新工科视角下以计算思维为导向的高职Python程序设计公共课程教学改革研究

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　　摘要：针对新工科视阈下高职学生程序设计公共课程实践能力欠缺的问题，以公共课程Python程序设计为例，通过Python基础学习知识点与计算思维能力映射、Python numpy库知识点与计算思维能力映射、Python pandas库知识点与计算思维能力映射、Python matplotlib库知识点与计算思维能力映射4个模块对公共课程Python程序设计进行教学改革。实验结果证明，引入计算思维技能的教学改革有助于提升高职学生程序设计能力。
　　关键词：新工科;计算思维;Python程序设计;映射;计算思维能力
　　中图分类号：TP3 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）21-0154-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　1 前言
　　2018年3月15日，教育部办公厅发布《教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》[1]。新工科专业主要指针对新兴产业的专业，以互联网和工业智能为核心，包括大数据、云计算、人工智能、区块链、虚拟现实、智能科学与技术等相关工科专业[2]。2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真提出计算思维（ Computational Thinking）的概念，计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为[3]。肖卓宇[4-6]等人基于计算思维的教学方式、教学内容、教学课程及考核方式进行了教学改革。文献[7]引入计算思维对课程数据结构就行了深入研究，取得了较好的效果。文献[8]引入计算思维针对新工科大数据技术课程体系进行了优化，取得了一定的成效。
　　课题组前期工作取得了较好的科研成果[9-15]。但我院作为“工”字号全国示范性高职院校，学生入学分数相对较低，理论基础薄弱，在国家大力倡导新工科的背景下，引入计算思维的高职Python程序设计公共课程教学改革研究显得尤为重要。
　　2 计算思维导向下的公共课程Python程序设计
　　PYthon程序设计作为学院公共课程需要学生掌握Python程序基础、numpy库、pandas库、matplotlib库四个主要模块，为学习好这些模块，需要具备相应的计算思维能力，见图1。
　　2.1计算思维能力与Python基础知识为映射表1中描述了Python程序基础部分需要掌握的知识点与计算思维能力要求的映射关系。表1中对Python程序基础的运算符、变量、模块、类、文件、异常等知识点做出了要求。此外，实战项目《男女电影评分差异比较》要求首先对复杂问题进行抽象思维求解，再通过形式化符号表示，递归等计算思维方法进行具体问题求解。
　　2.2 计算思维能力与Python numpy库知识点映射
　　表2中描述了Python numpy数学函数库部分需要掌握的知识点与计算思维能力要求的映射关系。表2中对Python numpy库的numpy的属性、array、numpy的运算等知识点做出了要求。此外，实战项目需要实现《图像的手绘效果》，这对计算思维中的抽象思维、符号表示、形式化证明等方法有着较高的要求。
　　2.3 计算思维能力与Python pandas库知识点映射
　　表3中描述了Python pandas库部分需要掌握的知识点与计算思维能力要求的映射关系。表3中对Python pandas库的Series、DataFrame、选择数据等知识点做出了要求。此外，實战项目需要实现《Pandas特征效果分析》，这同样对计算思维中的抽象思维、符号表示、形式化证明等方法有着较高的要求。
　　2.4 计算思维能力与Python matplotlib库知识点映射
　　表4中描述了Python matplotlib可视化库部分需要掌握的知识点与计算思维能力要求的映射关系。表4中对Python mat-plotlib库的figure图像、设置坐标轴、legend图例、scatter散点图等知识点做出了要求。此外，实战项目需要实现《引力波绘制》，这对计算思维中的抽象思维、模型构建、符号表示等方法有着较高的要求。
　　3 结论
　　本课题对新工科视角下以计算思维为导向的高职Python程序设计公共课程教学改革进行了研究，以Python程序为例，分4阶段对其映射的计算思维方法进行深入研究。事实证明，新工科视角下引入计算思维的思想有助于提升学生学习效率，今后工作将进一步厘析知识点要求与计算思维能力要求之间的关系，为学生程序设计能力的提升奠定坚实的基础。
　　参考文献：
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　　[6]肖卓宇，叶嘉笑，黎妍.计算机专业大学生程序设计实践能力培养改革[J]软件导刊.2017，16（2）： 197-199.
　　[7]肖卓宇，余波.大学生参与式教学方法在数据结构课程中的应用研究[J].湖南邮电职业技术学院学报，2018，17（01）：88-90.
　　[8]肖卓宇，宋艺.基于CDIO的大数据技术课程教学研究[J].长沙民政职业技术学院学报，2018，25（2）：125-126.
　　[9]肖卓宇，何锫，余波.非标准设计模式的恢复[J].计算机工程与设计，2019，40（1）： 143-148，208.
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　　[13]肖卓宇，何锫，余波.一种多阶段交互式线索驱动的设计模式识别方法[J].北京航空航天大学学报，2017，43（09）：1746-1756.
　　[14]肖卓宇，何锫，杨鑫维，等.基于文法产生式优化的设计模式识别方法[Jl-电子科技大学学报，2017，46（3）： 569-576.
　　[15]肖卓宇，何锫，余波，等.一种形式化上下无关文法关系驱动的设计模式检测方法[J].工程科学学报，2016，38（10）：1499-1508.
　　【通联编辑：张薇】
　　收稿日期：2020-02-15
　　基金项目：“2019年度全国高等院校计算机基础教育研究会课题：新工科视角下以计算思维为导向的高职Python程序设计公共课程教学改革研究（2019-AFCEC-332）”
　　作者简介：肖卓宇（1979-），男，湖南长沙人，副教授，研究方向为软件演化、大数据分析、机器学习等;黄俊（1990-），男，湖南长沙人，助教，主要研究方向：智能制造等;徐运标（1983-），男，湖南邵阳人，硕士，讲师，研究方向：软件工程等;郭杰（1976一），女，湖南常德人，硕士，讲师，研究方向：软件工程等;陈果（1980-），女，湖南长沙人，硕士，讲师，研究方向：软件工程等。
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