物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)Python編程課程教學(xué)改革研究

薛端　計(jì)雪偉

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Python；新工科；教學(xué)模式；應(yīng)用型

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）10-0163-03

1 引言

人工智能的快速發(fā)展，為課程教學(xué)融入新型教育理念提供了方向性，為高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新發(fā)展提供了戰(zhàn)略支撐。而國內(nèi)高校對(duì)人工智能研究主要集中在科研領(lǐng)域，對(duì)人工智能的研發(fā)與教學(xué)布局還相對(duì)較弱，對(duì)Python與人工智能的教學(xué)研究還相對(duì)較少。此外，在當(dāng)下“新工科”建設(shè)服務(wù)國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求的促使下，地方高校應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展需求和專業(yè)培養(yǎng)要求下，需要不斷探索人工智能方向的Python編程教育教學(xué)的有效性，由此，課程改革迫在眉睫[1]。近年來，學(xué)者們結(jié)合當(dāng)下新工科建設(shè)、教學(xué)理念、思政教育和教學(xué)實(shí)踐等方面開展了研究[2]。

在教學(xué)模式探索方面：秦春波等人[3]提出要建立以智慧樹平臺(tái)為載體開展新型的混合式教學(xué)模式——“線上線下”。張昱[4]等人結(jié)合Python課程特點(diǎn)，從培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力的實(shí)際出發(fā)，構(gòu)建以“Python 語言基礎(chǔ)”——“Python應(yīng)用案例”——“Python綜合練習(xí)”遞進(jìn)式的教學(xué)模式。周金鳳[5]等人就西南少數(shù)民族區(qū)域當(dāng)下程序設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)模式存在傳統(tǒng)問題，提出了“SPOC+Python123平臺(tái)+QQ課程群”混合式教學(xué)模式。在新工科建設(shè)方面：諶裕勇[6]等人提出，在新工科建設(shè)背景下借助校企合作平臺(tái)改革Python課程教學(xué)，培養(yǎng)的實(shí)踐技能。王春[7]等人旨在通過新工科建設(shè)下Python課程教學(xué)改革來培養(yǎng)學(xué)生具備較強(qiáng)的知識(shí)獲取能力、知識(shí)工程能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的寬口徑復(fù)合型高質(zhì)量人才。在思政教育融入方面：陳紅陽[8]等人從課程教學(xué)目標(biāo)、課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式、課程考核評(píng)價(jià)方式、教師能力和素養(yǎng)等角度探索課程思政教學(xué)。李曉英[9]等人基于學(xué)生培養(yǎng)要求的知識(shí)、能力、素養(yǎng)方面，從課程內(nèi)容、教學(xué)模式、案例設(shè)計(jì)等重構(gòu)了Python課程思政教學(xué)方案。向陽霞[10]等人提出， 要針對(duì)當(dāng)下工科專業(yè)Python教學(xué)現(xiàn)狀和二級(jí)考試通過率等問題深度挖掘課程思政元素。

2 課程定位

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要面向物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)基本理論、方法和技能，以通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域面向應(yīng)用層相關(guān)理論和工程應(yīng)用為主導(dǎo)，以從事信息感知、物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)融合及傳輸、智能控制、數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用為重點(diǎn)，突出物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)開發(fā)能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，能夠運(yùn)用自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)解決物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)際問題。Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝途幊陶Z言，其語法簡潔、清晰。Python語言編程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)科專業(yè)教育平臺(tái)課程，其先修課程為C高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)，同時(shí)緊貼人工智能的時(shí)代背景，契合人工智能背景下的課程改革，對(duì)有效提高課堂效果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

Python編程技術(shù)是六盤水師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)科專業(yè)教育平臺(tái)課程，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)要求和課程性質(zhì)，其課程目標(biāo)主要有：

第一，知識(shí)要求。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠基本掌握Python語言基本知識(shí)點(diǎn)以及具體的使用方法。具備Python語言數(shù)據(jù)分析、開發(fā)、實(shí)踐和管理能力，具有在實(shí)際生活中解決遇到的實(shí)際問題的能力。

第二，能力要求。讓學(xué)生能夠熟練應(yīng)用Python開發(fā)工具包，能熟悉開發(fā)環(huán)境的安裝和配置，能夠從事Python應(yīng)用的設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試、維護(hù)等工作，熟悉Py?thon應(yīng)用的發(fā)布流程等。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及軟件項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐能力；使用Python開發(fā)工具，完成Python應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)及測(cè)試、編寫出軟件設(shè)計(jì)過程中需要的文檔資料。

第三，素質(zhì)要求。通過專業(yè)知識(shí)技能學(xué)習(xí)與素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合，使學(xué)生了解Python專業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，具有良好的職業(yè)道德、職業(yè)修養(yǎng)、倫理意識(shí)和社會(huì)的責(zé)任，并具備溝通交流能力與團(tuán)隊(duì)合作精神，提高協(xié)作意識(shí)。

3 課程教學(xué)中存在的問題

在“新工科”建設(shè)和人工智能大背景下，結(jié)合六盤水師范學(xué)院轉(zhuǎn)型發(fā)展需求和社會(huì)需求調(diào)查，發(fā)現(xiàn)Py?thon編程課程的目標(biāo)定位、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面還存在以下問題。

第一，課程目標(biāo)定位簡單化。當(dāng)前課程目標(biāo)定位雖結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)發(fā)展方向，但其關(guān)于“知識(shí)要求”“能力要求”“素質(zhì)要求”方面的目標(biāo)表述多有重復(fù)，更多的是強(qiáng)調(diào)Python技術(shù)的開發(fā)，未對(duì)應(yīng)“新工科”建設(shè)要求和人工智能發(fā)展的服務(wù)國家戰(zhàn)略的行業(yè)需求內(nèi)涵，使其脫離了社會(huì)發(fā)展需求。

第二，教學(xué)內(nèi)容未能與社會(huì)實(shí)際需求有效銜接。課程目標(biāo)定位的缺失必然影響課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，當(dāng)下課程教學(xué)內(nèi)容更多停留在普通教科書中的刻板理論知識(shí)結(jié)構(gòu)和基于理論開展傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容僅停留在基本案例，如學(xué)生管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、類和對(duì)象的實(shí)驗(yàn)——貓狗大戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)大戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)等，限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生的思維，脫離了社會(huì)實(shí)際需求，進(jìn)而會(huì)影響學(xué)生專業(yè)應(yīng)用技能的提升，使學(xué)生很難獨(dú)立完成復(fù)雜程序或者實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目的開發(fā)。

第三，教學(xué)模式單一化。課程教學(xué)目前還采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，運(yùn)用單一的知識(shí)型教學(xué)模式，忽視了其他教學(xué)模式的綜合運(yùn)用，由此對(duì)應(yīng)的考核內(nèi)容和考核方式也較為單一，使得學(xué)生不能很好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合。課程考核點(diǎn)雖包括過程性考核和課終考核，但過程性考核僅包括課堂考勤和作業(yè)，不能很好地檢驗(yàn)學(xué)生理論知識(shí)掌握情況和實(shí)踐運(yùn)用情況。

4 課程改革創(chuàng)新路徑

根據(jù)“新工科”建設(shè)和人工智能大環(huán)境，學(xué)校應(yīng)用型發(fā)展要求，需要采取基于成果導(dǎo)向的模式，從而相應(yīng)調(diào)整課程教師團(tuán)隊(duì)分別從培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核機(jī)制方面進(jìn)行相應(yīng)的改革。

1）以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為立足點(diǎn)，豐富課程目標(biāo)

課程目標(biāo)設(shè)置作為一門課程教學(xué)的落腳點(diǎn)，同時(shí)作為引導(dǎo)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的線索，其地位是不言而喻的。課程目標(biāo)不僅要結(jié)合課程的學(xué)科屬性和內(nèi)容，同時(shí)要依據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)和學(xué)校發(fā)展定位來設(shè)定。此外，在社會(huì)大環(huán)境下，也需要兼顧“新工科”建設(shè)要求、人工智能發(fā)展要求和社會(huì)、行業(yè)實(shí)際需求等，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的定位，應(yīng)充分考慮專業(yè)培養(yǎng)、社會(huì)發(fā)展等多元化的需求，包括專業(yè)能力、學(xué)習(xí)能力、協(xié)作能力和職業(yè)素養(yǎng)等，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為立足點(diǎn)。

2）以社會(huì)實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

考慮到學(xué)生有前期的C語言課程和程序設(shè)計(jì)編程思維和經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容首先要根據(jù)他們的專業(yè)認(rèn)知來發(fā)展。同時(shí)，結(jié)合課程目標(biāo)，以社會(huì)實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。其中，課程中的案例教學(xué)就顯得尤為重要，提高案例教學(xué)對(duì)學(xué)生畢業(yè)要求所需能力的支撐，并將改進(jìn)后的案例教學(xué)應(yīng)用于“Python 編程”課程教學(xué)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)Python程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)熱情。

教學(xué)實(shí)踐的內(nèi)容不僅包括每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)單一知識(shí)的基本案例，還包括具有綜合性和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的綜合應(yīng)用案例。隨著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、算法和應(yīng)用以及數(shù)據(jù)可視化等工程實(shí)踐的執(zhí)行過程中，逐步實(shí)現(xiàn)、發(fā)展和改進(jìn)，根據(jù)各模塊基本案例的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合numpy、matplotlib、sklearn第三方庫，最終完成一個(gè)要求較高的綜合項(xiàng)目案例。

此外，基于案例的教學(xué)實(shí)踐應(yīng)跟上學(xué)生感興趣的主題和社會(huì)熱點(diǎn)，即內(nèi)容反映時(shí)代。比如，網(wǎng)絡(luò)爬行案例分析可以從豆瓣評(píng)論家的《紅海行動(dòng)》和《你好，先生》中進(jìn)行；從《億萬富翁》到《我和我的祖國》，吸引網(wǎng)民評(píng)論和文本挖掘，關(guān)注熱點(diǎn)，吸引學(xué)生的注意力，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)輿論，傳播正能量。

同時(shí)，教師在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)任務(wù)和需要解決的重難點(diǎn)問題，使知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用得到實(shí)際的操練。但在實(shí)踐教學(xué)中，同樣的實(shí)驗(yàn)可能對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生缺乏挑戰(zhàn)性，實(shí)踐教學(xué)應(yīng)因人而異開展。

3）教學(xué)模式多元化，考核模式綜合化

Python編程技術(shù)課程的教學(xué)主要包括：Python語言相關(guān)理論和人工智能編程等，結(jié)合課程以應(yīng)用能力提升為主的教學(xué)目標(biāo)，在知識(shí)型理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合啟發(fā)式、討論式、參與式等融入案例教學(xué)中。

理論教學(xué)主要是對(duì)知識(shí)體系、晦澀難懂的理論進(jìn)行講授，或啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考來理解、消化知識(shí)點(diǎn)。編程實(shí)操、實(shí)驗(yàn)部分，則是在學(xué)生需要幫助時(shí)給予啟發(fā)，提高學(xué)生自主探索的能力。線上演示講解與線下練習(xí)實(shí)驗(yàn)混合教學(xué)法，教師將學(xué)習(xí)任務(wù)按知識(shí)點(diǎn)切片，通過SPOC上的課程視頻演示與講授語法，通過線下課堂熟悉編程環(huán)境與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)語法，線上線下循環(huán)交替，直至完成各知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的編程意識(shí)。

案例教學(xué)是編程語言教學(xué)中常用的一種方法。案例庫的設(shè)計(jì)應(yīng)以學(xué)生為中心，豐富資源庫，按照循序漸進(jìn)、路徑清晰的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是通過增加工程實(shí)踐案例的高設(shè)計(jì)性和全面性，將所獲得的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，與時(shí)俱進(jìn)，內(nèi)容豐富，可擴(kuò)展性高。學(xué)生可以通過案例教育來理解算法的思維，解決實(shí)際問題。對(duì)于有編程基礎(chǔ)的學(xué)生，他們采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式學(xué)習(xí)Python語言，課后學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，在課堂上分析基本案例、綜合案例，自身感興趣的前沿案例等，探索知識(shí)點(diǎn)，分解功能，逐步實(shí)現(xiàn)和測(cè)試代碼，并為各種競(jìng)賽、創(chuàng)新項(xiàng)目和畢業(yè)做好準(zhǔn)備，從而有助于提升學(xué)生的積極性和編程能力。

通過實(shí)施多元化的教學(xué)模式，結(jié)合課程教學(xué)實(shí)際和實(shí)踐要求，相應(yīng)地開展考核模式改革，不僅考核學(xué)生對(duì)Python理論知識(shí)掌握情況，也要檢驗(yàn)學(xué)生的編程能力，對(duì)實(shí)際問題的分析、解決能力等。要使考核內(nèi)容綜合化，考核方式全程化和多樣化，綜合考核學(xué)生的所學(xué)，有助于提升學(xué)生的專業(yè)能力、計(jì)算思維能力和創(chuàng)新意識(shí)，有效形成良性循環(huán)，真正落實(shí)應(yīng)用型高校發(fā)展要求和“新工科”建設(shè)要求。

5 結(jié)論

應(yīng)用導(dǎo)向型人才培訓(xùn)的目標(biāo)是應(yīng)用。新工程教育的培訓(xùn)理念是以學(xué)生為中心，以輸出為導(dǎo)向，不斷改進(jìn)。只有以學(xué)生的發(fā)展為前提，并將所獲得的知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，學(xué)生才能取得進(jìn)步，與時(shí)俱進(jìn)，尋求創(chuàng)新?？紤]到學(xué)生有前期的C語言課程和程序設(shè)計(jì)編程思維和經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容根據(jù)他們的專業(yè)認(rèn)知來發(fā)展，學(xué)生可以獨(dú)立進(jìn)行或通過小組合作進(jìn)行科學(xué)分析，積極學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，探索問題的解決方案，重點(diǎn)側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法部分的檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。教學(xué)案例庫涵蓋Python編程的完整計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)，主要包括K12 編程、計(jì)算機(jī)排名測(cè)試NCRT（Python 語言）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法、其他在線課程、編程競(jìng)賽、網(wǎng)站開發(fā)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、企業(yè)應(yīng)用和競(jìng)爭，也應(yīng)該在教學(xué)過程中進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和更新，增加師生創(chuàng)新案例，不僅體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的深刻內(nèi)涵建設(shè)，也突出了計(jì)算機(jī)技術(shù)在其他學(xué)科的拓展建設(shè)。

根據(jù)上述教學(xué)模式，綜合考核學(xué)生的所學(xué)，有助于提升學(xué)生的專業(yè)能力、計(jì)算思維能力和創(chuàng)新意識(shí)，有效形成良性循環(huán)。新的案例結(jié)合了互聯(lián)網(wǎng)熱點(diǎn)和推進(jìn)時(shí)代可以豐富學(xué)生的認(rèn)知能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，將知識(shí)應(yīng)用于日常生活中，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)認(rèn)同感和社會(huì)服務(wù)意識(shí)，也真正落實(shí)應(yīng)用型高校發(fā)展要求和“新工科”建設(shè)要求。