Python程序設(shè)計課程教學(xué)模式改革探索

［摘 要］現(xiàn)階段各高校開展的Python課程通常采用“課堂理論授課+上機實驗課”的形式。這種教學(xué)方式在人工智能技術(shù)快速發(fā)展的今天已不能完全適應(yīng)人才的培養(yǎng)要求。本文從教學(xué)和實踐各個環(huán)境下討論傳統(tǒng)Python教學(xué)模式存在的不足并嘗試使用興趣激發(fā)的項目教學(xué)方式、Pico口袋實驗平臺，以及項目答辯的考核方式進行改革。同時在完成教學(xué)目標的前提下，積極探索教學(xué)與生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合的具體實踐方法，為提高Python教學(xué)的質(zhì)量提供一套完備的應(yīng)用方案。

［關(guān)鍵詞］Python；Pico平臺；MicroPython；程序設(shè)計

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2024.23.057

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）23-0182-04

0 " " 引 言

現(xiàn)階段，多數(shù)大專院校計算機基礎(chǔ)教學(xué)包含一門程序設(shè)計課程。Python以其簡潔強大的特性逐漸取代C語言成為新教學(xué)主線。教好Python，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)Python接近以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)手段的科技前沿是對教師提出的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式方法雖然仍可應(yīng)用于Python程序設(shè)計課程的教學(xué)，但已不再適應(yīng)時代的發(fā)展。本文從教學(xué)各個環(huán)節(jié)討論傳統(tǒng)模式存在諸多不足，并嘗試進行有針對性的改革與探索。

1 " " 現(xiàn)階段教學(xué)模式存在的不足

傳統(tǒng)教學(xué)主要實現(xiàn)方式是：教師以教材為主線進行分章節(jié)課堂集中授課，在機房進行計算機實驗輔助教學(xué)。課后，學(xué)生完成固有模式的習(xí)題作業(yè)。期末考核以學(xué)生答題、教師評分為實現(xiàn)手段。這種教學(xué)方式在計算機教育發(fā)展初期階段是適合我國國情的。當今，以Python程序框架為主要實現(xiàn)方式的人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)教育方式明顯存在很多不足。

1.1 " 教學(xué)方式存在的不足

以往的課堂分章教學(xué)方式側(cè)重于理論知識的灌輸，忽視了對學(xué)生創(chuàng)新和解決問題能力的培養(yǎng)。在課堂上，教師通常是知識的傳授者，學(xué)生是被動的接受者。這種單向的知識傳遞方式限制了學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，使得學(xué)生在面對實際問題時，缺乏獨立思考和解決問題的能力。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，新的編程方法、工具和框架層出不窮，而傳統(tǒng)書本內(nèi)容的更新往往滯后于技術(shù)的發(fā)展。這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法接觸新的技術(shù)，使教學(xué)開始就被歷史所淘汰。

Python語言的教材雖然數(shù)量眾多，但能夠完全符合教學(xué)模式的卻不多見。Python語言的靈活性和動態(tài)特性使得同一問題可能有多種解決方案，這也增加了教學(xué)的難度，使得教材難以覆蓋所有可能的情形。

此外，新的擴展庫和編程框架層出不窮，教材需要不斷更新才能跟上技術(shù)的發(fā)展。而傳統(tǒng)教學(xué)方式往往側(cè)重于穩(wěn)定的知識的傳授，這可能導(dǎo)致使用Python作為教學(xué)語言時，教材內(nèi)容與實際應(yīng)用之間出現(xiàn)脫節(jié)。

通常，課后作業(yè)聚焦于算法的邏輯與練習(xí)，這些作業(yè)雖然對于培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)編程技能至關(guān)重要，但學(xué)生雖完成了這些作業(yè)，卻難以看到這些編程練習(xí)與現(xiàn)實問題的直接聯(lián)系。

課后作業(yè)也忽視了軟件開發(fā)的全過程，包括需求分析、設(shè)計、編碼、測試和維護等環(huán)節(jié)。學(xué)生即便在編碼方面得到了充分的練習(xí)，但在其他同樣重要的軟件開發(fā)環(huán)節(jié)上卻缺乏經(jīng)驗。這導(dǎo)致學(xué)生在實際工作中難以適應(yīng)團隊協(xié)作和項目管理工作。

1.2 " 實驗方式存在的不足

以往的實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生被安排在電腦機房里，通過預(yù)裝的軟件完成各種編程任務(wù)。計算機軟硬件的更新?lián)Q代速度非?？?，但由于各方面的限制實驗室不會隨時更新，從而無法為學(xué)生提供新的技術(shù)體驗。

機房中的軟件環(huán)境過于單一，無法滿足學(xué)生的需求。學(xué)生往往需要使用各種不同的編程環(huán)境、開發(fā)工具和軟件應(yīng)用。然而，機房的電腦大多只能提供有限的軟件選擇，這直接限制了學(xué)生學(xué)習(xí)多種工具的機會。

機房的開放時間和使用限制也成為學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的障礙。機房通常只在特定的時間段對學(xué)生開放，這可能與學(xué)生的課程表或其他活動發(fā)生沖突。

在機房中，學(xué)生通常按照統(tǒng)一的課程進度和任務(wù)進行學(xué)習(xí)，每個學(xué)生的學(xué)習(xí)節(jié)奏、興趣點和理解能力都不盡相同，而機房的統(tǒng)一化練習(xí)無法為每個學(xué)生提供定制化的指導(dǎo)和支持。

在真實的軟件開發(fā)過程中，學(xué)生需要學(xué)會如何在不同的軟硬件平臺上工作，如何與團隊成員協(xié)作，以及如何管理項目和代碼。機房的孤立練習(xí)環(huán)境無法模擬這些真實的工作場景，無法提高學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實際工作的能力。

1.3 " 結(jié)課評價體系存在的不足

教學(xué)評價是對教學(xué)過程和教學(xué)結(jié)果的測量與反饋[1]。評價通常通過兩種方式進行：筆試，即通過試卷的形式進行考試；上機考試，要求學(xué)生在計算機上完成程序設(shè)計任務(wù)。

筆試，作為一種傳統(tǒng)的評價方式，側(cè)重于考查學(xué)生對理論知識的掌握程度。筆試往往難以全面評估學(xué)生的實際操作能力和創(chuàng)新思維。

上機考試能夠直觀地反映學(xué)生對編程語言和算法的運用能力。但是，上機考試通常側(cè)重于技術(shù)細節(jié)和編程技巧，忽視了對學(xué)生綜合分析和創(chuàng)新能力的考查。上機考試的評分標準過于依賴自動化的測試腳本，這些腳本一般無法準確評估程序的創(chuàng)新性、代碼的可讀性和學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

2 " " 對教學(xué)模式的一些改革

在上述種種教學(xué)方式不能滿足當前新型教學(xué)任務(wù)的背景下，教研團隊在教學(xué)方式方法上，嘗試將以前晦澀難懂的書本引路變換為以實際應(yīng)用案例為引導(dǎo)的興趣教學(xué)。在教學(xué)環(huán)境上，因吉林大學(xué)對實驗項目的大力支持，使得項目能將學(xué)生的實踐練習(xí)環(huán)境從單調(diào)的機房走出來，在實際應(yīng)用的實踐場所進行有意義的嘗試。同時，教研團隊成員也嘗試改進對學(xué)生的評價考核方法，讓學(xué)生不再緊張于期末的背書，而是更有效率地投入對知識內(nèi)容的理解和應(yīng)用上。

2.1 " 教學(xué)方式的改革

傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生被引導(dǎo)通過逐章地學(xué)習(xí)掌握語言的語法和結(jié)構(gòu)。這種方法導(dǎo)致學(xué)生在理解語言的深層次邏輯和應(yīng)用潛力方面存在障礙。為了彌補這一缺陷，教研團隊開始探索基于實際應(yīng)用問題的教學(xué)思路。基于實際應(yīng)用的教學(xué)模式最終目標是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力。通過讓學(xué)生在實際問題中應(yīng)用所學(xué)知識從而在面對新的挑戰(zhàn)時，能夠提出創(chuàng)新的解決方案。

為了實現(xiàn)教學(xué)目標，教研團隊設(shè)計了一系列與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實驗項目。這些項目涵蓋語言的基本功能和實際應(yīng)用中常見的問題?；A(chǔ)實驗項目可以作為課堂學(xué)習(xí)的輔助，幫助學(xué)生鞏固和應(yīng)用所學(xué)知識。進階實驗項目則可以作為課后的延伸，鼓勵學(xué)生進行深入的研究和實踐。

在基于實際應(yīng)用的教學(xué)中，教研團隊通過引導(dǎo)、提問和討論，調(diào)動學(xué)生的思考和探索積極性。同時，鼓勵學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源和社區(qū)資料，自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識，進行實驗和試錯。這種自主學(xué)習(xí)的過程不僅能夠提高學(xué)生的編程技能，還能夠培養(yǎng)他們的獨立思考和問題解決能力。

為了確保新教學(xué)模式的有效性，教研團隊通過吉林大學(xué)“學(xué)習(xí)通”交互軟件與學(xué)生進行溝通、反饋、

評估。這包括對實驗項目的難度、教學(xué)方法的有效性以及學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評估。通過這種持續(xù)的評估和反饋，團隊教師持續(xù)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法，以更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2.2 " 實驗方式的改革

為了解決傳統(tǒng)機房實驗的不足，教研團隊將Pico引入Python實驗課。Raspberry Pi Pico是一款由Raspberry Pi基金會推出的微型開發(fā)系統(tǒng)，為教育領(lǐng)域提供了一個極具吸引力的口袋實驗平臺。

Pico支持Python的衍生品種MicroPython。使得學(xué)生能夠快速上手，將更多的精力投入項目的開發(fā)中。這種易用性降低了學(xué)習(xí)門檻，激發(fā)了學(xué)生對編程的興趣。

平臺小巧便捷的口袋特性為教研團隊解除了教學(xué)時間和地域的限制，讓編程實驗不僅在傳統(tǒng)的實驗室環(huán)境大顯身手，更可以自由地擴展到課外，甚至任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方。

在機房集中授課的階段，如何確保每一臺PC的軟硬件條件都能滿足編程實驗的需求是教師曾面臨的一個棘手問題。這個問題在Pico口袋技術(shù)的幫助下得到了解決。Pico與PC之間的通信程序非常簡單，只需簡單地配置，就能夠確保PC與Python口袋設(shè)備之間的無縫連接，讓學(xué)生能夠順利地進行編程實踐。這種方式，不僅減輕了教師的負擔(dān)，也讓學(xué)生不再擔(dān)心設(shè)備的問題，從而提高學(xué)習(xí)效率。

Python及Pico技術(shù)的強大社區(qū)支持也使學(xué)生無論是在課堂上，還是在課后的任何地點，都能夠通過互聯(lián)網(wǎng)與教師溝通，并將Python口袋平臺與PC設(shè)備的互聯(lián)進行實驗。

這種實驗環(huán)境的變革，不僅提高了教育資源的利用效率，也為學(xué)生提供了更加個性化的學(xué)習(xí)體驗。他們可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏選擇合適的時間和地點進行學(xué)習(xí)，從而更便捷地掌握編程技能。

此外，Python口袋的引入還促進了學(xué)生團隊合作和項目管理能力的發(fā)展。在課程項目的開發(fā)過程中，學(xué)生進行團隊合作，共同討論、分工合作。

我們在2023—2024學(xué)年的Python程序課上將Python口袋組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)PC。這不僅方便了學(xué)生進行實驗練習(xí)，同時學(xué)生也把所學(xué)的知識從課堂帶入了自己切身的生活環(huán)境，通過自發(fā)積極地實驗，取得了更好的效果。

2.3 " 結(jié)課評價體系的改革

教師在教學(xué)過程中必須向?qū)W生強調(diào)理論結(jié)合實踐的重要性，教學(xué)改革除了考慮優(yōu)化實驗、實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容的設(shè)置，還需優(yōu)化實踐的考核方式，使學(xué)生能夠真正達到學(xué)以致用[2]。

2023—2024學(xué)年我們探索新的考核評價方法。其中，項目化管理的教學(xué)考核被我們采納。在這種方式下，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自己選題立項，通過實際操作和建立團隊合作來完成項目。這種方法不僅能夠提高學(xué)生的主動性和參與度，還能夠促進他們綜合運用所學(xué)知識，解決實際問題。

在項目化管理的教學(xué)模式中，學(xué)生進行了項目規(guī)劃、團隊協(xié)作、問題解決和創(chuàng)新思考等一系列活動。這些活動有助于培養(yǎng)學(xué)生的項目管理能力、團隊合作精神和創(chuàng)新能力。同時，學(xué)生在項目實施過程中的探索和實踐，也是對他們知識掌握程度的直接檢驗。

期末考核時，團隊利用項目答辯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的考試。在項目答辯中，學(xué)生需要展示他們的項目成果，解釋項目的設(shè)計思路、實施過程和最終效果。教研團隊則根據(jù)學(xué)生的項目展示、問題回答和團隊表現(xiàn)來評價他們的學(xué)習(xí)成果。這種評價方式更加注重學(xué)生的實際操作能力和創(chuàng)新思維，能夠更全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

項目管理的評價體系改革，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能夠促進教研團隊教學(xué)方法的創(chuàng)新。教師在教學(xué)過程中，需要更多地關(guān)注學(xué)生的個性化發(fā)展和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而不僅僅是傳授知識。這種改革有助于構(gòu)建一個更加開放、靈活和創(chuàng)新的教育環(huán)境，為學(xué)生的全面發(fā)展提供支持。

3 " " 對教學(xué)應(yīng)用的一些探索

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號），

重點針對2030年我國人工智能發(fā)展的總體思路、戰(zhàn)略目標和主要任務(wù)、保障措施進行系統(tǒng)的規(guī)劃和部署，為推動我國人工智能的長期發(fā)展指明了方向[3]。

在新的戰(zhàn)略要求下，僅局限于教學(xué)考試的授課過程是否能達到國家要求的目標值得考量。因此，教研團隊在課程設(shè)計上，既注重理論與實驗的結(jié)合，也鼓勵學(xué)生走出課堂，將所學(xué)知識應(yīng)用于實際的生產(chǎn)活動中。在積極改善教學(xué)環(huán)境、改進教學(xué)方法的同時，教研團隊在教學(xué)實際應(yīng)用上也進行了積極探索。

基于“Python程序設(shè)計基礎(chǔ)”應(yīng)用需求，教研團隊申請了吉林大學(xué)“基于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)作物生長狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究”項目。在吉林大學(xué)實驗基地建設(shè)了真實的作物生長環(huán)境，讓學(xué)生用所學(xué)的編程知識在真實環(huán)境中實踐應(yīng)用。在這個實驗系統(tǒng)中，學(xué)生利用所學(xué)的編程知識不僅要編寫代碼來控制溫室內(nèi)的傳感器，收集溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，還要分析這些數(shù)據(jù)以優(yōu)化作物的生長條件。這樣的實踐活動，不僅加深了學(xué)生對Python語言的理解，也鍛煉了他們解決實際生產(chǎn)應(yīng)用問題的能力。此外，學(xué)生通過對比不同參數(shù)設(shè)置下的作物生長情況，能夠更直觀地理解數(shù)據(jù)背后的意義，從而在實踐中學(xué)習(xí)到如何利用編程技術(shù)來提高作物的生產(chǎn)效率。

教研團隊在前期成功實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，也會逐步完善更多領(lǐng)域的教學(xué)與應(yīng)用銜接環(huán)節(jié)，逐步發(fā)展教、練、用一體的教學(xué)與實踐模式。

教學(xué)理論的實際應(yīng)用不僅提升了學(xué)生的編程技能，更重要的是培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維和實踐能力。這不僅是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一次成功改革，也是對未來教育發(fā)展方向的一種探索和嘗試。

4 " " 總 結(jié)

隨著計算機新技術(shù)新方法的不斷出現(xiàn)，計算機程序設(shè)計課程的要求也在不斷提高，傳統(tǒng)教學(xué)的方法與手段雖然仍具有一定的效果，但以新方式方法對程序設(shè)計課程進行改革已逐漸成為高校教育改革的必然要求。針對當前Python程序設(shè)計課程存在的種種弊端，本文概括闡述了在吉林大學(xué)2023級進行的改革嘗試，雖在課程改革過程中遇到了不少困難也存在諸多不足，但成功激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時學(xué)生在模擬真實生產(chǎn)實踐的場景的微縮環(huán)境下進行真實的編程實踐活動，在學(xué)習(xí)與期末考核過程中了解了完整程序設(shè)計項目管理的流程和評價體系。這些嘗試無論對他們以后的學(xué)習(xí)或是從事科學(xué)研究工作都具有深遠的意義。

主要參考文獻

［1］孫健，徐碩，李健. Python語言程序設(shè)計混合式教學(xué)改革

［J］.計算機教育，2023（10）：82-86.

［2］肖海蓉.數(shù)據(jù)庫原理混合式教學(xué)過程數(shù)據(jù)分析與教學(xué)啟

示［J］.計算機教育，2023（1）：184-189，194.

［3］劉金梅，許駿，付浩海.新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃實施路徑研究：以吉林省為例［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2020，21（4）：40-43.