曹曉葉

摘 要：程序設(shè)計(jì)類課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是非計(jì)算機(jī)本科的基礎(chǔ)選修課程。通過(guò)分析語(yǔ)言教學(xué)現(xiàn)狀，針對(duì)傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)生參與度不高的問(wèn)題，提出基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)模式。課堂教學(xué)以網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模擬項(xiàng)目，通過(guò)改變語(yǔ)言教學(xué)體系，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且提高了學(xué)習(xí)效果，有效培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維與綜合協(xié)作能力，使學(xué)生課堂參與度接近90%。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng);團(tuán)隊(duì)協(xié)作;程序設(shè)計(jì)課程;爬蟲(chóng)系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 192344 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0180-04

英標(biāo)：The Reform and Practice in Project-Driven Programming Course

英作：CAO Xiao-ye

英單：（School of Computer Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640，China）

Abstract： Programming course is the basic course of computer specialty. It is also the basic elective course for non-computer undergraduate. Based on the analysis of the current situation and problems in language teaching， in order to solve the problem of insufficient participation of students in traditional programming courses， this paper proposes a project-driven teamwork teaching model. Classroom teaching takes the design of web crawler system as a simulation project to change the language teaching system. This model not only stimulates students interest in learning， but also improves their mastery of classroom content， so that students can constantly improve their computational thinking and comprehensive collaborative ability in the process of learning. Students participation in the classroom is close to 90%.

Key Words： project driven; team cooperation; programming course; crawler system

0 引言

計(jì)算機(jī)課程特點(diǎn)決定了教學(xué)需要以實(shí)踐為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與動(dòng)手能力。目前高校程序設(shè)計(jì)類課程主要采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，以理論指導(dǎo)實(shí)踐為原則，以教師為中心，而忽視了對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)?；陧?xiàng)目的教學(xué)法就是為解決這一問(wèn)題而提出的。本文通過(guò)在計(jì)算機(jī)課程，主要是程序設(shè)計(jì)類課程中選取合適的項(xiàng)目，將傳統(tǒng)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性;從結(jié)構(gòu)、算法及代碼等不同方面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力以及分析、解決問(wèn)題的能力;教學(xué)以學(xué)生為中心，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)是基于建構(gòu)主義理論發(fā)展起來(lái)的，其核心教育理念是讓學(xué)生學(xué)會(huì)積極解決問(wèn)題，并構(gòu)建自己的知識(shí)框架;強(qiáng)調(diào)在“做中學(xué)”，認(rèn)為一切學(xué)習(xí)都源于經(jīng)驗(yàn)，主張學(xué)校學(xué)習(xí)要與實(shí)際生活相聯(lián)系，按照人類解決問(wèn)題的思維方式安排教學(xué)活動(dòng)。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在國(guó)外已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，并形成一種教育教學(xué)理論。1979年，博雷泊最早將這種教學(xué)理論應(yīng)用于語(yǔ)言教學(xué)實(shí)踐中;1987年，耶登提出應(yīng)用任務(wù)型教學(xué)法設(shè)計(jì)課堂教學(xué)的過(guò)程、具體步驟與相關(guān)技巧。目前國(guó)內(nèi)對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的研究大多集中于一線教育工作者，一線教師根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐提出各自的教學(xué)模式與教學(xué)過(guò)程。雖然在操作過(guò)程上有所差異，但都是以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目設(shè)置與小組協(xié)作[1，3]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外目前主要教學(xué)案例，本文參考探究式教學(xué)、案例教學(xué)等教學(xué)模式，提出以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目為載體。在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生在教師的組織與引導(dǎo)下，自主完成一個(gè)具體且有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。學(xué)生在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通，并對(duì)其作進(jìn)一步深入探索。

1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式

1.1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式涵義

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是教師通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)典型“項(xiàng)目”而開(kāi)展的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。項(xiàng)目選取以從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單一到綜合為原則，將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)融入其中。引導(dǎo)、啟發(fā)、鼓勵(lì)學(xué)生以小組為單位，通過(guò)教師的理論講解先掌握相關(guān)基本知識(shí)點(diǎn)，然后分配學(xué)習(xí)任務(wù)，開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而加深對(duì)知識(shí)的理解。完整的項(xiàng)目實(shí)踐使學(xué)生能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，并將理論與實(shí)踐相關(guān)聯(lián)，在真實(shí)情景中學(xué)習(xí)，增強(qiáng)知識(shí)遷移能力[1]。

1.2 教學(xué)模式特點(diǎn)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式以學(xué)生為中心，在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生是完成項(xiàng)目的主體，教師是項(xiàng)目設(shè)計(jì)者，以項(xiàng)目為主線，將知識(shí)點(diǎn)包含在整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目接收與掌握知識(shí)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)如下：①對(duì)于學(xué)生而言，提供了發(fā)展如計(jì)算思維、合作溝通能力等綜合技能的機(jī)會(huì)，相比傳統(tǒng)課堂教學(xué)，其對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的要求更高，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心，改善了其學(xué)習(xí)態(tài)度;②對(duì)于學(xué)習(xí)過(guò)程而言，學(xué)生帶著問(wèn)題尋找解決方案，在學(xué)習(xí)活動(dòng)中不斷對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估，不斷反思學(xué)習(xí)活動(dòng)中的失誤，在特定框架內(nèi)作出決定，可活躍課堂氣氛，提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;③在知識(shí)傳授方面，教師從關(guān)注知識(shí)與技能轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注學(xué)生，從給出知識(shí)與技能轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，從個(gè)體學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)楹献魈剿鲗W(xué)習(xí);④在課程教學(xué)內(nèi)容修訂方面，在原有課程內(nèi)容中強(qiáng)化課程理念，在項(xiàng)目案例設(shè)計(jì)中注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性與積極性，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生科學(xué)研究精神與職業(yè)道德的培養(yǎng)[2]。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施

項(xiàng)目選擇對(duì)于課程改革效果起著至關(guān)重要的作用，教師在項(xiàng)目選擇上要遵循以下原則：①項(xiàng)目一定要能用到課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生能將理論知識(shí)與實(shí)踐技能相結(jié)合;②項(xiàng)目要有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目過(guò)程中獲得成就感;③項(xiàng)目要難易適中，太難的項(xiàng)目學(xué)生可能會(huì)選擇放棄，太容易則缺乏挑戰(zhàn)性，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。項(xiàng)目選定之后，教師首先要通過(guò)一定理論講解讓學(xué)生掌握基本知識(shí)點(diǎn)，然后讓學(xué)生以小組為單位，根據(jù)不同分工劃分角色，明確各個(gè)角色的學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)。讓學(xué)生按照軟件生命周期，完成需求分析、軟件設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)及軟件測(cè)試等環(huán)節(jié)，通過(guò)小組答辯展示課程學(xué)習(xí)成果[3]。

整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施與答辯幾個(gè)環(huán)節(jié)，在每個(gè)階段要求學(xué)生提供關(guān)鍵性文檔材料或完成作品，比如設(shè)計(jì)階段要有需求說(shuō)明文檔，實(shí)施階段要有詳細(xì)功能設(shè)計(jì)文檔，答辯環(huán)節(jié)要有完成作品的系統(tǒng)展示。這些關(guān)鍵性的驗(yàn)收資料確保教師能全過(guò)程地跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)情況，并進(jìn)行階段性檢查與控制，以保證學(xué)生按照計(jì)劃完成項(xiàng)目。

3 項(xiàng)目改革實(shí)踐

在高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程中，課堂教學(xué)以網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模擬項(xiàng)目，改變了傳統(tǒng)語(yǔ)言教學(xué)體系，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且提高了對(duì)課堂內(nèi)容的掌握程度，有效培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維和綜合協(xié)作能力。

網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)是一種自動(dòng)抓取網(wǎng)頁(yè)，并解析與提取網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容的程序。網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)從一個(gè)給定的URL（Uniform Resource Locator）種子集出發(fā)，下載種子集中URL對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)并解析網(wǎng)頁(yè)，提取新的URL加入U(xiǎn)RL隊(duì)列，同時(shí)存儲(chǔ)目標(biāo)資源，如文字、圖片、視頻等，逐條訪問(wèn)隊(duì)列中的URL，直到URL隊(duì)列為空或爬蟲(chóng)任務(wù)目標(biāo)達(dá)成為止[4]。

爬蟲(chóng)項(xiàng)目實(shí)施步驟一般分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)階段[9]。第一步數(shù)據(jù)采集是指獲取想得到內(nèi)容URL中的html內(nèi)容，然后經(jīng)過(guò)第二步處理得到相應(yīng)字段，最后通過(guò)第三步存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)表中。爬蟲(chóng)功能詳細(xì)設(shè)計(jì)流程實(shí)例如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中爬蟲(chóng)功能實(shí)現(xiàn)主要流程如下：①訪問(wèn)百度題庫(kù)考研政治目錄，獲取各個(gè)章節(jié)題目數(shù)量及章節(jié)ID等信息;②通過(guò)對(duì)各章的chapterid等參數(shù)進(jìn)行拼接，形成各章節(jié)題目對(duì)應(yīng)的URL鏈接;③將各章題目的qid等信息存儲(chǔ)到臨時(shí)變量中;④通過(guò)對(duì)qid和題目詳情信息URL的拼接，獲取unicode 編碼題目信息的html文本信息;⑤通過(guò)手寫(xiě)一個(gè)工具類UnicodeToCN 將unicode字符轉(zhuǎn)化成中文字符;⑥通過(guò)Java正則表達(dá)式獲取題目各字段信息;⑦利用上述試題信息建立相應(yīng)試題類對(duì)象，并插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

主題爬蟲(chóng)在常規(guī)爬蟲(chóng)基礎(chǔ)上添加了主題相似度計(jì)算模塊。主題爬蟲(chóng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是優(yōu)先爬取與主題最相關(guān)的網(wǎng)頁(yè)，過(guò)濾與主題無(wú)關(guān)的網(wǎng)頁(yè)，以此限定主題爬蟲(chóng)搜索范圍，提高工作效率。主題爬蟲(chóng)一般工作流程如下：由用戶預(yù)先指定目標(biāo)主題，給定URL種子集;下載種子集中URL對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)，解析網(wǎng)頁(yè)并提取新的URL;根據(jù)主題相似度計(jì)算算法預(yù)測(cè)URL與主題相關(guān)度，過(guò)濾與主題無(wú)關(guān)的URL;將與主題相關(guān)的URL加入U(xiǎn)RL隊(duì)列，并且根據(jù)主題相似度從高到低排序，優(yōu)先爬取與主題相似度高的URL對(duì)應(yīng)頁(yè)面，同時(shí)儲(chǔ)存任務(wù)目標(biāo)資源，如文字、圖片、視頻等，直到URL隊(duì)列為空或爬蟲(chóng)任務(wù)目標(biāo)達(dá)成為止[5-6]。

融合LDA的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主題爬蟲(chóng)適用于有充足標(biāo)簽化語(yǔ)料，且目標(biāo)主題屬于語(yǔ)料標(biāo)簽集范圍內(nèi)的情形[7]。如圖3所示為主題爬蟲(chóng)工作流程：①設(shè)定URL種子集和目標(biāo)主題，URL調(diào)度器初始化URL隊(duì)列;②從URL隊(duì)列中取一條URL，記錄URL相似度，爬取URL對(duì)應(yīng)網(wǎng)頁(yè)，交給HTML解析器;③HTML解析器解析網(wǎng)頁(yè)，提取所有符合設(shè)定提取規(guī)則的URL，以及主題相似度計(jì)算依據(jù)的文檔;④用訓(xùn)練好的LDA主題模型計(jì)算文檔主題向量，用訓(xùn)練好的word2vec模型將文檔轉(zhuǎn)化為詞向量矩陣，輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)文本分類器;⑤得到網(wǎng)頁(yè)文檔的主題相似度，如果相似度高于設(shè)定閾值，從當(dāng)前網(wǎng)頁(yè)保存目標(biāo)資源，同時(shí)賦予提取的URL相似度權(quán)重，加入U(xiǎn)RL隊(duì)列，如果相似度低于設(shè)定閾值，則舍棄該網(wǎng)頁(yè)與所有URL;⑥URL隊(duì)列進(jìn)行URL去重，按照URL的相似度排序;⑦重復(fù)步驟②～⑥直至URL隊(duì)列為空，或爬蟲(chóng)任務(wù)目標(biāo)達(dá)成為止。

其中，URL去重是爬蟲(chóng)不可或缺的部分。爬蟲(chóng)記錄已爬取過(guò)的URL列表，并對(duì)后續(xù)提取到的相同URL進(jìn)行過(guò)濾，以避免重復(fù)爬取同一頁(yè)面。實(shí)驗(yàn)中使用的方法來(lái)自python爬蟲(chóng)框架scrapy，對(duì)URL進(jìn)行MD5處理再存儲(chǔ)到哈希表中。MD5是一種消息摘要算法，能將較長(zhǎng)的URL字符串轉(zhuǎn)化成128位散列值。該方法能較好地避免沖突，對(duì)內(nèi)存需求也較低。URL隊(duì)列使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，能快速查找相似度最高的URL并自動(dòng)進(jìn)行排序[8]。

分類問(wèn)題評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有召回率（recall）、精確率（precision）和F1 Score。

主題爬蟲(chóng)相關(guān)文檔可以分成4組：主題爬蟲(chóng)爬取到的相關(guān)文檔（A）、主題爬蟲(chóng)爬取到的不相關(guān)文檔（B）、相關(guān)但主題爬蟲(chóng)沒(méi)有爬取到的文檔（C）、不相關(guān)且沒(méi)有被主題爬蟲(chóng)爬取到的文檔（D）。

則召回率recall：

[recall=AA+C]

精確率precision：

[precision=AA+B]

F1 Score：

[F1Score=2*recall*precisionrecall+precision*100%]

召回率體現(xiàn)主題爬蟲(chóng)爬取與主題相關(guān)文檔的能力，精確率體現(xiàn)主題爬蟲(chóng)判斷文檔是否屬于該主題的能力，兩者通常呈負(fù)相關(guān)，所以同時(shí)采用F1 Score值作為綜合評(píng)價(jià)查全率與查準(zhǔn)率的指標(biāo)。

4 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證項(xiàng)目系統(tǒng)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行的性能，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)爬取目標(biāo)是百度百科詞條頁(yè)面，設(shè)定爬取主題為“體育”。使用python模塊requests爬取網(wǎng)頁(yè)，然后使用python模塊BeautifulSoup解析爬取到的網(wǎng)頁(yè)，以提取想要的內(nèi)容。

用于判定相似度的文本取自頁(yè)面的詞條說(shuō)明文本，其HTML標(biāo)簽為