葉鷗 李占利 馮健

摘 要：為保證Python語言課程教學(xué)質(zhì)量、提高學(xué)生利用Python語言解決理論和實(shí)踐問題的能力，提出基于DICE知識生態(tài)模式的Python課程教學(xué)實(shí)踐方法。該方法以構(gòu)建DICE知識生態(tài)模式為導(dǎo)向，通過建立知識分布、知識互動(dòng)、知識競爭和知識演化相融合的多元化教學(xué)方法，在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的基礎(chǔ)上，不斷加大學(xué)生知識儲(chǔ)備、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生最終能利用Python程序設(shè)計(jì)語言解決軟件專業(yè)理論問題和實(shí)踐應(yīng)用問題。教學(xué)實(shí)踐表明，該方法可有效促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、提高Python程序設(shè)計(jì)語言應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：Python程序設(shè)計(jì);DICE知識生態(tài)模式;計(jì)算思維;自主學(xué)習(xí)

DOI：10. 11907/rjdk. 192420 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：G433文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)語言是在面向?qū)ο蠛徒忉屝统绦蛟O(shè)計(jì)語言基礎(chǔ)上的進(jìn)一步演變與發(fā)展[1-2]。Python程序設(shè)計(jì)語言由于其語法簡單、開源實(shí)現(xiàn)[3]，具有較強(qiáng)的可移植性、可擴(kuò)展性和可嵌入性，具備功能強(qiáng)大、種類豐富多樣的標(biāo)準(zhǔn)庫，并可應(yīng)用于其它語言與工具，因此Python語言也被稱為膠水語言。同時(shí)，它也可支持Web編程、數(shù)據(jù)庫編程、網(wǎng)絡(luò)編程、網(wǎng)頁爬蟲、Pymo引擎、黑客編程等應(yīng)用，為各專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)研究和軟件工程項(xiàng)目開發(fā)提供了強(qiáng)大支持，已廣泛應(yīng)用于視頻圖像處理、自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等方向的研究[4-6]。Python程序設(shè)計(jì)語言因其語言特點(diǎn)和廣泛的適用性，成為國際最受歡迎的程序設(shè)計(jì)語言。為保證Python語言課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生利用Python語言解決科學(xué)理論和應(yīng)用問題的能力，進(jìn)行Python程序設(shè)計(jì)語言課程教學(xué)改革研究十分必要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國外很多高校（如麻省理工學(xué)院、渥太華大學(xué)等）已將《Python程序設(shè)計(jì)》課程作為大學(xué)生基礎(chǔ)編程課程，并在Coursera等在線教育平臺(tái)上提供約翰霍普金斯大學(xué)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(shè)計(jì)語言相比其它語言具有更高的教學(xué)價(jià)值，并且這一技術(shù)趨勢也得到國外眾多大學(xué)響應(yīng)。美國綜合排名前100的大學(xué)已有超過70所開設(shè)了Python語言類課程[3]。加拿大渥太華大學(xué)提出多元化Python教學(xué)思想，通過多元化教學(xué)手段進(jìn)行教學(xué)改革?？偟膩碚f，從國外高校教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量來看，相關(guān)教改取得了較好效果。

我國針對Python程序設(shè)計(jì)語言課程的開設(shè)和研究起步相對較晚。目前，相關(guān)教學(xué)研究主要集中在如何利用計(jì)算思維進(jìn)行Python程序語言學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)[8]利用計(jì)算思維提出Python語言程序設(shè)計(jì)的4段教學(xué)模式，通過案例、拆解、糾錯(cuò)和增量式編程方式進(jìn)行教學(xué);文獻(xiàn)[9]提出計(jì)算思維視域下的Python程序設(shè)計(jì)語言課程教學(xué)改革方法，可兼顧編程技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù);文獻(xiàn)[10]分析了基于計(jì)算思維的Python編程語言教學(xué)課程先進(jìn)性，發(fā)現(xiàn)Python語言課程有助于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力;文獻(xiàn)[11]將Python融入《數(shù)字信號處理》課程，開展理論講授、實(shí)驗(yàn)操作和課程設(shè)計(jì)3個(gè)環(huán)節(jié)，通過網(wǎng)絡(luò)課程拓展自主學(xué)習(xí)渠道，構(gòu)建以Python為基礎(chǔ)，集課堂演示、實(shí)踐操作和知識應(yīng)用于一體的綜合教學(xué)模式;文獻(xiàn)[12]提出通過理解和運(yùn)用計(jì)算生態(tài)，推動(dòng)Python程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)改革。通過已有研究發(fā)現(xiàn)，Python程序設(shè)計(jì)語言課程與計(jì)算思維緊密相連，可在兼顧Python語言功能的基礎(chǔ)上，與數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等關(guān)聯(lián)，在引導(dǎo)學(xué)生對程序設(shè)計(jì)平滑入門的同時(shí)，讓學(xué)生深入理解和掌握如何運(yùn)用程序語言解決理工科理論科學(xué)和工程實(shí)踐問題。

然而，計(jì)算思維是建立在數(shù)學(xué)理論與相關(guān)理工科專業(yè)背景基礎(chǔ)之上的。若僅靠Python程序設(shè)計(jì)語言學(xué)習(xí)帶動(dòng)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)顯然是不夠的，并且以計(jì)算思維為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方式存在以下不足之處：

（1）由于Python語言的易用性和擴(kuò)展性，學(xué)生往往會(huì)輕視Python相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。事實(shí)上，在不同研究領(lǐng)域，Python語言實(shí)現(xiàn)方式差異性較大，主要體現(xiàn)在豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)與相關(guān)領(lǐng)域算法的實(shí)現(xiàn)方面，學(xué)生需在掌握一定專業(yè)知識的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)Python編程。

（2）學(xué)生水平參差不齊，如果直接將計(jì)算思維載入Python學(xué)習(xí)過程中，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱或?qū)I(yè)領(lǐng)域知識掌握不牢的學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)和排斥心理，不利于學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)。

（3）在教學(xué)過程中容易忽視學(xué)生學(xué)習(xí)方式。由于我國很多高校依然以講授Python知識為主，學(xué)生大多采用被動(dòng)學(xué)習(xí)的方式，因此過度依賴于老師講授，針對專業(yè)領(lǐng)域的Python應(yīng)用往往較難入手，不利于學(xué)生主動(dòng)思考能力發(fā)展。

（4）該課程教學(xué)設(shè)計(jì)往往容易忽視Python知識體系建立。除Python程序設(shè)計(jì)之外，相關(guān)課程內(nèi)容涉及較少，課程延展性較弱，不利于學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)，學(xué)生知識體系會(huì)受到一定程度限制，這點(diǎn)與國外有所差距。

為解決上述問題，本文以構(gòu)建分布—互動(dòng)—競爭—演化（Distribution-Interaction-Competition-Evolution，DICE）知識生態(tài)模式[13]為導(dǎo)向，對《Python程序設(shè)計(jì)》課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革，通過探討如何在課程教學(xué)過程中為學(xué)生構(gòu)建知識生態(tài)體系，使學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，不斷加大知識儲(chǔ)備，并進(jìn)一步理解和掌握計(jì)算思維方式，并利用Python程序設(shè)計(jì)語言解決相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)問題和項(xiàng)目工程實(shí)踐問題。

2 基于DICE知識生態(tài)模式的Python程序設(shè)計(jì)課程實(shí)踐方法

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

本文以構(gòu)建DICE知識生態(tài)模式為導(dǎo)向，進(jìn)行知識分布、知識互動(dòng)、知識競爭和知識演化相融合的Python程序設(shè)計(jì)課程改革與實(shí)踐。其中，教師在DICE知識生態(tài)模式中設(shè)計(jì)知識結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)知識互動(dòng)，建立知識競爭模式，啟發(fā)知識演化過程。學(xué)生在Python課程學(xué)習(xí)過程中，首先獲取多樣的知識內(nèi)容，建立計(jì)算思維理念;然后，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)進(jìn)行知識互動(dòng)和探索;之后，通過知識應(yīng)用形成知識競爭;最后，在知識競爭的過程中總結(jié)問題，改進(jìn)知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。為增強(qiáng)學(xué)生的知識理解和運(yùn)用能力，本文以軟件工程項(xiàng)目與縱向科研項(xiàng)目為載體，使學(xué)生在Python語言課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，了解與Python程序設(shè)計(jì)語言相關(guān)的課程內(nèi)容和專業(yè)內(nèi)容。DICE知識生態(tài)模式為導(dǎo)向的Python程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)體系如圖1所示。

由圖1可知，為構(gòu)建DICE知識生態(tài)模式，首先需仔細(xì)分析DICE知識生態(tài)模型概念與計(jì)算思維內(nèi)涵，研究模型各基本組成部分含義、內(nèi)容，以及其特征和表現(xiàn)形式，確定在《Python程序設(shè)計(jì)》課程中哪些知識要點(diǎn)涉及DICE知識模型相關(guān)內(nèi)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(diǎn)，研究這些知識點(diǎn)如何與知識生態(tài)的典型特征和不同階段有機(jī)融合;之后，選取學(xué)生已掌握的專業(yè)領(lǐng)域知識或感興趣的專業(yè)領(lǐng)域知識，對現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新審視和定位，在教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)調(diào)整、增加Python語言課程與專業(yè)領(lǐng)域知識相結(jié)合的內(nèi)容;最后，圍繞問題分析思路組織相關(guān)知識，設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，最終構(gòu)建一個(gè)以DICE知識生態(tài)模式為導(dǎo)向的《Python程序設(shè)計(jì)》課程知識體系，并通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行講授。針對圖1中不同階段內(nèi)容的相關(guān)教學(xué)實(shí)踐方法如下所示。

（1）DICE知識分布階段。首先，選取Python程序設(shè)計(jì)語言內(nèi)容較全面的書籍及相關(guān)輔導(dǎo)材料作為該課程教學(xué)內(nèi)容與素材，盡可能涉及基本Python語言、基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)編程、圖像輸出編程、大數(shù)據(jù)編程等內(nèi)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(xué)材料，盡可能彌補(bǔ)課堂有限時(shí)間內(nèi)教學(xué)講授的薄弱部分，提高知識分布強(qiáng)度;最后，在講授過程中，將線性代數(shù)、高等數(shù)學(xué)等涉及的計(jì)算方式與Python程序設(shè)計(jì)語言講授相結(jié)合，引入計(jì)算思維，引導(dǎo)學(xué)生利用Python語言解決實(shí)際計(jì)算問題。

（2）DICE知識互動(dòng)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(guān)的知識內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自學(xué)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域知識，并運(yùn)用Python語言解決相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的簡單問題。例如引入機(jī)器學(xué)習(xí)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(nèi)學(xué)生進(jìn)行問題討論和Python編程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)橫向或縱向項(xiàng)目中涉及的簡單問題，完成知識互動(dòng)的內(nèi)部互動(dòng)環(huán)節(jié);其次，以小組為單位，讓小組組長在課堂教學(xué)中進(jìn)行案例講解和分析，小組成員進(jìn)行問題解答，將小組研究和學(xué)習(xí)內(nèi)容與其他小組成員進(jìn)行交流，并將python程序代碼進(jìn)行分享，盡可能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和學(xué)習(xí)興趣，將Python語言課程與專業(yè)領(lǐng)域知識相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)知識互動(dòng)的外部互動(dòng)環(huán)節(jié);最后，鼓勵(lì)學(xué)生參與項(xiàng)目開發(fā)，并將開發(fā)的軟件項(xiàng)目作為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽或互聯(lián)網(wǎng)+等競賽作品參賽，與其它高校師生進(jìn)行進(jìn)一步的外部知識互動(dòng)。

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

（4）DICE知識演化階段。首先，在學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐中，教師引導(dǎo)學(xué)生利用已學(xué)知識進(jìn)行創(chuàng)新性嘗試，以便實(shí)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(xué)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新性地將知識應(yīng)用于解決某些實(shí)際場景的問題，以便實(shí)現(xiàn)DICE知識生態(tài)中的知識突變過程;最后，鼓勵(lì)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行合作和交流，共同實(shí)現(xiàn)軟件項(xiàng)目開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)DICE知識生態(tài)中的知識互換過程，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用Python程序語言解決實(shí)際工程問題與科學(xué)研究問題。

通過上述不同階段的實(shí)踐，可構(gòu)建出基于DICE知識生態(tài)模式的Python語言課程，從而加強(qiáng)學(xué)生知識儲(chǔ)備和知識運(yùn)用能力。此外，通過將Python語言作為工具，結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域知識，以計(jì)算思維為導(dǎo)向，提高學(xué)生利用編程解決實(shí)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。

3 結(jié)語

為提升Python語言課程教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生利用Python語言解決理論和實(shí)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(shè)計(jì)課程教學(xué)改革實(shí)踐方法。通過與教學(xué)改革項(xiàng)目、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等縱向項(xiàng)目相結(jié)合，在抽取Python課程知識要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以DICE知識生態(tài)模式為導(dǎo)向，可解決知識點(diǎn)繁雜、學(xué)生無法理清等重點(diǎn)問題。此外，通過知識生態(tài)模式提高學(xué)生學(xué)習(xí)Python相關(guān)知識的主動(dòng)性，最終在Python課程中通過有機(jī)融合DICE知識生態(tài)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段，提升教學(xué)模式設(shè)計(jì)的科學(xué)性，保證教學(xué)方法和教學(xué)手段使用的針對性，并提高學(xué)生靈活運(yùn)用Python知識自主解決科學(xué)問題和實(shí)踐應(yīng)用問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦昳，史曉楠. ?《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革實(shí)踐——以Python語言為教學(xué)語言[J]. ?軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)）， 2018， 17（2）： 71-72.

[2] 張莉，金瑩，張杰. 多樣化可擴(kuò)展的python教學(xué)體系探索與實(shí)踐[J]. ?計(jì)算機(jī)教育， 2017（8）：18-22.

[3] 嵩天， 黃天羽， 禮欣. ?Python語言：程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的理想選擇[J]. ?中國大學(xué)教學(xué)， 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(yīng)用的大學(xué)教學(xué)改革初探[J]. ?計(jì)算機(jī)教育， 2017（9）：21-25.

[8] 趙霞， 張珣， 韓忠明，等. ?Python語言教學(xué)中問題解決能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)實(shí)踐[J]. ?計(jì)算機(jī)教育， 2017（9）：6-10.

[9] 王亞萍. ?計(jì)算思維培養(yǎng)視域下《Python程序設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J]. ?電腦知識與技術(shù)， 2018（2）： 99-100.

[10] 王立翔. ?基于計(jì)算思維的Python語言課程教學(xué)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(xué)改革[J]. ?電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2018（1）： 56-58.

[12] 嵩天， 彭遠(yuǎn)紅， 宋文婷. ?理解和運(yùn)用計(jì)算生態(tài)推動(dòng)Python語言教學(xué)改革[J]. ?計(jì)算機(jī)教育， 2017（ 8）：6.

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

（責(zé)任編輯：江 艷）