周 鋼，郭福亮，崔良中，李永杰，郭 暉

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是面向大學(xué)各專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)性、通識性課程，以全面培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、計(jì)算科學(xué)修養(yǎng)和計(jì)算思維能力為主要目標(biāo)，以講授計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識和開展應(yīng)用實(shí)踐為主要內(nèi)容。在課程實(shí)踐教學(xué)中，如何通過內(nèi)容重組、教學(xué)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐落地，是當(dāng)前教學(xué)改革趨勢和研究熱點(diǎn)[1]。筆者以Python 語言作為工具，重構(gòu)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)體系，重點(diǎn)構(gòu)建多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，從而加強(qiáng)對理論知識的驗(yàn)證和理解，增強(qiáng)實(shí)際問題研究和解決能力，推動計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐落地。

1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)體系

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)當(dāng)圍繞應(yīng)用能力培養(yǎng)為核心，開設(shè)多層次、多類別、多樣化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)院校特點(diǎn)按一般要求和較高要求，構(gòu)建3 方面×3 層次實(shí)踐教學(xué)體系，從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與信息檢索方法、關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、多媒體信息處理3 個(gè)方面，按照操作性基礎(chǔ)、綜合性技能、專業(yè)性應(yīng)用3 個(gè)層次構(gòu)建基礎(chǔ)驗(yàn)證型、綜合設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新研究型3 類實(shí)驗(yàn)。

1.2 課程現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)要求，和文獻(xiàn)[3]中大學(xué)計(jì)算機(jī)課程典型教學(xué)方案，當(dāng)前課程現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括三大類。

（1）基礎(chǔ)應(yīng)用操作類。圍繞以O(shè)ffice 辦公軟件為主的基礎(chǔ)應(yīng)用軟件的操作，包括文檔編輯、電子表格設(shè)計(jì)、演示文稿制作等，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟硬件安裝、網(wǎng)絡(luò)信息資源檢索等，主要覆蓋操作性基礎(chǔ)層次和綜合性技能層次實(shí)驗(yàn)。

（2）綜合技能應(yīng)用類。配合大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論教學(xué)，圍繞數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等開展數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)置與調(diào)試、多媒體軟件應(yīng)用等，主要開展綜合性技能層次實(shí)驗(yàn)。

（3）編程初級實(shí)踐類。配合大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)分級不同，部分課程教學(xué)方案涉及少量初級編程知識，主要包括VBA、SQL、Python 以及函數(shù)式Haskell、邏輯式Prolog 語言開展基礎(chǔ)編程實(shí)踐，圍繞簡單實(shí)際問題開展綜合性技能層次的編程基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，該部分內(nèi)容與后續(xù)開展的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容大量重復(fù)，不適應(yīng)大部分院校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)需要。

根據(jù)文獻(xiàn)[4—6]的分析以及實(shí)地調(diào)研情況，當(dāng)前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)存在的問題主要集中在幾個(gè)方面。

（1）課程實(shí)驗(yàn)理念缺乏思維性。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)實(shí)施圍繞應(yīng)用能力培養(yǎng)為中心，關(guān)注基礎(chǔ)應(yīng)用能力和綜合應(yīng)用技能的培養(yǎng)，缺乏對計(jì)算思維的關(guān)注與培養(yǎng)，雖然部分實(shí)踐教學(xué)實(shí)施中引入編程初級實(shí)踐，但對于計(jì)算思維的體系化、深層次的培養(yǎng)缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)前的課程實(shí)踐教學(xué)難以讓計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)踐落地。

（2）課程實(shí)驗(yàn)體系缺乏高階性。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)體系主要圍繞操作性基礎(chǔ)層次實(shí)施，少量開展綜合性技能層次實(shí)驗(yàn)，極少有專業(yè)性應(yīng)用層次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)體系缺乏高階性。由于課程實(shí)踐教學(xué)缺乏與實(shí)際問題、專業(yè)知識的聯(lián)系，實(shí)踐教學(xué)未能提供相關(guān)基礎(chǔ)理論知識在專業(yè)領(lǐng)域、實(shí)際生活中靈活應(yīng)用與實(shí)踐的案例，實(shí)驗(yàn)體系仍停留在驗(yàn)證理論知識、關(guān)注應(yīng)用能力和綜合技能的低層次實(shí)踐中。

（3）課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏配套性。實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)之一就是要驗(yàn)證理論課堂教學(xué)內(nèi)容的知識。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充斥了大量Office 為代表的應(yīng)用軟件（工具）操作應(yīng)用，與理論課堂的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識體系不配套?，F(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容易出現(xiàn)理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目脫節(jié)、理論授課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩張皮，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)連貫性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)用以驗(yàn)證理論所學(xué)的功能未能發(fā)揮。

（4）課程實(shí)驗(yàn)難度缺乏挑戰(zhàn)性。隨著信息技術(shù)發(fā)展和高中階段信息類課程改革，大學(xué)新生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)操作能力明顯提升，部分大學(xué)新生已經(jīng)具備計(jì)算機(jī)軟硬件安裝調(diào)試、Office 操作、網(wǎng)絡(luò)使用、安全設(shè)置等方面的應(yīng)用技能。因此，原有的基礎(chǔ)應(yīng)用操作類、綜合技能應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)對于相當(dāng)部分學(xué)生不解渴，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏難度和挑戰(zhàn)度。

2 基于Python的多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

2.1 課程實(shí)踐教學(xué)改革基本情況

Python 語言是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝阅_本語言，具有跨平臺、簡單易學(xué)、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，對比典型的C 語言，學(xué)生能夠用有限時(shí)間和精力完成運(yùn)用Python 語言開展大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的任務(wù)，并激發(fā)編程興趣[7]。因此，Python 語言是當(dāng)前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)的編程語言工具最佳選擇。

基于Python 的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)改革，以Python 語言為工具，全面革新實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、重組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、重構(gòu)實(shí)驗(yàn)體系，課程改革基本情況如下。

（1）建立“一個(gè)中心、三種能力”的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。一個(gè)中心是以“計(jì)算思維”培養(yǎng)為中心，構(gòu)建三種能力，即計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用能力、編程實(shí)踐能力、綜合創(chuàng)新能力，其中基礎(chǔ)應(yīng)用能力主要是原有以O(shè)ffice 為代表的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)、軟件和工具的操作實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用技能；編程實(shí)踐能力主要是Python 語言的編程實(shí)踐能力，一是Python 基礎(chǔ)語法、結(jié)構(gòu)和算法，二是運(yùn)用Python 開展計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識的驗(yàn)證能力；綜合創(chuàng)新能力主要是運(yùn)用Python 編程語言和基礎(chǔ)應(yīng)用軟件，開展創(chuàng)新實(shí)踐活動，解決日常生活、專業(yè)領(lǐng)域和軍事應(yīng)用中的實(shí)際問題。

（2）構(gòu)建“一內(nèi)一外，一點(diǎn)一線”的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。圍繞“三種能力”構(gòu)建課內(nèi)課外的“一內(nèi)一外”兩種實(shí)踐教學(xué)形式，結(jié)合設(shè)計(jì)“一點(diǎn)一線”的教學(xué)內(nèi)容，其中課外主要通過自主學(xué)習(xí)模式開展計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用能力和操作技能的自學(xué)自訓(xùn)[8]，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)圍繞Python 語言編程這一點(diǎn)開展程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)踐，在此基礎(chǔ)上，以Python 語言為線貫穿計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識體系的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

（3）創(chuàng)建“理實(shí)結(jié)合，四位一體”的實(shí)踐教學(xué)體系。依托Python 語言構(gòu)建理論與實(shí)踐相結(jié)合，形成自主操作型、理論驗(yàn)證型、綜合實(shí)踐型、研究創(chuàng)新型為一體的實(shí)踐教學(xué)體系，其中自主操作性依托課外自主學(xué)訓(xùn)圍繞計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用軟件或工具開展，后續(xù)3 種實(shí)驗(yàn)均依托Python語言開展，按照Python 程序設(shè)計(jì)實(shí)踐、基礎(chǔ)理論知識驗(yàn)證、綜合案例創(chuàng)新實(shí)踐從基礎(chǔ)、實(shí)踐到創(chuàng)新3 個(gè)層次逐步深入展開。

2.2 多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的研究設(shè)計(jì)

圍繞大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)，以Python 語言為工具，構(gòu)建多層次創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)48 課內(nèi)學(xué)時(shí)和24 學(xué)時(shí)課外實(shí)驗(yàn)，課外實(shí)驗(yàn)以自主操作型實(shí)驗(yàn)為主培養(yǎng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用能力，課內(nèi)48 學(xué)時(shí)按照理論講授與實(shí)踐教學(xué)各24 學(xué)時(shí)，具體介紹課內(nèi)48 學(xué)時(shí)的教學(xué)內(nèi)容及設(shè)計(jì)。相關(guān)教學(xué)的課時(shí)安排和內(nèi)容設(shè)計(jì)見表1。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程按照理論與實(shí)踐相配合，先講授Python 程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識，重點(diǎn)突出Python 基本結(jié)構(gòu)、組合數(shù)據(jù)、常見算法及其配套實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，借用Python 語言的Turtle 繪圖可視化展現(xiàn)，加深對Python 基礎(chǔ)語法、結(jié)構(gòu)和算法的理解，加深對Python 語言的理解和興趣。在初步掌握Python 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)上，對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識體系，按照理論教學(xué)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合創(chuàng)新逐步深入，加強(qiáng)對理論知識的深度理解和Python 語言的靈活應(yīng)用。

同時(shí)，配合實(shí)踐教學(xué)開展，舉辦課程競賽的創(chuàng)新實(shí)踐活動，配合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照圖文設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、Python 編程三個(gè)主題開展開放性創(chuàng)新實(shí)踐活動，通過廣泛參與、集中評比、考評加分，從而激發(fā)創(chuàng)新動力。

2.3 多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的案例分析

（1）教學(xué)目標(biāo)。以Python 多媒體編程實(shí)驗(yàn)為例，具體介紹多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，主要掌握計(jì)算機(jī)的圖像、音頻等多媒體進(jìn)行數(shù)字化的過程、指標(biāo)和方法。具體知識點(diǎn)包括：數(shù)字化抽樣、量化、編碼過程；圖像的分辨率、像素深度、RGB 編碼等數(shù)字化指標(biāo)和容量計(jì)算方法；音頻的采樣頻率（周期）、量化位數(shù)和聲道數(shù)等數(shù)字化指標(biāo)和容量計(jì)算方法。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。主要針對圖像的分辨率、像素深度、RGB 編碼等數(shù)字化指標(biāo)和容量計(jì)算方法的知識點(diǎn)，開展4 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)見表2。

表1 課程教學(xué)安排與內(nèi)容設(shè)計(jì)

（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)施。以實(shí)驗(yàn)3 為例改變圖片區(qū)域顏色，重點(diǎn)理解圖片色深概念和數(shù)據(jù)量計(jì)算方法，按照引導(dǎo)、編程、驗(yàn)證、結(jié)論4 個(gè)步驟具體分析本實(shí)驗(yàn)開展和實(shí)施過程。

·引導(dǎo)

介紹像素深度的基本概念，回顧理論課程關(guān)于色彩模式、像素深度和圖像數(shù)據(jù)量計(jì)算方法，介紹RGB 顏色向灰度顏色轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法，介紹PIL 庫。

·編程

在了解相關(guān)Python 語言庫基礎(chǔ)上，采用對比實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證像素深度的概念，理解像素深度對圖像數(shù)據(jù)量計(jì)算的影響。

①了解PIL 庫的基本用法，了解load()、putpixel()、convert()等函數(shù)的功能和簡單使用。

②使用RGB 值轉(zhuǎn)化為灰度值，從而將彩色圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖片，核心代碼為：

③使用色彩模式方法，轉(zhuǎn)換為灰度模式，核心代碼：

④計(jì)算數(shù)據(jù)量，估算像素深度：

·驗(yàn)證

驗(yàn)證分辨率、像素深度和數(shù)據(jù)量計(jì)算方法的理論知識，通過編程步驟，對照使用操作系統(tǒng)對指定圖片查看屬性，查看Python 編程結(jié)論是否正確，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已學(xué)理論知識是否正確。

·結(jié)論

結(jié)合Python 編程實(shí)踐和對比驗(yàn)證，從引導(dǎo)思考、編程實(shí)踐、探究分析中得到相關(guān)理論知識結(jié)論，加強(qiáng)對理論知識的深度理解和靈活運(yùn)用。

2.4 多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

基于Python 語言開展多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)難度、內(nèi)容、體系對已有實(shí)踐教學(xué)開展全方面改進(jìn)，具有鮮明特點(diǎn)。

（1）難度從易到難，具有遞進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)設(shè)置Python 程序設(shè)計(jì)實(shí)踐、基礎(chǔ)理論知識驗(yàn)證、綜合案例創(chuàng)新實(shí)踐構(gòu)建了基礎(chǔ)型、驗(yàn)證型、探究型等多個(gè)難度層次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，難度逐步遞進(jìn)，符合一般認(rèn)知規(guī)律和學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（2）配合理論教學(xué)，具有驗(yàn)證性。實(shí)驗(yàn)緊密圍繞和配合理論知識開展，將Python 語言作為驗(yàn)證工具，運(yùn)用編程實(shí)踐方式來驗(yàn)證已學(xué)理論知識。

（3）引導(dǎo)探究創(chuàng)新，具有探索性。實(shí)驗(yàn)圍繞一個(gè)主題，內(nèi)容相互配合、難度層層遞進(jìn)，激發(fā)學(xué)生興趣，鼓勵主動學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生思考、探究、創(chuàng)新。

（4）強(qiáng)調(diào)舉一反三，具有創(chuàng)新性。在基礎(chǔ)理論知識驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用基礎(chǔ)理論知識和Python 在本領(lǐng)域中應(yīng)用，稍增難度，開展貼近生活、激發(fā)興趣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

（5）開展創(chuàng)新實(shí)踐，具有挑戰(zhàn)性。對于學(xué)有余力的學(xué)生，通過課程創(chuàng)新實(shí)踐活動，進(jìn)一步提升Python 編程等實(shí)踐能力，為更高水平學(xué)科競賽和創(chuàng)新活動發(fā)掘、輸送人才。

3 基于Python的實(shí)踐教學(xué)試點(diǎn)改革效果分析

2017 年9 月海軍工程大學(xué)開始在2017 級新生的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中引入Python 語言教學(xué)，并開設(shè)了基于Python 的多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，迄今已經(jīng)試點(diǎn)運(yùn)行2 期，并于2018 年公開出版配套實(shí)驗(yàn)教材《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》[9]，目前在軍隊(duì)4 所院校推廣應(yīng)用。

結(jié)合前期試點(diǎn)應(yīng)用情況，對比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用操作實(shí)驗(yàn)體系，基于Python 的實(shí)踐教學(xué)有助于促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、提高實(shí)驗(yàn)課堂效果、提升課程考核成績、等考通過率大幅提升、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識。

1）學(xué)生精力投入增多。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試平臺統(tǒng)計(jì)，學(xué)生課下運(yùn)用平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)平均時(shí)間為2.5 小時(shí)/周，由于課程實(shí)驗(yàn)難度提升、內(nèi)容豐富，課上實(shí)驗(yàn)學(xué)生的參與度、專注度、完成度均有明顯提升，杜絕課堂違紀(jì)現(xiàn)象。

2）考核成績提升明顯。

課程增加了Python 內(nèi)容，期末考核中Python 編程內(nèi)容占25%左右，對照往屆考核情況，期末考核均分基本和往屆持平。結(jié)合2017級、2018 級學(xué)生在次年3 月國家計(jì)算機(jī)等級考試，對比往屆考核情況，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)一級初次參考通過率為82.5%，較往屆降低4.5%，而計(jì)算機(jī)二級(Python)的初次參考通過率為37.5%，較往屆提高30%左右。

3）創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)。

課程配套了創(chuàng)新實(shí)踐活動，圍繞解決生活實(shí)際問題和軍事領(lǐng)域應(yīng)用，以課程競賽形式推動學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)，2017 年、2018 年學(xué)生參與并最終完成作品提交比例分別為35.6%和47.5%，且以Python 編程作為競賽作品的比例分別占40%和60%，呈現(xiàn)逐年上升趨勢，作品難度、創(chuàng)新度同步提升，得到大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)、教學(xué)督導(dǎo)專家一致好評。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)存在缺乏理念思維性、體系高階性、內(nèi)容配套性和難度挑戰(zhàn)性，借助Python 語言好學(xué)易用的特點(diǎn)，全面革新實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、重組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、重構(gòu)實(shí)驗(yàn)體系，推動實(shí)踐教學(xué)改革。以Python 語言為工具，構(gòu)建了Python 程序設(shè)計(jì)實(shí)踐、基礎(chǔ)理論知識驗(yàn)證、綜合案例創(chuàng)新實(shí)踐的多層次創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，并以“多媒體數(shù)字化”教學(xué)內(nèi)容為案例，具體分析了新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施。根據(jù)海軍工程大學(xué)2017、2018 級學(xué)生試點(diǎn)應(yīng)用情況，基于Python 的實(shí)踐教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生更多投入，提高實(shí)驗(yàn)課堂效果，提升課程考核成績，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐落地。