新工科背景下成果導向的Python編程教學改革

何志權(quán) 藍旭佳 曹文明

摘要：目前，Python語言在科學計算、人工智能、大數(shù)據(jù)處理挖掘方面應用廣泛，越來越多的高校開設了Python語言課程。針對高校學生存在的實踐能力缺失、教學效果不佳和科研基礎薄弱等問題，根據(jù)新工科建設教育規(guī)范，結(jié)合Python編程特點和電子信息工程培養(yǎng)方案的要求，采用工程項目驅(qū)動的方法，提出了項目交互式混合教學的方法，使得學生在應用技術(shù)和專業(yè)技能方面得到充分鍛煉，從而提高動手能力、問題分析能力和項目應用實施能力，進一步深化Python編程教學改革和提升課程教學質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞： Python編程; 成果導向;實踐能力; 新工科建設; 教學改革; 項目交互式

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0191-03

1 引言

新工科建設是深化工程教育改革的重大行動以主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。新工科建設提出工程教育要實現(xiàn)從學科導向轉(zhuǎn)為產(chǎn)業(yè)需求導向、從專業(yè)細分轉(zhuǎn)向跨界交叉融合、從適應技術(shù)服務轉(zhuǎn)向科技支撐引領。因此，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要以教學產(chǎn)出為指引，加快工程教育改革創(chuàng)新。

Python等動態(tài)語言的優(yōu)勢在于靈活、表達能力強。近年來，企業(yè)把Python編程更多應用在人工智能、大數(shù)據(jù)分析與挖掘和機器學習等新工科建設方面，使得Python成為新工科建設最適合的編程語言。截至2021年8月，Python程序設計語言成為當下最受歡迎的編程語言之一，且受歡迎程度逐年增加，具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

目前，高校重視Python編程不僅作為學生專業(yè)領域數(shù)據(jù)分析的工具，而且為 “機器學習”“人工智能”等課程奠定理論基礎。電子信息工程專業(yè)要求學生具備工業(yè)電子設備，計算機應用系統(tǒng)，信息系統(tǒng)方面的設計、研究、開發(fā)及應用的初步能力。因此，新工科建設背景下Python編程能力的教學改革既有培養(yǎng)計算機思維的教育意義，也有工程項目應用的現(xiàn)實能力[2]。本文反思Python教學的效果及教學過程中存在的問題，提出成果導向的基于項目驅(qū)動的混合教學方法，其目的是提升學生的項目實施能力，問題分析能力，以應對在后續(xù)的科研和工作中面臨的實際需求。

2 課程特點和問題分析

2.1 Python編程特點

2.1.1 Python編程語言特點

Python是一種高層次的結(jié)合了解釋性、編譯性、互動性和面向?qū)ο蟮哪_本語言，具有以下特點：（1）易于學習和閱讀：Python結(jié)構(gòu)簡單，語法明確，代碼定義更清晰，更容易閱讀;（2）代碼易于維護：由于設計和使用簡單，使得Python代碼易于維護。Python有一個廣泛的標準庫，具有豐富的編程資源，工程效率大幅提高;（3）易于移植和擴展：Python代碼可移植、可擴展、可嵌入，同C語言無縫連接。同時，Python是一種既支持面向過程的編程也支持面向?qū)ο蟮木幊蹋砸环N非常強大又簡單的方式實現(xiàn)面向?qū)ο缶幊??；谏鲜龅膬?yōu)勢，Python在許多領域應用廣泛，例如網(wǎng)站開發(fā)、系統(tǒng)運維、數(shù)據(jù)挖掘，人工智能等領域，能夠便捷高效地實現(xiàn)大規(guī)模的軟件開發(fā)[3]。

2.1.2 Python編程教學特點

目前Python編程已經(jīng)成為計算機專業(yè)學生的入門編程語言，在電子工程專業(yè)也成為重要的專業(yè)課程。大部分教學方法分為理論講解和實驗設計兩部分。理論講解是利用課堂時間講解課程內(nèi)容，方便學生系統(tǒng)地學習Python的語法及其使用;而實驗課及課程設計則用于鞏固強化學生的基礎知識，提升動手能力。根據(jù)學生對Python編程的實際掌握情況，課程應該考慮如下幾方面：

實踐性：通過具體的項目，應使學生將所學的Python程序設計方法來解決項目中實際的問題，在課程設計過程中對實踐思維的培養(yǎng)應該占據(jù)主導地位。

工程性：Python編程應用范圍比較廣泛，和各個領域聯(lián)系都較為緊密。所設計的項目應盡可能多地涉及不同的應用方向。學生在學習之后，應用到實際工程項目中就會做到真正的學有所用。

創(chuàng)新性：Python教學的創(chuàng)新將體現(xiàn)在教學方式的轉(zhuǎn)變：基于情景教學法，貼近學生日后可能的工作場景，以便于傳授知識并將知識同實際項目結(jié)合，使學生主動參與到項目實施進程當中，并將項目經(jīng)驗實踐于學習和工作當中。

2.2 Python教學問題描述

在目前很多Python編程教學中采用方法重點在教學模式的創(chuàng)新上，即以學生探究式為主傳統(tǒng)講授式為輔，然而，教學過程本身的組織、規(guī)劃、設計和實施一樣重要。過去以項目實踐驅(qū)動的方式講授知識體系結(jié)構(gòu)的教學方法，在實際實施過程中，因為沒有明確的項目目標和價值，或者項目同實際應用脫節(jié)，導致學生對項目實踐性、工程性和創(chuàng)新性理解不夠，實際教學效果差強人意。出現(xiàn)這種教學情況的主要原因是以下幾點：

1）未結(jié)合本學科特點

以電子信息工程專業(yè)為例，在培養(yǎng)方案中，Python語言程序設計作為一門重要的專業(yè)課，目的使學生產(chǎn)生計算思維，培養(yǎng)編程興趣，提高動手能力和問題分析能力。目前，電子信息工程專業(yè)教學過程中存在的問題主要在學生自學能力和興趣的激發(fā)兩方面。部分學生上課期間不聽，寧愿課后自己自學，并且課堂學習內(nèi)容對于他們過于簡單枯燥;另一部分學生興趣不足，遇到困難容易滋生反感、抵觸情緒。對于Python編程課程而言，學生學習Python的主要用途是網(wǎng)站設計、數(shù)據(jù)科學和機器學習等方面的開發(fā)和設計。目前在這方面一定程度上Python編程教學活動已經(jīng)實現(xiàn)了一定程度上的項目覆蓋，目前要結(jié)合新工科背景下電子信息工程，尤其是人工智能方面的培養(yǎng)要求，工程化、實踐化和創(chuàng)新化Python教學活動[4]。

2）不滿足新工科建設要求

目前新時期新階段，新工科建設如何進一步深化和拓展，有哪些關(guān)鍵問題需要再突破？此前教育部高等教育司司長吳巖給出的觀點是：高等工程教育體系再造要與科技、產(chǎn)業(yè)、社會等體系再造對接，主動應變、積極求變，實現(xiàn)學科專業(yè)交叉融合，與新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設交織交融，掀起新時代高等教育質(zhì)量革命。Python編程已經(jīng)成為工科類高等教育階段的重要課程，但沒有實現(xiàn)相關(guān)學科專業(yè)交叉融合，并且未對產(chǎn)業(yè)和社會體系進行對接。

3）未有效地對項目和教學實施進行整合

項目化教學的關(guān)鍵在于Python課程項目化。依據(jù)項目工程中涉及的知識和技能，內(nèi)化在學校教學方法中，并且對知識點和技能點適時遷移和擴充，形成具有體系的項目化教學內(nèi)容。電子信息工程專業(yè)Python編程要將傳統(tǒng)課程知識進行項目化，并進行項目的課程化改進，雙向改進使得項目和教學整合， 要遵循項課程項目化，項目課程化和“做教學”一體化等原則。

目前在Python編程講授過程中，學生表現(xiàn)出專業(yè)基礎薄弱，片面，知識脈絡模糊。教學過程中知識點之間聯(lián)系不夠緊密，學生在學習過程中思維不連貫，不利于學生形成系統(tǒng)的思維結(jié)構(gòu)。這不利于學生使用Python很好地完成項目，從而影響教學的效果。在當前的教學的過程中，或注重理論知識教學，或注重項目本身，忽視了項目和教學之間的內(nèi)在聯(lián)系。以往的以項目驅(qū)動的教學模式進行教學，沒有深入地挖掘到Python的工程性、項目性和創(chuàng)新性，學生掌握的知識點相對獨立、松散，在教學過程中知識點間銜接不夠緊密，從而導致課堂教學質(zhì)量不高。

3 課程設計與改革方案

3.1 調(diào)整現(xiàn)有教學計劃和課程體系

結(jié)合當今社會需求和新工科建設發(fā)展的需要，在現(xiàn)有電子信息工程專業(yè)教學計劃中增加Python課程的同時，需要注意Python課程與原有其他課程之間的聯(lián)系，確保教學計劃的系統(tǒng)性。新工科背景下電子信息工程在大學第一學期開始了C語言課程，培養(yǎng)學生的計算機思維，編程思維和硬件思維，以便于學生接下來的專業(yè)分流。再接著引入Python 課程和面向?qū)ο蟮腏ava語言。在學習了Python和C語言的基礎之后，培養(yǎng)方案中增加了人工智能和大數(shù)據(jù)方向的專業(yè)選修課，可以讓學生盡早接觸科研和企業(yè)項目。根據(jù)產(chǎn)業(yè)導向和個人興趣選擇基于Python的高級應用、數(shù)據(jù)抓取、游戲開發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等課程的學習。形成相對完整的基于Python的應用開發(fā)課程體系，培養(yǎng)學生的實踐能力增強軟件工程開發(fā)和管理經(jīng)驗，滿足新工科建設中對大數(shù)據(jù)和人工智能領域的人才需求。

3.2 統(tǒng)籌Python程序設計的教學內(nèi)容

首先針對Python編程的基礎知識進行訓練，其中包括：數(shù)據(jù)類型，控制結(jié)構(gòu)于函數(shù)和模塊與包。在這個過程中結(jié)合具體的項目對基礎知識進行訓練，使得學生能掌握Python面向過程編程的方法。接著引入項目中存在的問題和傳授如何解決問題，其中包括文件系統(tǒng)管理，調(diào)試與測試，進程與線程、Numpy科學計算、可視化編程和機器學習等問題。通過引入工程實例介紹常見問題的分析和側(cè)重點關(guān)注。

下一步根據(jù)學生感興趣的方向進行分流引導，在后期的課程中引入Web開發(fā)、網(wǎng)站爬蟲、數(shù)據(jù)挖掘、機器學習和人工智能等方向。 由于學生的學習能力和知識掌握情況有差異，需要根據(jù)學生的興趣和學習情況進行分組，逐步完善和優(yōu)化創(chuàng)新課程教學新模式。對未來的課程，將根據(jù)學生選擇的感興趣方向進行興趣引領和實戰(zhàn)開發(fā)，把該方向上所需知識和知識框架進行介紹，使學生明確方向和擴展其知識面，為學生自學和系統(tǒng)培養(yǎng)做好引導作用。

3.3 采用“交互式學習”的教學方法

突破傳統(tǒng)教學方法，采用交互式項目驅(qū)動，增加學生的實踐能力。高校應運用自動化教學技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)新性的教學方法。通過技術(shù)支持，實現(xiàn)學生在網(wǎng)頁上交互式編程，不需要進行環(huán)境部署，降低上手門檻。這種方式有利于提高學生對基礎知識的掌握的效率，實時解決其編程中遇到的問題，提升學生的體感和效果。

以情景交互法為基礎，在教學過程中創(chuàng)建貼近學生在實際工程項目的場景，以便于教學和將知識和現(xiàn)實中的技術(shù)結(jié)合在一起[5]。以“項目需求+項目設計+代碼實現(xiàn)+調(diào)試開發(fā)”的形式，幫助學生掌握項目實施的整個流程，并有能力運用Python實現(xiàn)流程。以筆者在Python 的教學過程為例。在課程初期，通過前期的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大部分學生對工業(yè)機器視覺[6]表現(xiàn)出濃厚的興趣。由于涉及的知識面比較多，包括圖像處理，機器學習，數(shù)值計算和可視化，因此在整個課程過程中，貫穿了Python知識在這幾個方面的應用。理論課上，把基礎知識講解和同這些方面的項目演示相結(jié)合。在實驗課內(nèi)容上，以綜合題，附加題的形式，使用科研或者工業(yè)界的真實數(shù)據(jù)，設置具有一定難度的題目，范圍覆蓋工業(yè)界常見的機器視覺的真實需求。由于真實的項目比較復雜，需要分解和簡化需求，把學生分成小組，多個小組分工合作完成整個項目。 綜合題和附加題都會在課后講解或者以視頻的形式供同學們后續(xù)自學參考。學期末，絕大部分同學反映學到了實實在在的能力，主要原因就是親身經(jīng)歷了工業(yè)界應用場景，認為課程所學能幫助自己勝任將來的工作。

4 結(jié)論

當下，我國正處在科學，技術(shù)和經(jīng)濟飛速發(fā)展的時期、新知識新應用不斷涌現(xiàn)，人工智能是大勢所趨。新工科建設背景下的高教改革，計算機和人工智能應給予更多的關(guān)注。Python編程不斷在發(fā)展中，其工程性、項目性和創(chuàng)新性都會成為接下來的發(fā)展方向。因此靈活運用Python開發(fā)工具與創(chuàng)新方法求解問題，對于工科類學生培養(yǎng)具有重要作用。隨著教育改革的不斷推進、新工科建設會進一步深化，以實踐能力為主的工科專業(yè)要把握不同學科間的相互滲透、交叉和綜合的趨勢，為新工科背景下復合應用型人才的培養(yǎng)進行探索與實踐提供了借鑒。

參考文獻：

[1] 胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設，推進工程教育改革創(chuàng)新——“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會”綜述[J].復旦教育論壇，2017，15（2）：20-27，2.

[2] 張莉，金瑩，張潔.多樣化可擴展的Python教學體系探索與實踐[J].計算機教育，2017（8）：18-22.

[3] 李祖欣.電子信息工程專業(yè)實踐教學體系的構(gòu)建與實施[J].電氣電子教學學報，2004，26（3）：76-78.

[4] 胥東升.交互式情景教學法在高職教學中的運用[J].遼寧高職學報，2004，6（4）：95-96.

[5] 許萬里，苑惠娟，鄭偉.工業(yè)視覺檢查系統(tǒng)中的圖像處理及模式識別[J].哈爾濱理工大學學報，2001，6（4）：22-27.

【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2021-03-20

基金項目：該文的工作和相關(guān)的教學實踐得到了基金項目“面向深度學習的卓越AI人才培養(yǎng)體系探索與實踐”（編號E-RGZN20201035）的支持

作者簡介：何志權(quán)（1978—），男，湖南邵陽人，講師，博士，主要研究方向：機器學習和多媒體信息處理;藍旭佳（1997—），男，廣東潮州人，在讀碩士研究生，主要研究方向：深度學習圖像處理;曹文明（1965—），男，江蘇洪波人，教授，博士，主要研究方向：多媒體信息處理、模式識別和人工智能算法研究。