工程思維模式下Python語言階段性教學改革探索

李子奇 尹賀峰 郭婷婷 張永宏 夏慶鋒 商鈺琪

摘?要：當下計算機信息技術飛速發展，為滿足各行各業所急需的應用創新型人才，根據當前高校計算機專業Python課程實踐教學存在的問題，結合Python語言程序設計的優點與特性，提出了工程思維模式下的階段性課程教學方案，旨在推動建設應用創新型高校的Python語言程序設計課程的改革。

關鍵詞：Python程序設計；實踐教學；課程改革；創新型人才

Exploration?of?Phased?Teaching?Reform

of?Python?Language?Based?on?Engineering?Thinking

Li?Ziqi1?Yin?Hefeng1?Guo?Tingting2?Zhang?Yonghong1*?Xia?Qingfeng1，2?Shang?YuQi1

1.School?of?Automation，Wuxi?University?JiangsuWuxi?214105；

2.Information?Construction?and?Management?Centre??Wuxi?University?JiangsuWuxi?214105

Abstract：Nowadays，computer?information?technology?is?developing?rapidly.In?order?to?meet?the?urgent?need?of?application?and?innovative?talents?in?all?walks?of?life，according?to?the?problems?existing?in?the?practical?teaching?of?Python?course?for?computer?majors?in?colleges?and?universities，combined?with?the?advantages?and?characteristics?of?Python?language?programming，a?phased?course?teaching?plan?under?engineering?thinking?mode?is?proposed，aiming?to?promote?the?reform?of?Python?language?programming?course?in?the?construction?of?application?and?innovative?colleges?and?universities.

Keywords：python?programming;practical?teaching;course?reform;innovative?talents

1?概述

隨著21世紀“互聯網+”時代迅速來臨，計算機信息技術得到了蓬勃發展，尤其是人工智能技術和大數據分析技術的快速發展，使各行各業都迫切需要應用創新型人才。目前，大多數高校都設有計算機相關專業，這些專業的核心教學課程就是程序設計類課程。高校通過培養學生的編程能力，使他們能夠理解并掌握實踐創新能力、工程應用能力和解決復雜問題的分析能力。

近年來，國內各大高校紛紛開設Python語言程序設計課程，掀起了以計算機專業為主的各專業學習Python語言熱潮，值得一提的是，大多數高校將這門課納入計算機專業的必修課程中，還有部分院校在理工科學院的公共基礎課程中也設置了Python語言程序設計相關課程。Python語言簡單易懂、可移植性強、可擴展性廣、可嵌入性高并且易于理解，此外，Python語言還具有大量開源的第三方庫，幾乎涵蓋了所有專業領域，開發效率較高，對于沒有編程經驗的學生來說完全可以通過直接調用別人寫好的函數進行學習，學生無須再糾結語言和程序編寫方式，而是可以更快地找出問題并提出解決方案，從而激發學生對編程語言的學習興趣并提高編程信心，適合高校在不同專業學生群體中進行計算機語言應用的普及教學［1］。

目前，Python語言被廣泛應用于信息科學與技術、圖形圖像處理、大數據處理、Web開發、云計算、自動化運維和網絡安全維護等多個專業和工程領域，特別是隨著全球技術革命和產業革命的推動，Python語言作為互聯網工程領域內的首選開發語言之一，越來越多的人選擇使用Python語言來解決工程問題。

2?Python實踐教學中存在的主要問題

2.1?學生缺少目標導向

當前許多高校采用以語法知識為主的理論講授型教學模式來教授Python語言程序設計課程，這種傳統的教學模式過于強調語法知識的講授，而忽略了實際問題的關注。由此導致學生很難將所學知識應用到實際工程實踐中，或者沒有對實際運用場景建立起具體、充分的感知。此外，實踐內容通常是抽象的數學問題，脫離實際工程場景。由于缺乏以實際問題為主的目標導向，很多學生難以明確自己的學習目標和方向，也難以對所學知識有更深入的理解和掌握［2］。實際上，計算機編程語言的學習目標對應許多實際場景，例如數據可視化、網站開發、游戲開發、數據爬蟲、科學計算等，在我們生活的各個層面都已經得到應用。通過教學演示等方式，學生可以建立對實際應用的認識，并在學習語言的初期就明確學習目標。

2.2?優質教學資料匱乏

當前許多大學的Python課程教學資料仍然不夠完善。計算機編程語言的教學資料可以分為三類：第一類是傳統的紙質教材，主要以理論知識為主；第二類是以上機實驗為主的實驗案例；第三類是基于交互式Python解釋器的新型教學資料。

在教學實踐中，第一類教學資料面臨著知識點過時的問題。由于Python是一門不斷發展的語言，一些課件和教學資料可能存在版本不兼容的問題［3］。此外，第一類教學資料仍然強調語法和原理的講解，內容抽象，容易導致學生失去學習興趣。另外，第一類和第二類教學資料的結合也不夠緊密，往往是相互獨立的內容。相比之下，第三類教學資料已經被許多國際教育機構采用，例如Coursera等教育機構及其社區，采用Jupyter?Notebook形式發布課程筆記、課后作業等。這種交互式的方式展示、易于調試、便于分享的特點非常適合教學場景［4］。但是，在國內高校的計算機語言教育中尚未形成成熟的教學流程。

2.3 缺乏課程思政教育和創新性培養

盡管大學越來越重視構建“大思政”格局，但在開展課程思政教育時仍然存在著或多或少的問題［5］。例如，有些高校沒有將文化育人和實踐育人相結合，一些專業課教師對學生的引導性不強，沒有處理好“教書”和“育人”的關系，一味地向學生灌輸知識，卻忽視了學生綜合素養的培養。

此外，在Python語言程序設計課程的教學中，部分學生不僅缺乏明確的學習目標導向，還缺乏優秀的教育資源，這抑制了學生的創造力。單一的考核途徑增加了學生創新的成本。綜上所述，現有的Python語言教學結構未能給學生們提供足夠的選擇空間，也無法鼓勵學生們自主地選擇感興趣的學習方向，培養創新型人才。

2.4?考核途徑同質化強

Python語言作為一種廣泛應用的編程語言，其課程考核方式需要從實際應用角度出發，以全面客觀地評估學生的應用水平。目前，許多高校主要采用期末考試為主、課堂作業為輔的形式來評估學生的學習成果，這種同質化程度高的考核方式在形式和內容上與其他科目十分相似。因此，需要結合不同高校的研究特色和教師的研究領域，采用多種方式如課程項目、小組討論、實際應用案例等來評估學生的學習成果，以激發學生的學習興趣，并提高考核方式的多樣性。

3?Python程序設計課程教學方法設計

3.1?階段性課程安排

Python是一個具有強大擴展能力的編程語言，能夠通過支持豐富的第三方庫，在多個領域都有廣泛應用。不同專業對Python的需求程度不同，因此，在保證高效教學的基礎上，應該合理制定階段性學習，即在不同階段根據不同的專業指定不同的教學方案［6］。Python教學體系主要分為三個階段：初級、進階和高級。

在初級階段，主要教學內容是講解Python的語法知識，使學生了解Python的語言特性，能夠熟練閱讀他人代碼，并進行簡單的開發?；A階段是所有階段的基石，是每個專業都必須牢固掌握的內容，包括變量、數據類型、運算符、流程控制語句、函數、模塊等。

在進階階段，學生需要學習使用Python常用的標準庫，如os、sys、re等，以及常用的第三方庫，如NumPy、Matplotlib、SciPy等。這些庫能夠幫助學生更快速、更高效地處理數據，進行數據的可視化和科學計算。此外，這些庫通常是其他庫所依賴的，因此要想進一步學習其他庫的使用，則必須要了解基礎庫的工作方式和基礎的操作流程。在學習該階段前，應當掌握一些專業知識，例如，在學習NumPy庫前需要有一些數學基礎。這一階段的知識儲備是學習高級階段的基礎。

高級階段是與專業結合的重要階段，專業理論性極強，學生需要深入了解所學專業的理論知識，并掌握相關的編程技能。在此之前，學生應當對基礎和進階的內容有較深的理解，對本專業的理論有較強的認識。教師應該充分考慮不同的專業特性，設置不同的課程內容。例如，對于機器學習專業的學生，需要學習如何使用Sklearn、Pytorch等機器學習庫，并能夠進行相關的模型訓練、預測等工作；軟件開發方向的學生則需要學習PyQt5、Pyside等庫，構建友好的用戶界面和操作邏輯。

以上三個階段的Python教學體系概覽見圖1。

圖1?工科思維引導的Python教學體系概覽

3.2?工程思維模式教學

傳統的教學模式大多采用以教師為傳遞知識的紐帶，將書本上固有的知識灌輸給學生，使學生成為學習的被動者，大大降低學生的學習主動性。然而，技術不斷更新迭代，Python的版本也不斷升級。因此，采用一種工程思維模式教學是非常有意義的。工程思維模式教學將教學與實際工程相結合，提高學生的主動性和應用能力［7］。采用講課案例驅動教學、項目驅動知識鞏固兩步走的戰略制訂教學計劃。如圖2所示。

圖2?工程思維模式教學“兩步走”戰略

講課案例驅動教學，目的是培養學生們的工程思維，將工程問題轉化為具體的計算機問題，而不僅僅是學習Python的基礎語法和概念。教師選擇適合知識點的案例，案例采用真實工程存在的問題，將教學與實際工程問題相結合。在講解Python知識的同時，調動學生解決具體問題的興趣，將學生的注意力放在解決問題上，在這過程中，加深學生對Python的理解。

項目驅動知識鞏固，目的是提高學生自我解決問題能力、團隊合作的能力以及對知識的鞏固［8］。教師應該在每一節課后設置相應的項目，根據項目的難易程度讓學生獨立或分組完成。對于獨立完成的項目，給予完成度較高的學生獎勵。分組完成的項目，要求學生提交每個學生在項目中負責的部分，審核項目整體完成度以及項目分工獨立部分完成度，給予完成度較高的小組獎勵，產生一種良性的競爭，鼓勵學生們不斷創新。同時，幫助學生發現不足之處，并幫助他們糾正、改進和提高。

3.3?課程思政

近年來，為深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，教育部出臺了關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知，要求高等學校在人才培養的過程中，全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，把思想政治教育融入科學文化知識教學中，達到立德樹人和專業課程知識相結合的教學目標［9］。

培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人一直是教育的根本問題所在，這就要求各個高校的專業、學科負責人必須重視人才培養工作，統籌好各專業及各個學科的課程思政建設，深入挖掘各類專業課程和教學方式中的思政元素，不斷完善課程思政教學體系。同時高校教師在教學過程中要把知識傳授和價值塑造相結合，例如在Python課程教學中，要結合關鍵詞和相關思政融入點，把中國優秀傳統文化及近年來我國在大數據、人工智能領域取得的突破性成果融入課堂教學中，培養學生的愛國熱情和學習斗志，引導學生成長成才，形成良好的人生觀和價值觀，擔當起民族復興的偉大重任。

3.4?課程考核

課程考核是教育教學過程中的重要環節，其主要目的是幫助教師了解學生的學習情況，同時也是學生反饋自己掌握知識程度的有效方式［10］。在教學過程中，教師通過學生學習情況的反饋，更好地調整教學進度，提高教學效率。

課程考核方式主要包括課堂項目完成度、課后線上編程作業完成情況以及課程設計考核。在工程思維模式下，每節課學生都會完成一個小項目，教師根據學生的項目完成情況來評估學生的學習情況和自身的教學效果［11］。課后，教師通過在線平臺發布一些編程作業，并設定提交時間，幫助學生鞏固課堂上所學到的知識。此外，課程設計應設置在每個學習階段結束后，以便檢測學生的學習成果和知識掌握情況，并調整下一階段的教學重點和方法［12］。最終成績應綜合考慮項目完成度、課后線上作業和課程設計考核結果，通過正反饋教學考核模式，教師可以不斷提升自身的教學水平和方法，更好地幫助學生掌握知識，同時提高學生的學習興趣和學習成效。

結語

本研究結合當下時代發展的特點，通過分析現階段部分高校在“Python語言程序設計”課程教學中遇到的一些問題，探討了一種旨在加快高校計算機相關專業的建設步伐、培養應用創新型人才的課程改革思路。本文以階段性教學計劃為主體，配合工程思維教學模式并融入高校課程思政建設理論，根據不同的專業合理定制適用于不同學習階段的Python語言培養方案，采取將課本理論與上機實踐相結合的方式，引入經典的案例問題和實際項目問題讓學生自主解決，使學生不但可以較系統地掌握Python程序設計的基本理論和基本知識，而且還能培養較強的實踐應用能力和知識創新能力，從而為建設應用創新型高?！癙ython語言程序設計”課程改革提供參考。

參考文獻：

［1］段亞西，徐成振，魏凌華，等.Python語言程序設計課程教學方法探究［J］.科技風，2021（17）：4042.

［2］易發勝，李立，趙麗琴.新工科背景下Python程序設計課程教學方法研究［J］.計算機教育，2021（07）：148151+156.

［3］李忠金，高凌峰.基于翻轉課堂的Python語言程序設計教學改革研究［J］.科技風，2022（14）：104106.

［4］龔俊梅，劉洋.“Python語言”課程教學體系改革研究［J］.科技風，2022（22）：112114.

［5］余波，羅莉霞，易晨暉.新工科建設背景下Python程序設計課程教學改革與實踐［J］.計算機教育，2021（11）：8084.