基于计算思维的Python课程教学模式研究

许丹杨

（连云港开发区高级中学，江苏 连云港 222000）

在计算机学科教学中，要求学生能够学习程序组成、编程方法以及软件开发思路。计算机教学包含两个部分，其一是课程教学，其二是上机实践教学。在Python 教学中，教师通过开展课程教学，要求学生能够掌握Python的基本概念，积累丰富的Python 专业知识；而在上机实践教学中，更加注重对于学生计算思维能力的培养，要求学生能够灵活应用计算思维自主解决各类问题，提升Python 知识的应用能力，促进学生核心素养的提高。因此，对Python 教学中培养学生计算思维的教学模式进行研究意义重大。笔者多年在教育教学一线，基于教学实践经验，提出自己的观点和看法，并与相关研究者进行交流，以期为Python 课程教学与实践的提升提供参考。

一、计算思维概述

科学思维是人类理性认识世界的过程，首先在感性阶段获取丰富材料，再对各类信息进行整理和调整，据此形成概念，并做出推理和判断，进而反映出某个事物的本质规律。在科学思维中，计算思维是十分重要的组成部分，在人类科技创新、文明进步中，理论、实验以及计算可作为三大重要支柱，尤其是在科学技术发展创新中，公理化方法为主要的理论思维，比如代数、几何均显著促进了科学技术的不断发展。

计算思维指的是利用计算机科学基础概念对问题进行计算和分析的活动，具有抽象性和自动化特征。在工业革命时代，机器技术不断创新，逐渐替代传统的手工劳动，要求人类充分发挥读、写和算的能力，掌握机器设备的使用方法。在信息革命时代，计算机技术发展迅速，大量计算机组成互联网，并成为通信的重要载体。通过应用互联网技术和计算机技术，可对大量数据进行加工处理，将其转变为有用的信息和知识。为保证数据传输的便捷性，通信技术以计算思维为基础不断创新。在未来的机器智能时代，通过将计算思维应用于编程中，可实现人类与机械设备协同作业，提升人机交互能力。通过上述分析可见，由于人类社会不断发展，计算思维已逐渐发展成为人类适应社会变化所必须具备的技能。

在计算机学科教学中，应当重点培养学生的计算思维，指导学生利用计算机技术解决复杂的计算问题，使学生能够应用计算思维解决社会问题，提升问题分析和问题解决能力。

二、Python的特点

1989年，吉多·范罗苏姆开发出Python（计算机编程语言），其属于面向对象的解释型编程语言，主要被应用于各类比较常见的任务中。Python 的语法简单，具有开源性特征，在各类编程语言中与自然语言最为接近。在Python 的实际应用中，可对各类计算问题进行求解，由于语法为轻量级，并且为高层次语言，可充分展现出计算思维。

在Python 教学中，涵盖的内容比较多，各类分支、循环以及函数等基础的程序逻辑关系和丰富的功能形成函数库。Python 为脚本语言，直接运行源代码即可完成执行，因此，程序运行与源代码密切相关。与C 语言相比，Python 中的计算机系统结构元素比较简单，对于各类变量，可直接使用，无须定义，并且可通过解释器自动匹配。Python 内部可应用UTF-8 编码实现，语言文本操作简单，支持中文。

三、Python教学中存在的问题

1.认知不足

近年来，Python 发展迅速，日益受到人们的关注，并且在人工智能以及大数据领域发挥着十分重要的作用。很多学生对于Python 的功能已具备基础了解，但是对于Python 的应用领域依然不够明确，对于其未来的发展，有些认识不清，缺少足够的前景展望。

2.重语法轻语义

在传统的计算机语言教学中，一般由教师为学生讲解抽象的概念以及语法知识，但是现阶段，计算机语言教学的重要性显著降低。在Python 教学中，应当培养学生的计算思维，指导学生掌握分析问题、解决问题的能力。对于计算机语言，仅可作为工具，如果为学生讲解大量函数知识，往往很难培养学生的计算思维，同时在课程讲解中所需时间比较长，无法满足学生的学习需求。

3.算法教学较少

在很多计算机编程语言教学中，算法是十分重要的基础知识，同时也是激发学生学习热情的关键。对此，在计算机课程教学中，教师一般将算法作为程序设计教学的引入部分。比如，在程序设计教学前为学生介绍各类基础算法，包括查找、排序、迭代等，通过增加算法教学内容，能够帮助学生降低学习难度，激发学生的学习积极性。

4.缺乏计算思维的培养

在Python 教学中，一般将教师作为课堂教学的主体，很多教师没有关注到对学生计算思维能力的培养。在课堂教学中，学生根据教师的指导，按照参考程序输入和运行，而在此过程中，学生的应用能力依然比较低，无法将专业知识应用于实际问题分析解决中，并且很多学生没有对解决问题的重要性、步骤、程序拆解方法等进行深入思考。因此，在传统教学模式中，学生无法充分利用自身思维进行学习和独立思考，不利于培养学生的计算思维。

四、基于计算思维的Python课程教学策略

1.Python语法的快速学习

为了帮助学生更好地掌握Python，同时使学生能够利用Python 解决各类实际问题，充分发挥学生的创造力，培养学生的计算思维，在课堂教学中，教师首先应为学生介绍基础的Python 语法和其他知识点。课程内容共包含两个部分，其一为理论课程，其二为实践课程。在理论课程教学中，须详细介绍课程概论、Python 安装方法、数据类型、格式化输出、循环结构、数据类型、函数、文件类操作方法等。在实践课程教学中，应当为学生介绍Python安装方法、示例类程序、Math 库使用方法等，在指导学生自主练习时，应当将选择、循环作为重点，比如π的运算方法、列表排序、文本文件读写、数据组合练习等。在具体的教学活动中，应当合理安排理论课程和实践课程的学时。在基础教学完成后，为考查学生的学习成果，可组织开展知识点考核活动，考核重点包括Python 判断结构、单层循环结构、格式化输出等。在各类程序设计语言中，Python 是十分重要的组成部分。Python 的学习方法比较简单，为了帮助学生强化对于基础知识点的掌握情况，提升Python 运用能力，应当为学生详细介绍Python 的语法知识，指导学生将Python 应用于实际问题的分析、求解中，据此培养学生的创新能力以及计算思维。

2.MOOC+SPOC+翻转课堂

在Python 教学中，教师应当为学生准备丰富的学习资源，提升教学质量。现如今，智能手机已经被广泛使用，学生可利用智能手机学习Python。在Python 教学中，教师应当指导学生在课堂教学前自主预习，对预习过程中遇到的问题做好详细的记录，然后观看MOOC以及SPOC 中的教学视频资料，让学生带着问题观看并思考。对于重难点知识，可根据实际需要反复观看，强化记忆效果。另外，还可以鼓励学生在教学平台中参与讨论，与教师和其他同学沟通交流，分享知识点，共同对学习中的重点和难点进行讨论，并将自身的学习体会进行交流，教师给予及时的指导。通过以上方法，可以有效提升Python 的学习效果。我国积极推进教育教学体制改革创新，在计算机学科教学中，可将MOOC 与SPOC 以及“翻转课堂”进行有效结合，据此形成新型教学模式，将优质的网络教学资源与传统教学方式进行有效结合，保障学生学习的主体地位，调整学生的学习方式，激发学生学习积极性和自主学习意识，在日常学习、生活中充分利用智能手机学习Python。比如，在Python“翻转课堂”教学中，很多学生的学习积极性比较高，自主参与到“翻转课堂”教学中。在课堂教学前，教师可指导学生利用MOOC 以及SPOC 进行自主学习，通过预习明确课堂教学重难点，对Python 知识点获得初步了解，为后续课堂教学奠定基础。另外，在课堂教学时，可采用团队合作教学模式，将全班学生划分为若干个小组，将具有不同特点的学生组合在一起，鼓励小组成员展示学习成果。比如教师可为学生出示一段数字，要求学生对这段数字进行分析，并找出素数，在问题求解计算中，可设计基本算法，并应用第三方NumPy 库进行加速运算。通过应用创新型教学模式，可充分发挥MOOC 与SPOC 以及“翻转课堂”的应用优势，培养学生自主分析和解决问题的能力，引导学生积极参与课堂教学，据此创建高效课堂，提高教学效率，培养学生的计算思维。

3.开设班级博客

为了保证Python 课堂教学效率以及教学质量，可将博客应用于Python 教学中，并开展测试活动，可组织专家参与测试活动，保证测试的科学性。Python 课程教师负责开设班级博客，然后再邀请学生加入班级博客中。在班级博客中，学生可自由发布相关博文，在发布完成后，即可自动显示在班级博客的列表中，教师可直接阅读博文并做出评价。另外，通过对班级博客的使用功能以及作业功能进行分析，在班级博客的使用过程中，不会对学生发布的内容做出限制，学生可根据实际情况自由发表感兴趣的话题、内容，与全班同学和教师共同分享，帮助学生拓展知识点。通过充分发挥班级博文的重要作用，鼓励学生发表优秀博文，便于学生更好地掌握Python知识点，拓展计算思维，强化问题分析、解决能力。

4.创新实验

为了能够培养学生的计算思维，提高学生问题分析、解决能力。在Python 教学中，应当指导学生掌握多种数据库的使用方法，并设计综合性实验，通过采用实验教学方式提升学生创造力，培养学生的计算思维。比如在Python 实验教学中，可将Arduion、Python、MAX30100 心率血氧数据采集分析系统作为实验内容。在课堂教学中，首先为学生介绍开源硬件Arduino UNOR3 的基本原理，然后再将接触人的手指通过心率血氧传感器MAX30100 接入进去，据此即可采集到血氧数据以及心率数据，再通过串口上位机Python 即可完成数据传输，在数据传输完成后进行整理分析，即可根据结果绘制血样图。在本次实验教学中所应用的Python 形式比较多，包括MatPlotliP、PySerial 以及turtle 等。在课堂教学中，要求学生能够掌握turtle 库的使用方法、文件读写方法、绘图技巧、网络爬虫、PySeial 库使用、Arduino 使用等。在上述课程教学中，将Python 教学中的各类软件、硬件融合于实验课程教学中，要求学生能够扎实掌握Python 基础知识，并将其应用于实际问题解决中。为了提高教学效率，应当坚持循序渐进的原则，逐步培养学生分析问题、解决问题的能力，使学生能够尽快形成计算思维。另外，通过为学生介绍Arduino 编程方法，可显著提升C++语言的应用效果，使学生在实验教学中掌握更多的Python 知识要点。为了提高学生学习的便捷性，在本次实验教学中为学生提供Arduino 示例代码，学生可根据实际需要直接应用，或者对Arduino 程序代码进行适当调整，高效完成实验任务。

5.Python课程与学生学习实际相契合

只有激发学生的学习兴趣，才能够使学生积极主动地参与Python 学习中。为了保证课程教学的有效性，在Python 教学前，教师可采用问卷调查的方式了解学生的学习能力、学习需求，便于制定针对性教学策略，提高课堂教学的实效性。同时，教师要结合不同层次学生的学习接受能力，实施分层教学，根据每个层次的学生特点布置相应的作业，使学习的知识内容和作业都在学生的能力范围之内，这样既保证了学习的实效，又不增加学生的负担，使他们保持对学习的兴趣。在实际教学中，教师要将学生对Python 课程的学习兴趣作为出发点，据此开展Python 教学活动，采取各种行之有效的教学手段，打造高效课堂。在实际教学中，应当注意以下几点：一是关注各项细节内容。比如为学生介绍华氏温度和摄氏温度的转换方法，首先要介绍二者的概念和起源以及它们的不同特点，据此激发学生对于字符串处理以及联系选择结构编程的学习兴趣；二是教学内容应当符合学生实际情况。比如在为学生介绍文本词频、分词讲解时，为了提升教学质量，教师可以选择不同难度的知识内容，提高学生的辨识度，使他们能够根据各自的能力获得知识内容；三是提高教学的实战性。为了激发学生学习的主动性，教师可选择真题，增加挑战意味，利用多媒体向学生介绍词频，让知识变得简易化、明晰化，减少学生的学习难度。同时，教师要采取多种教学方式，使得学生能够掌握Python 学习的重点，提升教学效果，培养学生的计算思维。

总之，随着时代的发展，在计算机学科教学中，要求不断推进教学改革。尤其是在Python 教学中，应当避免采用传统的编程教学模式，为学生介绍Python 的应用优势和重要作用，然后对教学理念和模式进行创新调整，关注学生的学习兴趣以及思维模式，并强化引导，为学生创建高效课堂，全面提升Python 教学质量，帮助学生培养计算思维。