)生理解基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)原理。

4.3 圖形與遞歸

遞歸是程序算法教學(xué)中重要的知識點(diǎn)，對程序入門學(xué)習(xí)者來說，遞歸概念抽象不好理解，采用可視化手段，求解過程就變得直觀易懂。例如，遞歸案例“編寫程序，運(yùn)用遞歸方法繪制一棵樹”，其程序執(zhí)行結(jié)果如圖6所示，利用Turtle的動(dòng)態(tài)繪制機(jī)制，遞歸調(diào)用過程一目了然。

4.4 圖形與字典

字典是Python語言特有的高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是非序列集合而提供的一種數(shù)據(jù)類型。字典學(xué)習(xí)的經(jīng)典程序案例是詞頻統(tǒng)計(jì)，通過圖形化設(shè)計(jì)改造，教學(xué)案例設(shè)計(jì)為“讀取一篇英文文章，統(tǒng)計(jì)文章中每個(gè)單詞的出現(xiàn)頻率，并以柱狀圖輸出出現(xiàn)次數(shù)最多的10個(gè)英文單詞”。程序執(zhí)行結(jié)果如圖7所示，與文字輸出的結(jié)果形式相比，該圖呈現(xiàn)效果更為直觀。

4.5 豐富多彩的Python庫解決實(shí)際問題

應(yīng)用Python第三方圖形庫可以解決諸多實(shí)際問題，如圖像處理、數(shù)據(jù)分析與展示、科學(xué)計(jì)算三維可視化、三維掃描數(shù)據(jù)處理、物理光照和全局光照、真實(shí)感圖形繪制、視景仿真、及時(shí)戰(zhàn)略游戲、FPS游戲、軍事仿真應(yīng)用等。

5 結(jié) 語

基于Python圖形計(jì)算生態(tài)，我們提出了“圖形牽引興趣，開展Python案例教學(xué)”的教學(xué)觀點(diǎn)，通過實(shí)現(xiàn)計(jì)算問題求解過程和結(jié)果呈現(xiàn)的多樣化、可視化，將圖形化教學(xué)案例設(shè)計(jì)思想引入第一門程序設(shè)計(jì)課程。實(shí)踐表明，經(jīng)該方法改造后的案例可以有效提升并使學(xué)生保持較高的學(xué)習(xí)熱情、建立學(xué)習(xí)自信，達(dá)到進(jìn)一步培養(yǎng)計(jì)算思維的目的。上述教學(xué)理念在北京理工大學(xué)7次課堂教學(xué)實(shí)踐和中國大學(xué)MOOC多次在線課程教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用，取得了良好的教學(xué)效果。

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（編輯：宋文婷）