新工科環(huán)境下Python程序設(shè)計課程教學(xué)改革與探索

摘要：隨互聯(lián)網(wǎng)+時代的迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、人工智能、深度學(xué)習(xí)等新工科產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)入了一個熱潮發(fā)展時期。本文為適應(yīng)新工科產(chǎn)業(yè)人才的需求，改變傳統(tǒng)工科智能語言基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的問題，依托超星學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)資源平臺來建設(shè)課程資源包括教學(xué)大綱、授課計劃、課程教學(xué)設(shè)計等，提出了線上自主學(xué)習(xí)、線下教學(xué)、課程實踐、教學(xué)考核為基礎(chǔ)的混合式教學(xué)模式等教改措施，以培養(yǎng)學(xué)生計算思維、工程化思想，著重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，啟發(fā)其創(chuàng)新思維，助力我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級和社會高質(zhì)量的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新工科;Python;程序設(shè)計基礎(chǔ)

引言

隨著深度學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，領(lǐng)域人才出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的工科教育早已不再適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)對人才能力培養(yǎng)的需求。為此，教育部于2017年提出新工科教育，各大高校應(yīng)該加快在新工科方面的建設(shè)和發(fā)展，優(yōu)化學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展新興前沿學(xué)科專業(yè)等。中共中央也在十四五規(guī)劃中明確提出加快發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，壯大新一代信息技術(shù)來推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等各大產(chǎn)業(yè)的深度融合[1]。作為這些新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)課程，智能語言基礎(chǔ)之Python語言在其中扮演著非常重要的角色。而各大高校也在程序設(shè)計基礎(chǔ)課程方面的專業(yè)建設(shè)和教學(xué)改革進(jìn)一步的深入，Python程序設(shè)計語言越來越受到關(guān)注。

新工科專業(yè)下，程序設(shè)計語言經(jīng)歷了從BASIC、Fortran等到Java，C/C++語言的轉(zhuǎn)變，目前仍有大量的工科專業(yè)使用C作為基礎(chǔ)的程序設(shè)計語言。但是C語言語法復(fù)雜，比其他高級語言較難以掌握，不太適合非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題，難以適應(yīng)新工科建設(shè)的要求。而Python語言具有簡潔、易學(xué)易讀易懂、便于擴(kuò)展、可以實現(xiàn)快速開發(fā)等優(yōu)點，此外更為重要的是具有眾多的第三方庫支持，可廣泛應(yīng)用于各個專業(yè)的復(fù)雜問題處理，尤其是在大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)出來、科學(xué)計算及人工智能等多個領(lǐng)域。由于Python的各種優(yōu)勢，非常適合各不同層次不同專業(yè)工科學(xué)生的學(xué)習(xí)。Python 程序設(shè)計語言也迅速躍居編程語言排行榜前列，成為當(dāng)下最受歡迎的編程語言之一[2]。

1 Python程序設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教材單一

隨Python語言的迅速成為多領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)語言之一，市場上已出現(xiàn)大量相關(guān)的教材，有很大一部分教材內(nèi)容太過簡單，未介紹程序在運行中涉及底層操作的相關(guān)知識，也有很大一部分介紹的內(nèi)容過多。沒有針對無編程基礎(chǔ)的本科生做相應(yīng)的重點內(nèi)容調(diào)整。因而此問題亟需解決。

1.2 理論與實踐結(jié)合不緊密

目前的相關(guān)教材主要是針對知識點的介紹，并無相關(guān)配套資源可用，雖然可通過實驗進(jìn)行一定的補救，但是理論與實踐方面結(jié)合的仍不緊密。知識的深度和應(yīng)用型不足，缺少貼近生活及工業(yè)應(yīng)用的具體案例[3]。

1.3 教學(xué)資料匱乏

雖然 Python 的應(yīng)用日益廣泛，但是從教學(xué)的角度，可用的學(xué)習(xí)資料還比較欠缺。比如針對各種考核目標(biāo)的練習(xí)題庫、針對各個專業(yè)特點的學(xué)習(xí)案例、針對不同層次的在線考核試題等，這些都需要較長時間的建設(shè)完善。無法將學(xué)生所學(xué)專業(yè)的新工科教育目標(biāo)融入到程序設(shè)計課堂中，因而有必要探索新工科背景下的python程序設(shè)計教學(xué)新模式[4]。

1.4 教學(xué)方式和方法

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的教學(xué)方式大多以教師講授理論知識，課后上機(jī)實驗，理論知識很多需要課后消化理解，上機(jī)實驗時，學(xué)生模仿教師的操作“依葫蘆畫瓢”，只能參照實驗案例中的代碼機(jī)械地敲鍵盤，遇到的實際問題不知從哪里打開突破口，一臉茫然，不能運用所學(xué)知識和編程思維去解決問題[5]。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法是任課教師在理論傳授中，在多媒體教室詳細(xì)講解知識點，學(xué)生不能實

時動手操作。杜蘭[6]等人將項目驅(qū)動運用到Python課程教學(xué)中，提出一種以抽簽系統(tǒng)作為一個連貫的實驗項目驅(qū)動教學(xué)改革，該方法激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高動手能力、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新，主要是團(tuán)隊協(xié)調(diào)一起完成開發(fā)任務(wù)，但該方法在實施過程中不能及時有效監(jiān)測到每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2 新工科環(huán)境下的Python程序設(shè)計基礎(chǔ)課程改革方案

考慮到 Python 程序設(shè)計課程的重要性以及當(dāng)前存在的問題，結(jié)合過往教學(xué)和項目經(jīng)驗分別從教學(xué)內(nèi)容、教改措施（包括線下教學(xué)、線上自主學(xué)習(xí)、實踐教學(xué)和教學(xué)考核）對現(xiàn)有 Python 程序設(shè)計課程進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，具體方案如下。

2.1 教學(xué)內(nèi)容

基于 Python 的程序設(shè)計基礎(chǔ)課程圍繞程序設(shè)計基礎(chǔ)知識：數(shù)據(jù)類型、程序控制、函數(shù)及模塊、文件、Tkinter GUI 編程等展開，重點培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。課程內(nèi)容與學(xué)時分布如表 1 所示。

2.2 教學(xué)改革措施

1.混合教學(xué)模式

本課程主要采取線上線下混合式教學(xué)方法組織教學(xué)。線上自主學(xué)習(xí)依托超星學(xué)習(xí)通和Python123實踐教學(xué)平臺、及中國大學(xué)幕課的課程資源開展，線下教學(xué)以機(jī)房授課、實踐為主。課前，教師在超星學(xué)習(xí)通發(fā)布講授內(nèi)容相關(guān)的課程資源，包括教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、教學(xué)課件等教學(xué)資料，學(xué)生通過線上自主學(xué)習(xí)完成預(yù)習(xí)。其中，教材資料可以包括一些學(xué)習(xí)輔助材料，提供一些相關(guān)練習(xí)、實驗、項目相關(guān)的源碼材料，此外還有一些用于學(xué)生考核的測試題庫，項目要求及評價標(biāo)準(zhǔn)等材料，方便學(xué)生自我檢測及考核等。課中理論課以機(jī)房授課為主，同時課堂實踐任務(wù)在機(jī)房指導(dǎo)完成。課后學(xué)生在學(xué)習(xí)通完成在線測試作業(yè)、實驗以小組分組的形式完成Python程序設(shè)計課程的實訓(xùn)。此外，師生通過學(xué)習(xí)通或 QQ 群等媒介進(jìn)行交流討論，可以及時的很好的監(jiān)測每位學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)情況。

2.第二課堂

線上線下混合式教學(xué)模式的教學(xué)過程除了課內(nèi)教學(xué)環(huán)節(jié)，還設(shè)置課外第二課堂活動。課內(nèi)教學(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置的實驗內(nèi)容包括驗證性、設(shè)計性和綜合性實驗項目等，促進(jìn)學(xué)生知行并進(jìn)。課外第二課堂活動主要針對學(xué)有余力、有繼續(xù)深入學(xué)習(xí)興趣或需求的學(xué)生，依托廣東白云學(xué)院大學(xué)生程序設(shè)計創(chuàng)新實踐基地，通過有良好積淀的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程、產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽等平臺為其提供第二課堂，實驗內(nèi)容以綜合性、創(chuàng)新性、多學(xué)科交叉性項目為主，鼓勵學(xué)生積極參與到活動中[7]。

線上線下混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)的“以教師講授為主”模式向“以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主”模式轉(zhuǎn)變，在預(yù)、學(xué)、導(dǎo)、議、思、練、結(jié)等環(huán)節(jié)中既能有效發(fā)揮教師的引導(dǎo)、啟發(fā)和主導(dǎo)作用，同時也可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量、改善思維習(xí)慣，保證教學(xué)目標(biāo)能夠按時按質(zhì)按量的完成[8-9]。

3.教學(xué)考核

由于不同階段具有不同的考核目標(biāo)，其考核評估方式也不一樣。在平時階段，采用在線考試方式，加上平時成績?nèi)缯n堂表現(xiàn)、課堂實踐任務(wù)、作業(yè)等作為考核標(biāo)準(zhǔn)。如果允許學(xué)生自我學(xué)習(xí)，也可以淡化平時成績要求;在實驗及測試階段，主要針對需要掌握的內(nèi)容做設(shè)計性實驗和課程設(shè)計，檢驗學(xué)生的應(yīng)用能力，讓學(xué)生提交實驗報告和課程設(shè)計報告及源代碼，及小結(jié)測試作為考核目標(biāo);在期末考核階段，則需要學(xué)生獨立完成在線考試并通過考核。如圖表2所示。

3 教學(xué)改革成效

通過廣東白云學(xué)院“Python程序設(shè)計基礎(chǔ)”這門專業(yè)課在混合教學(xué)過程中的應(yīng)用，取得了良好的實施效果。根據(jù)超星學(xué)習(xí)通平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)，學(xué)生簽到率達(dá)到 97%，每個學(xué)生平均在線學(xué)習(xí)時長提升了30%。基于在線實訓(xùn)平臺，學(xué)生可以進(jìn)行大量的編程實踐，從而使學(xué)生具備新工科環(huán)境下新興領(lǐng)域所需的知識結(jié)構(gòu)、能力和素質(zhì)。通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對課程整體滿意度達(dá)到95%?；旌辖虒W(xué)設(shè)計方案可以為軟件編程相關(guān)課程順利實施完整的教學(xué)提供參考，也為非計算機(jī)專業(yè)的實踐類課程在線教學(xué)模式改革提供一定的借鑒。

4 結(jié)論

計算技術(shù)的飛速發(fā)展給人們的生活帶來了極大的便利，與此同時也帶來了一定的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)未來社會的發(fā)展需要，近些年來國家開始強(qiáng)調(diào)人工智能的發(fā)展。作為該領(lǐng)域的一門重

要基礎(chǔ)課程，Python程序設(shè)計得到了廣泛的關(guān)注。但由于這門課程目前還沒有得到充分的發(fā)展，因此本文提出通過結(jié)合線下教學(xué)、線上自主學(xué)習(xí)、實踐教學(xué)、教學(xué)考核以實現(xiàn)對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)，為國家、為社會培養(yǎng)新工科環(huán)境下的高質(zhì)量人才，助力我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級和社會高質(zhì)量的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：孫雪巖，講師，碩士，主要從事教育教學(xué)改革、網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知、態(tài)勢評估的研究。