基于“解决身边问题”思路的“Python程序设计”实验教学研究.pdf

年 月计 算 机 应 用 文 摘第 卷 第 期基于“解决身边问题”思路的“程序设计”实验教学研究高起跃，张诗尧，代祥宇，王彩霞（辽宁科技大学计算机与软件工程学院，辽宁 鞍山；朝阳师范高等专科学校数学计算机系，辽宁 朝阳）摘 要 作为一种高级程序设计语言 因其简单易学 可读性高 生态良好等诸多优点 逐渐成为计算机科学教育中的首选语言之一 文章通过对 程序设计 实验教学现状进行分析 从提高学生兴趣 调整实验教学内容 调整实验教学方法三个方面探讨了在非计算机专业实验教学中改革 程序设计 实验教学的方法以及具体实践方式 为 实验教学提供了参考依据 关键词 实验教学 编程兴趣 问题解决能力中图法分类号 文献标识码 引言根据新一代人工智能发展规划，人工智能已成为经济发展的新引擎，也是新一轮产业变革的核心驱动力。在这一背景下，国家开始积极推进大中小学生的 培养教育。其中，山东已在六年级“信息技术”课程中引入了 的学习内容，同时，北京、浙江等地已将 纳入高考考核范围。此外，全国计算机等级考试的调整方案也已将“语言程序设计”课程纳入其中并作为考核内容，这凸显了 在当今的重要地位。作为一门专业基础课，针对非计算机专业的学生开设的“程序设计”课程在教学过程中存在一些问题，即学生对该课程的重视程度不足，导致学习后很快遗忘，且该课程未能在学生的后续学习和工作中发挥有效的指导作用。此外，学生也未建立程序思维，以致在面临问题时无法灵活应用 语言解决。为此，本文提出了基于“解决身边问题”思路的“程序设计”实验教学研究方案。通过实验教学让学生掌握 基础知识，培养程序思维方式，并将所学知识应用于解决身边的实际问题，从而提升他们的编程能力、问题分析与解决能力以及自主学习能力。通过成功解决实际问题，学生将获得成就感，进而激发对学习 编程语言的兴趣。语言简介荷兰数学和计算机科学研究学会的吉多范罗苏姆于 年初设计了。自诞生以来，已逐渐被广泛应用于系统管理任务处理和 编程领域。凭借其简单易学、易读易维护、免费开源、具基金项目：辽宁科技大学 年实验教学改革项目（）有解释性和面向对象等众多优点，它在 年、年和 年分别荣获了“”年度编程语言奖。与，等编程语言相比，具有以下优势。（）简单易学。具有清晰的结构和简洁的语法，使学习过程更加简单，让学习者能够更专注于问题解决，而非语言细节。（）解释性语言。与 或 不同，利用 编写的程序无需编译和连接，可直接通过解释器运行，并能轻松在，和 等平台上运行。（）面向对象。支持面向过程编程的同时，也完全支持面向对象编程。（）混合编程。被称为胶水语言，因为它可以轻松地与其他语言进行混合编程，利用各种现有工具包，提高开发效率。（）易于扩展。对性能要求高的部分代码可以使用 或 编写，并在 程序中调用。（）生态良好。的最大优势之一是拥有丰富的第三方库，几乎覆盖各个领域。通过这些库，可以迅速、便捷地解决各行各业的复杂问题。这些库经过多次迭代和优化，不仅缩短了开发时间，还能提升程序的运行效率。自计算机诞生以来，已经涌现出超过 种有文档资料的计算机语言，然而真正流行且活跃的计算机语言不超过 种。其中，广泛使用和受到欢迎的有 种 计 算 机 语 言，如，和 等，它们大约占据了整个市场份额的。作为一种通用的编程语言，广泛应用于科学计算与数据可视化、金融分析、开发、自动化运维、游戏开发、云计算、网络爬虫等领域。实验教学现状（）学生兴趣不足，学习缺乏激励。绝大多数学生初次接触编程语言，从数学思维向程序思维的转变需要时间。随着知识的深入和难度的增加，部分学生可能无法跟上教学进度，导致对 语言的兴趣逐渐减退。另外，“程序设计”并不是非计算机专业的核心课程，学生可能对其重要性缺乏内在认知，从而减少了学习的兴趣和动力。当前，针对学生兴趣不足的问题，缺乏有效的激励措施，这两个问题共同导致学习效果不尽人意。（）实验教学内容相对单一，需要进行优化和改进。目前“程序设计”实验教学的总学时为 学时，共分为 次实验（实验：人机交互与数值类型。实验：分支结构。实验：循环。实验：循环和循环嵌套。实验：函数。实验：字符串与序列类型。实验：集合与字典。实验：文件操作）。然而，这些实验内容主要以期末考试的知识点为导向，强调算法，缺乏吸引力。虽然这些实验有助于基础知识的掌握，但目的过于明确，未能有效培养学生分析和解决问题的能力。在实验过程中，存在抄袭等现象，因此需要对其进行优化和改进。（）实验教学方法有待创新。学生在进入实验室后，每人配备一台计算机，独立进行实验内容的练习。教师在实验室内提供答疑指导，帮助遇到问题的学生解决困惑。学生在实验结束前需提交实验报告。尽管一些具备自主学习能力的学生会积极练习实验题目并主动向教师请教，但也存在许多学生需要教师的监督和提醒才能开始实验内容的练习的情况。此外，实验报告中存在抄袭情况。因此，在实验教学方法方面仍需进一步改进。实验教学改革内容实验教学将从三个方面进行改革，分别是提高学生兴趣、调整实验教学内容和调整实验教学方法。提高学生学习兴趣为了解决 实验教学中“学生兴趣不足，学习缺乏激励”的问题，将从以下三个方面进行调整。（）营造积极的学习氛围：通过鼓励、赞扬和认可学生的成就，建立起一种积极向上的学习氛围。这样的环境能够让学生感受到他们的学习具有价值，而非单纯为了完成任务。通过营造轻松、愉快的实验教学环境，学生能够在欢乐的氛围中获取知识并提升自身能力。在学生提出问题或者正确回答问题时，教师应及时给予表扬和鼓励。（）采用互动式学习方法：引入小组合作学习方式，以吸引学生的关注。在实验教学中，将 名学生组成一个小组，小组成员可以在课前自由组合。在实验过程中，小组成员坐在一起，共同解决实验内容中的问题。采用分组的方法可以促使学生更积极地参与学习，提高他们的学习兴趣，同时有助于培养他们沟通、合作的能力。（）激发学生的学习好奇心：精心挑选实验内容，使其与学生的日常生活紧密相关。通过这些内容引发学生的好奇心，从而让他们在学习过程中更有动力。调整实验教学内容针对 实验教学中“实验教学内容相对单一”的问题，本文对实验内容进行了重新设计和调整，使其更贴近学生的日常生活。通过“编写代码解决身边问题”让学生获得知识和成就感，并培养其编程思 年第 期 计 算 机 应 用 文 摘 维。接下来将通过四个案例介绍调整后的 实验教学内容。字符串格式化输出教师在完成字符串与序列类型章节的讲解后，让学生利用“字符串格式化”方法进行上机实验练习，并以“解决身边问题”为切入点，完成一项编程任务：根据高德网站提供的接口获取天气数据，并使用“字符串格式化”的三种方法输出特定格式的天气数据。这个任务涵盖以下知识点：（）申请高德网站的，以请求天气数据，可以通过城市编码 获取特定城市的天气情况，然后将该 作为请求参数并发送给天气预报接口，以获取天气情况数据，其中高德地理位置接口和天气查询接口返回的数据格式都是；（）标准库 和 的使用；（）解析 格式字符串的天气数据，将 格式数据转换为 字典；（）字符串格式化方法的使用；（）循环结构知识点的使用；（）函数定义和调用知识点的使用。例如，请求当前位置和当前时间的天气数据可能返回 如 下 的 格 式 数 据：，：，：，：，：辽宁，：鞍山市，：，：晴，：，：东 北，：，：，：，：，：在解析这种格式的数据后，可以使用字符串格式化方法，按照图 所示的格式输出当前的天气预报运行结果。图 天气预报运行结果 文件操作教师在完成文件操作知识点的讲解后，让学生进行文件操作的上机实验练习，包含以下编程任务：王老师面临一个问题，他有一份班级学生名单，每次收取的作业都是 文件形式，文件名中有班级和姓名等信息。然而，每次收到的作业数量都比班级学生总数少，因此王老师需要仔细比对，找出未提交作业的学生名单。这些作业可能以单独的 文件形式提交，也可能以文件夹形式提交，文件夹内包含各学生的作业 文件。所有学生的文件或文件夹都放在同一个目录下，遍历所有文件可能需要使用递归方法。学生需要使用 编程语言，帮助王老师完成对未交作业学生姓名的统计，并将统计结果写入文本文件。这个任务涵盖以下知识点：（）文本文件的读写操作；（）列表类型数据的操作，列表排序操作（）；（）路径知识点，遍历路径下的文件夹和文件，涉及使用 库；（）递归知识点，递归遍历路径下所有文件；（）循环知识点和循环嵌套知识点，对学生名单和所交的实验报告遍历比对操作；（）异常处理知识点，涉及使用 。学生名单以文本文件形式存在，只有一列，每行包含一个学生姓名。而学生的作业则放置在一个文件夹下，需要对该文件夹进行遍历，以获取所有学生作业的名称。学生名单文件的格式如图 所示。图 学生名单格式 第三方库的使用 最显著的优势之一在于其丰富的第三方库。在综合实验练习中，以 库为例，让学生进行实验练习。具体编程任务为：在一些报名网站上传 寸照片时，通常对图片格式和大小有严格要求。使用 库完成图片处理任务，包括将 格式图片转换为 格式图片、图片尺寸修改、图像模糊处理、轮廓图转换、浮雕图转换，以及图像边缘检测等。学生参考帮助文档，尝试完成上述图片处理任务。这个任务涵盖以下知识点：（）库的安装、导入和使用；（）计 算 机 应 用 文 摘 年第 期，类的使用；（）图像文件的打开、处理；（）帮 助 文 档 参 考：。图 为兔子的原始图。图 原始图图 和图 是经过 库处理后的浮雕图和轮廓图。图 浮雕图图 轮廓图 数据可视化教师在完成函数章节的讲解后，为学生设计以下编程任务：在期末考试成绩公布后，张老师需要对成绩进行统计。统计内容包括：总人数、最高分、最低分、平均分，以及不同分数段（优、良、中、及格、不及格）的人数和所占百分比。将统计结果写入文本文件，并且绘制成绩分布饼图或条形图。这个任务涵盖以下知识点：（）第三方库，的安装和导入；（）使用第三方库 读取含有成绩数据的 文件，并统计总人数、最高分、最低分等数据；（）使用第三方库 绘制饼状图和条形图；（）函数的定义和使用；（）字典 知识点的使用；（）文件读写操作；（）异常处理知识点 的使用。程序运行结果如图、图 所示。图 成绩结果写到文件图 成绩统计饼图和条形图 调整实验教学方法实验教学分为三个阶段，分别为课前、课中和课后，下面对每个阶段进行详细说明。课前：在每次实验课前一周，通过“学习通”软件以作业的形式向每位学生发布实验内容。此时，学生需要提前预习实验内容，并自行组队，每组 人。组队可以以宿舍为单位，也可以与其他宿舍的同学组队。课中：学生可以在教师允许的情况下上网查阅相关资料，同时同组成员之间相互配合，分工合作，共同完成实验内容。教师在课中负责巡查，指导学生解决遇到的难题。此外，在实验过程中采用竞赛模式，前 组完成的给予满分（分），第 到第 组完成的给予 分，第 到第 组完成的给予 分，以此激励学生思考、实践，积极完成实验任务。课后：要求学生以小组为单位对课上完成的实验内容进行讲解和总结，并将讲解过程录屏提交到指定的网盘。课后部分的总分为 分，完成提交的学生即可获得相应的成绩。结束语作为计算机科学教育的重要组成部分，实验教学具备简单易学、广泛应用等特点。通过 实验教学有助于提升学生的编程能力和实践能力，培养他们的程序思维方式，以及计算机科学素养和创新能力，为应对未来学习和工作中的挑战提供支持。然而，实验教学也存在一些不足，教育者需要根据具体情况进行选择和应用。（下转第 页）年第 期 计 算 机 应 用 文 摘 分析后，根据学习者的认知水平和能力进行的人为分组，它可以缩小小组之间的差距，有利于开展小组协作和竞争。教师通过学习者的学习水平和发展情况进行指定分组，可以将 人分为一组，每组设立 名小组长，赋予小组长一定的权力（小组内任务分工、小组进程管理与提交成果）和责任（协调组员关系、收集组员意见、整理组员遇到的问题、与教师及时沟通），并设置相应的小组规则。评价设计“多元化”评价与反思需要持续进行，贯穿了整个学习过程，是面向 时代与 环境下网络学习的一种态度和方法。可以采用个人自评、小组互评与教师评价相结合的方式，实现形成性评价与总结性评价相结合（如平时表现、课堂表现、作品展示等）的多元评价模式。研究结论在协作学习和活动理论指导下，本文提出了基于智慧云平台的 课程协作学习活动的设计原则。根据这一原则，结合混合式学习的要求和 课程协作学习的活动特点，通过对相关文献的内容分析，提出了基于智慧云平台的 课程协作学习活动的设计策略，其中包括学习工具设计“模块化”、学习过程设计以“活动”为中心、学习活动内容设计“步骤化”、案例引导“情景化”、时间管理“对分课堂”、学习资源“师生共建共享”、异质分组“竞争化”、评价设计“多元化”等策略。基于智慧云平台的 课程协作学习活动的设计策略如图 所示。图 基于智慧云平台的 课程协作学习活动的设计策略参考文献：李克东，赵建华混合学习的原理与应用模式电化教育研究，（）：黄荣怀，刘黄玲子协作学习的系统观现代教育技术，（）：，（）：，（）：，（）：杨开城以学习活动为中心的教学设计：理论教学设计理论的新探北京：电子工业出版社，作者简介：张彬（），助理研究员，研究方向：教学改革、信息化教学、教师专业发展。（上接第 页）参考文献：国务院国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知 ：辽宁招生考试之窗全国计算机等级考试体系调整方案”：赵广辉，李敏之，邵艳玲 程序设计基础北京：高等教育出版社，秦科，刘贵松 面向 应用的大学教学改革初探计算机教育，（）：刘伟炜，黄胜基于在线判题平台的 课程教改研究教育与信息化，（）：李晓英，何首武，陈佳，等面向新工科的 程序设计课程思政教学探索软件导刊，（）：作者简介：高起跃（），硕士，讲师，研究方向：软件工程。年第 期 计 算 机 应 用 文 摘