Python教学促进计算机思维的培养研究

来源:用户上传      作者:张珩

　　摘要：随着科学技术的快速发展，带领人们进入到人工智能时代，计算思维培养作为编程教学中的一项重要培养内容，成为信息技术教学中的一项重点关注内容。为了能够充分理解Python语言的意义，不可局限于一种语言，需要从思维层面出发去理解，并在此基础上探索Python语言教学对提升计算思维的意义。本文对计算思维及Python语言的含义及特点进行概述，分析Python教学在计算机思维培养中的具体应用。
　　关键词：Python教学;计算机思维;翻转课堂;班级博客
　　中图分类号：TP393      文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）32-0172-02
　　计算思维作为一种引领时代潮流及方向的教育理念，本身在使用过程中展现出了较强的优越性，无论在国内还是在国外均受到了人们的广泛关注。近年来，Python教学被广泛应用于高校程序设计课程中，通过采用理论与实践相结合课程教学方法，激发了学生的创新思维，提升了计算机思维培养效果及质量。
　　1相关理论概述
　　1.1 计算思维的含义及特点
　　1.1.1 计算思维的含义
　　计算思维主要是指通过使用计算机科学基础概念，来完成对系统地设计及问题的求解，确保能够更好地理解人类的行为。
　　1.1.2 计算思维特点
　　第一，促进思维转化。计算思维在实际的应用过程中，主要是通过仿真、转化、嵌入及约简等方式，将看起来比较困难的问题重新进行解释，并告知如何进行求解。基础计算思维具有此特点，给编程者带来极大的成就感，对激发学生的学习热情及解决问题热情发挥了重要的作用。第二，使用分解及抽象方法对庞杂任务进行控制。通过使用计算思维，能够使复杂的问题变得更加系统化及简单化，帮助人们在冗杂信息中寻找到处理问题的方法，有助于培养人的大局观念，提升问题解决效果，使人的敏捷思维得以提升。第三，以关注点为中心，选取合理地解决方法。在对问题进行分析时，需选取一种恰当的方法，对一些需要急切解决及重点问题进行建模，确保问题能够快速得到解决，提升建模者分析问题效率，完成對人大局观念的培养，提升问题解决效果[1]。
　　1.2 Python语言的含义及特点
　　1.2.1 Python语言的含义
　　Python语言作为一种高级编程语言，使用范围较广，通过对该项语言的开发及使用，能够将代码的可读性充分地展现了出来，语法允许程序员可使用较少的代码来对相关概念进行表达。Python作为一种编程语言，有助于提升工作效率，促进了系统的有效集成。
　　1.2.2 Python语言特点
　　第一，任意拼接特点。使用者在使用期间，可根据自己的实际使用要求，对源代码进行修改，避免工作出现重复性。需要将编程的便捷性充分地展现出来，既有的程序编制到其他软件中。因此，通过对Python语言的特性进行分析可知，展现出了拼接、自由移植、自由剪裁、扩展及嵌入等功能，通过与其他平台或语言混合使用，有助于强化学生对计算思维的充分领悟及理解，提升了学生的计算思维，促使学生的综合素质大大提升。第二，广泛性特点。Python语言在实际的使用过程中，完成了对简单语法的充分运用，尤其是对于一些刚入门的学生，有助于增强学生的计算思维信息，能够更好地掌握计算语言。在专家学者中应用，有助于减轻其工作压力，充分地展现出了Python语言应用的广泛性[2]。
　　2 Python教学在计算机思维培养中的应用
　　2.1 Python语言语法的快速学习
　　需要对Python语言语法进行夯实，指导学生使用Python工具来解决实际问题，以此来完成对学生进行创新能力及计算思维培养。要求学生在课堂学习过程中，应掌握最基础的Python基础语法及其相关知识点，课程内容包括理论课程及实践课程，每个课程的时间均为12个课时，在课堂教学中，教师应教会学生使用Python语言解决实际问题的方法，以此来帮助 学生构建最为基本的知识体系，完成对学生计算机思维的培养。其中，理论课程内容包括课程概论及Python安装，基本数据类型，格式化输出及使用库，顺序、选择、循环结构，组合数据类型和函数，文件类操作。实践课程内容包括Python安装和示例类程序，数据类型转换、数据输出习题、使用Math库，练习应以选择和循环为主，如π的运算，组合数据类型强化练习、列表排序、函数基础，文本文件的读取和写入。理论课程和实践课程的总学时为24学时，在24学时结束之后，在第7周，应安排学生做Python语言判断结构、格式化输出及单层循环结构等知识点考核。从以上的学习中可知，在程序设计语言中Python语言作为其中最为重要的一种语言形式，该项语言在学习过程中，学习方法较为简单，为了强化学生的运用能力，教师应向学生讲述Python语言核心语法知识，学生可使用Python语言来解决实际存在的问题，对培养学生的创新能力及计算思维具有重要作用[3]。
　　2.2 MOOC+SPOC+翻转课堂
　　为了提升学生计算思维培养效果及质量，给学生提供更多地学习资源，应教会学生如何使用智能手机进行学习。在Python语言程序课程教学中，学生会在课前对遇到的问题进行提前预习，观看SPOC及MOOC上的课件资源及视频资料，对于一些不懂之处可反复进行观看，并要求学生积极地参与到网络上的话题讨论中去，以此来强化学生对Python语言的掌握。MOOC+SPOC+翻转课堂教学模式作为一种新型的教学模式，实现了传统教学方法与网络教学资源的有机整合，促使学生的学习方式发生改变，学生的学习兴趣及学习积极性得以提升，并且实现了对零碎时间及手机等智能工具的充分运用。在本次课程实践中，翻转课堂的次数为2次，课堂教学主题为“如何快速计算大数是否为素数”和“使用random库生成复杂密码”。在本次课程中，大多数学生均能够积极主动地参与到课堂学习中来，并且课堂学习积极性较高，课前，教师要求学生在课下，应自行进行MOOC和SPOC课程学习，为了提升课堂教学效果，强化学生对课堂知识点的进一步了解，应使用网络检索、团队合作及实践等教学方式，并将学生分成几个小组，对教学成果进行展示。例如，教师给学生列出了一大段数字，要求学生说出哪些是素数，应合理设计基本算法，在对数字进行加速运算时一般使用第三方NumPy库，通过在课堂上采用该种教学方式，完成了对学生解决问题能力的培养，提升了学生的计算思维能力，激发了学生的课堂学习兴趣，引导学生提出一系列创新性教学方法。通过对学生的学习情况进行总结分析可知，有很大一部分学生认为该种教学模式有助于提升课堂教学效果，学生学习主动性明显提升，能够积极主动参与到课堂学习中来。 　　2.3 班级博客
　　为了提升Python语言程序设计课程教学效果及质量，在对博客功能进行测试时，应邀请相关的专家参与进来，确保测试工作更具合理性。班级博客的开设工作一般由任课教师来完成，邀请学生参与到班级博客中来。学生可自动在班级在班级博客中发表相关的博文，博文在发布之后会自动显示在班级博客的列表中，为教师进行博文评阅提供便利。另外，通过分析班级博客功能及相关的作业功能，可知在使用班级博客期间，对学生发布的内容不做限制，要求学生可发布一些自己感兴趣的内容，在班级博客上进行分享，使其他学生能够阅读到，扩展了学生的知识点。通过采用该种方式，有大量优秀的博文涌现出，博文类型包括cv2、Matplotlib、NumPy、Python等，有很多的学生在课程开展的第4周，便完成了教材中的课后习题，并在博客中发布了相关的参考文献。博客作为一种新型的教学方法，对提升学生的计算机思维具有重要作用。另外，教师要求学生坚持写博客，不仅是学生记录成长的过程，也有助于强化学生的解决问题能力[4]。
　　2.4  创新实验
　　为了能够完成对学生计算思维能力的更好培养，强化学生解决问题能力尤为重要。在课程的第7周，需要将教学的重心放在各类数据库的应用中，合理设计一些综合实验，促进学生创新能力的提升，符合学生计算思维能力培养要求。需要将Arduion、Python、MAX30100心率血氧数据采集分析系统作为创新实验的主要内容，在课程教学中，需要将开源硬件Arduino UNO R3作为课程的基本原理，将接触人的手指通过心率血氧传感器MAX30100接入进去，以此来获取血氧数据及心率數据，经过串口在上位机的Python程序中上传数据，应以数据为依据，对血氧图进行绘制。本次实验在开展过程中，使用到的Python语言形式包括turtle、PySerial、Matplotlip等库。课程教学内容包括turtle库的使用，文件读写、读数据文件并绘图，网络爬虫，Arduino使用，PySeial库、Arduino，心率血氧综合实验等，本次课程属于一种创新性综合性软硬件结合实验课程，在课程教学过程中，完成了对大量基础知识的应用。为了提升课堂教学效果及质量，各项教学工作在实施及开展期间，应循序渐进 进行，致力于培养 学生的计算思维 能力及解决问题能力。通过Arduino编程，强化了C++语言的运用效果，并且学生在学习期间掌握了大量 的Python语言知识点，为了方便学生阅读，提供了Arduino示例代码，学生可根据自己的实际使用需求，规范修改Arduino程序代码，大多数参与该类课程学习的学生均能够较好地完成教学任务。
　　2.5 Python课程与学生学习实际相贴合
　　兴趣是提升教学效果的催化剂，教师为了确保课程教学工作更具针对性，在课堂教学前，教师会采用调查问卷形式，了解学生的实际学习情况，例如，在“你选择这门课程最主要的原因中”，选取了有效答案的学生占比为50%，选择感兴趣的学生占比为46.67%，选择取得学分的人数占比为3.33%。从调查结果中可知，学生选取Python语言课程的依据以兴趣为出发点，为了确保学生在课程学习过程中能够保留兴趣，应做好以下几方面工作：第一，从细节处入手。例如，在进行华氏与摄氏温度进行转换时，教师应先向学生介绍熟悉的摄氏温度概念，之后将华氏温度起源的故事向学生进行讲述，有助于增强学生的字符串处理及联系选择结构编程兴趣。第二，贴近学生的实际生活。应根据学生的设计学习需要，合理选取Python库，确保能够与学生的实际学习相贴合。例如，在进行文本词频及分词讲解期间，为了强化学生的学习效果，教师应选取一些历年考研真题，帮助学生分析词频，使学生能够充分地了解到考研时需要掌握的单词，或找到一些学生感兴趣的资料及新闻，强化学生对物联网运行原理的充分了解，提升Python语言课程教学效果及质量，增强学生的学习兴趣，促进学生计算思维能力的提升。
　　3结论
　　Python语言课程作为一种合适的编程课程语言，由于培养学生的思维能力并不是一门编程课程可以实现的，通过在课程教学中引入Python语言语法、MOOC+SPOC+翻转课堂、班级博客、创新实验、Python与学生学习实际相贴合等课程内容，增强了学生的团队荣誉感，有助于激发学生的创新能力，将学生引入到课程学习中来，实现了对学生的计算思维能力的培养。
　　参考文献：
　　[1] 刘维胜.Python教学培养计算机人才的思维能力的策略初探[J].电脑迷，2018（36）：187-188.
　　[2] 王亚萍.计算思维培养视域下《Python程序设计》课程的教学改革实践[J].电脑知识与技术，2018，14（2）：99-100，102.
　　[3] 吴萍，朱敏，蒲鹏.基于思维培养的Python程序设计类课程之实践[J].福建电脑，2017，33（6）：167-168.
　　[4] 肖胜刚，袁方，安海宁. Python课程助力计算思维和创新能力培养[J]. 计算机教育， 2017（9）：11-14.
　　【通联编辑：光文玲】
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