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建电脑
COMPUTER
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基于思维培养的Python程序设计类课程之实践
吴萍，朱敏，蒲鹏
(华东师范大学计算机科学与软件工程学院计算中心上海
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2
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6
2
)
【摘要】针对目前非计算机专业大学生利用计算机求解实际问题的迫切需求，本文结合学校的教学实际，重点分析 了程序设计类课程不仅仅是让学生学会一门程序设计语言，更多的是培养学生的一种思维能力。阐述了如何从大纲拟 定、教材设计、课件制作到课堂的教学形式等各个环节，将计算机求解问题的方法和思维贯穿到整个程序设计的教学实 践中。
【关键词】
P
y
hon；计算思维;算法;程序设计方法
纯粹的知识学习，职业培训不是大学培养所追求的目标， 思想方法的启迪更为重要。在程序设计类课程的教学实践中， 我们常能观察到学生思维能力的不同：有些学生设计的程序脉 络清晰，而有的则缺乏逻辑性。传统的以讲授程序设计语言为 主的教学方式已不能满足现代社会对计算机应用人才的需求。 如何进行思维训练，增强学生分析问题和解决问题的能力，是 摆在我们面前的重要任务。对非计算机专业学生而言，更是今 后他们利用计算机解决与专业、科研和社会需要密切相关的实 际问题之基础。
1课程培养模式分析
在教育中不能固守传统，只注重智性的培养，也不能采用 以市场为导向的职业教育而抛弃了知识的整体性[1]。我们在制 定课程内容时，力求将思维能力的培养贯穿其中，使学生在获 取较为完整的知识同时，能够掌握获取知识的方法，提高他们 的问题求解能力，包括基础的模型化逻辑推演能力、算法设计 和分析能力以及程序设计和实现能力。
1
1
教材设计思路
现有的程序设计类教材一般围绕语言本身的体系展开内 容，以讲解语言知识以及编程技巧为主。我们编写的教材[2]是多 年教学经验与不断改革和实践的成果，教材设计了“算法与程 序设计基础”通识课程方案，力求融入计算思维的思想，将计算 机学科所形成的解决问题的思维模式和方法渗透到各个学科。 与传统的程序设计类教材不同，我们选择了较容易上手的
P
y
h
o
n
语言，着重介绍利用计算机分析问题和解决问题的方法
和思路，指导学生更多的思考自己想要解决的问题而不是一头 栽进单纯的语言学习中。教材中的例题和实验部分的范例更是 通过对不同解决方案的分析比较，帮助学生掌握选取优化方案 并编程予以实现的理论方法和实际应用能力。1
2
理论与实验合理分配，精选基础性实验案例
教材的内容围绕以上所述的学习目标和能力目标设置，并 对实验内容进行了精选与提炼，按照实验课时数，结合理论进 度进行了合理分配，力求理论与实际相结合。例如针对枚举、递 归、查找和排序等常用算法，在讲述每一种算法的基本思路与 设计步骤的基础上，落实到每一个案例求解，从案例的提出到 算法设计与描述、从程序实现到案例结果的讨论与分析，突出 算法在解决实际案例中的引导作用，将思维训练贯穿于算法设 计与案例实现中。2教学设计与实践
教学设计是运用系统方法分析教学问题和确定教学目标；
建立解决问题的策略方案，试行方案，评价试行结果并对方案 进行修改的过程。它以优化教学效果为目的，以学习理论、教学 理论和传播学为基础[3]。传统的教学是围绕着课程大纲，以“教” 为主的教学模式。这种方式效率高，特别适合学生人数众多的 课堂，是一直以来广泛采用的教学方式。只是“教”的内容、方 法、过程和手段需要有教学理论的指导，需要我们在教学实践 中不断探索和总结，目的是促进学生思维能力、实践能力、自主 学习能力和创新能力的发展。
2
1
学习内容与教学策略分析
美国著名的教育心理学家罗伯特•加涅提出的学习层次理 论的核心是：学习是累积性的，较复杂高级的学习是建立在基 础性的学习之上的。将这一理论运用于教学实践中，就是在确 定总教学目标后，应将总目标细分成一个个小目标，并把每个 学习内容细化为一个个容易掌握的“任务”，通过这些“任务”来 体现总的学习目标。依据“任务”的内容特点，我们在教学实践 中可灵活采用讲授法、演示法、实践法和网络平台下学习等多 种方法。可以是具体细致的讲解教材里没有的基础理论推导； 可以是教师授课时，引导学生思考一个问题的多种求解方法； 可以是针对具体问题，教师指导、小组成员协同配合、小组之间 交流和评价;可以是利用网络平台和实验教材的某种意义上的 “翻转”课堂。在以“教”为主的教学模式中融入基于问题教学 法、案例教学法和针对不同层次学生的非颠覆式“翻转”课堂教
学法[4]等。
传统教学中亟待解决的一个症结是学生基础的差异，为此 我们在教材中撰写了实验范例，安排了课前导读，并对课程的 重难点内容制作了视频和语音教学演示。不同层次学生可以根 据自己的学习情况完成课前的预习和课后的巩固复习。课前的 主动预习不仅能够帮助学生跟上课堂教学进度，更重要的是带 着疑问的学习可以培养学生更主动的思考问题和探究知识的 能力。
2
2
教学设计案例
这里选择教学内容“第7
章算法分析与设计”中的一节课
“折半搜索算法”作为案例。
1
教学目标
理解折半查找的概念和特点。
通过分步解析，设计折半查找的算法，写出伪代码。掌握折半查找算法的程序实现。
综合应用已学的程序设计方法及各种控制语句。进一步熟练掌握程序的编写与调试。
2017年第6期|福建电脑
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建电脑COMPUTER
2
学习内容分析
折半查找是计算机科学中的一个基础算法，涉及到问题分 析、算法设计、效率分析、优化方案和编程求解等一系列用计算 机求解问题的步骤。也是对前面学习的程序设计知识和方法的 综合应用。因此，激活学生思维，引导他们去探索和解析方法的 形成过程非常重要。
3
教学策略
教师在讲解过程中，首先通过案例引领学生，提出折半查 找的原理;然后进一步演示折半查找的问题求解过程，鼓励学 生归纳出算法特征;最后学生通过实验课编程解决问题。折半 查找的性能分析是难点，教师要具体细致地将理论推导过程讲 解清楚。
4
教学过程
“折半搜索算法”教学过程描述如表1
所示。3教学成果评价
经过本学期的教学实践，我们通过学生调查问卷的形式对
教学实践结果进行了详细的分析。8
1
9
份问卷调查结果统计分
析如下。(1
) 对本课程的难度，有3
5
%学生反应难度适中，有4
2
生反应比较难。说明课程具有一定的挑战性。
(2
) 对学生课外学习时间的调查显示有5
5
%学生每周大约 1
小时，有2
2
%学生每周大约2
3
小时。说明学生基本能够在 课堂和实验课时间内巩固所学的内容。(3
) 面对编写的程序遇到困难的情况，5
3
%学生表示会自己 尝试解决，3
6
%学生表示会和同学商量解决。说明学生能够自 主、独立和互助地解决问题。(4
) 7
9
%学生希望通过本课程学习逻辑思维能力和编程知
识，5
5
%学生希望逻辑思维能力得到拓展，反过来能影响他们的 专业学习。
(5
) 4
1
%学生希望通过本课程的P
y
h
o
n
帮助系统学习计算
机英语。(6
) 5
1
%学生喜欢传统的教学:听老师讲二节课—实验课做
练习，2
4
%学生喜欢翻转课堂教学:课前自学—上课提问—老师
讲解—实验课做练习，2
5
%学生喜欢实践为导向的翻转课堂教
学:实验课做练习—上课提问—老师讲解。
通过以上分析，以下结论是明显的：1
0
0
%
的学生认识到了
思维能力培养的重要性；虽然课程具有一定的挑战性，近
9
0
%
的学生仍然希望能够自主、独立和互助地解决问题，
4
9%
的学生
不喜欢传统的以教为主的教学模式。因此，在思维培养的基础 上，针对不同层次学生的非颠覆式“翻转”教学将是后续课堂教 学的重要方式。
参考文献：
[1] Newm:rnJ.H.大学的理念[M].北京：清华大学出版社，2012.[2] 吴萍，等.算法与程序设计基础:Python版[M].北京：清华大学出 版社，2015.
[3] 乌美娜.教学设计[M].北京：高等教育出版社，1993.
[4] 张萍.翻转课堂在高校计算机基础课教学中的应用研究[].开封 教育学院学报，2015(2).
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福建电脑I 2017年第6期
表1教学过程示例
教学方法
课件内容
教师讲解演示内容学习目标
设计要点：
首先建一个函数 判断所产生随机
编写一个玩猜数的游 与游戏者所猜 戏。由程序产生一个 数之间的大小关 1~1000间的随机数， 系。调用函数，根
玩游戏者可输入最多 据函数返回的结
运行程序。
问学生：如创设
十次猜数。每次如果输 果进行处理：若 情境入的数不对，可给出偏 猜数正确，
结束 何猜可以 折半查找大偏小提示。如果猜正 循环，若猜得不
猜的快一 的原理
确，给出恭喜信息，游 对，给出大或小
点？有什么
戏结束;如果十次猜数 的提示，
然后如 技巧？不正确，游戏结束，给 果次数少于10
出失败信息。
次继续下一轮猜 数，如果次数已 达10次则也结 束循环。
设有一个13个记录的 分析折半查找的
有序表的关键字值如 原理与方法：取 下：5 7 13 25 mid 指示位置的
32 46 54 62 78 关键字值 13 与
学 83 88 91 99 给定值32作比
假设针left和right 较，显然13<32, 分别指示待查元素所 故要查找的 32
在区间的下界和上界， 应该在后半部
指针mid指示区间的 分， 所以下次的 中间位置。left(1) mid查找区间应变为
学生归纳 (7) 讲解查找关键字值为right(13)
[4,6]，即 left 值 演示折半 总结查找 32的
变为 mid+l=4, 查找的问 的各种情 过程：right值不变仍为 题求解过 况， 写出
取mid位置的关键字 6。求得 mid=5。
程算法伪代 值54与32作比较，显 取 mid 指示位置
码。然32<54,故要查找的 的关键字值32 32应该在前半部分， 与给定值32作
所以下次的查找区间 比较，显然是相
应变为[1，6]，即left值 等的，说明查找 不变仍为1，right的值 成功。所查元素 变为mid-1=6。求得 在查找表中的位
mid=3 (整除）。left(l) 置即为mid所指
mid(3) right (6)示的值。算法的效率为:O(log2n) while的每次循环（最
后一次除外)都将以减
半的比例缩小搜索范 推导围。在最坏情况下，
即 详细解释算法效 折半查找折半搜索
过程的判算法的效被查找的值位于叶子
率的推导过程。
定树率分析节点或不存在，这时的 比较次数为判定树深度:[log2 (n+1)]。实践程序的一种实现。
提示学生根据算 程序设计
法写出代码。运行程序
与调试
思考：如果待查
如果待查找的元素在 找的元素在序列
讨论
序列中有多个，则上述 中有多个，如何 修改方案
修改算法返回第 的运行结 程序的修折半查找算法返回的 是其中的任意一个。一个所在的位
果
改
置。
%
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