基于CDIO模式的Python程序设计课程教学实践研究

赵胜楠　朱立才　张辉

摘  要： 为弥补当前Python程序设计课程教学中的不足，根据融合CDIO工程教育理念，以人脸检测—控制灯光项目为例，借助Jupyter Notebook平台，通过“构思—设计—实施—运行”四个环节，探索一种线上线下混合式课程改革方案。先从课堂的知识点入手，以创新实训项目为切入点，学生分组合作，最终完成一个仿真实践。该方案培养了学生实际开发项目的能力，从而提升了课程教学的质量。

关键词： Python; 程序设计; CDIO; Jupyter Notebook

中图分类号：G434          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2022）03-83-03

Abstract： In order to make up for the deficiencies in the current Python programming course teaching， according to the CDIO engineering education concept， taking the project of face detection & lighting control as an example， with the help of the Jupyter Notebook platform， a online-offline blended course reform scheme is explored through the four links of “conception-design- implementation-operation”. Starting with the knowledge points of the classroom， taking the innovative training project as the starting point， students cooperate in groups to complete a simulation practice finally. The scheme cultivates students' ability to actually develop projects， so as to improve the quality of the course teaching.

Key words： Python; programming; CDIO; Jupyter Notebook

0 引言

Python是一种面向对象、直译式的计算机程序设计语言[1]。近几年，Python语言发展迅速，已在机器学习、深度学习、大数据等领域广泛应用。Jupyter Notebook是当前非常流行的一种基于Web、支持Python语言的交互式开发工具[2]。随着Jupyter Notebook插件的不断开发与应用，其在教学方面的功能逐渐被发掘。运用Jupyter Notebook，并结合 Python丰富的库资源，教师可共享教学PPT、实时代码、开展线上答题等多样化的混合式教学。学生也可利用 Jupyter平台进行主动学习和翻转学习。

CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）与运作（Operate）缩写[3]。CDIO 模式的核心理念是以实际项目工程为载体，让学生以主动的、实践的方式学习工程项目，重视实践教学，倡导学生“做中学”。因此，本文基于CDIO思想，并结合Jupyter平台，针对Python程序设计中项目实践环节，探索一种线上线下混合式课程改革方案。

1 Python语言现状

目前，市场对Python的人才需求陡增，许多高校已开设了Python相关课程，但我国Python教学还处于起步和发展阶段，存在教学案例陈旧、实践创新不足等问题。在Python 理论学习的基础上，将算法运用到实际实验项目，这并非易事。很多学生对理论知识并没有深刻的理解，对算法的学习只停留在表面，只能知其然却不知其所以然。尽管目前网络上有许多精品课程，但这些课程多以理论知识的教学为主，注重介绍算法本身，较少涉及实际应用。而且很多Python语言教材中的教学实例落后于时代发展，比如，仍以绘制五角星、打印乘法口诀等为主的数学计算案例。教师应与时俱进，实时地更新教学案例，如智能垃圾分类、新冠肺炎X光检测、机器人视觉检测智能送风、人臉检测智能开灯等与日常生活息息相关的案例，从而激发学生的学习兴趣。

2 CDIO理念教学实施

按照CDIO理念，首先从课堂的知识点入手，运用信息化教学方式掌握基本知识点，以创新实训项目为切入点， 学生分组合作，最终完成一个仿真实践[4]。本文将通过人脸检测_控制灯光这一项目案例组织开展教学，在教学过程中为学生建立真实软件项目开发的工作框架，从而提高学生的学习能力和工程实践能力，使学生能够从中得到实战经验[5]。在CDIO理念下，每个阶段制定相应的实训任务，如表1所示。

2.1 构思阶段

本阶段主要通过线上完成。课前，教师通过Jupyter平台发布关于人脸识别算法的研究现状以及基本知识点的微课视频。微课视频旨在帮助学生课前通过线上自主学习，获取人脸检测相关知识点并且了解该项目本节课的学习任务，引导学生对人脸检测_控制灯光这一项目进行构思，便于教师以此为基础开展翻转课堂。学生分组合作，开展需求分析，共同完成线上学习任务。

2.2 设计阶段

本阶段采用线上线下混合式教学模式。学生根据需求分析，进行模块划分、功能及算法分析。首先，教师通过线上学习平台发布各小组的实验构思方案，让学生先了解其他各组的初步想法。其次，线下开展知识点讲解，组织学生展开讨论，每组派出代表陈述本组的算法思想。若方案存在的重大问题，教师提出修正，学生对实验方案进行修改和完善，再重新提交。

2.3 实施阶段

本阶段是通过线下实操完成。首先学生需准备训练数据集，包括数据采集、数据预处理、数据筛选、数据标注、数据增强、公共数据集等;然后进行模型训练，搭建Jupyter开发环境、预训练模型、超参数设置、模型过程可视化、模型精度评估;再将模型部署。学生编写简单代码调用摄像头，平台将数据传到传感器，最终实现当摄像头检测到人脸时，开灯，否则，关灯。各小组按照实施方案进行编程操作，教师巡视各小组的操作过程，针对操作中的重难点进行讲解和现场演示，并给予适当的指导。

2.4 运行阶段

本阶段是线下展示。学生分组进行项目答辩，汇报项目设计方案、实施过程中存在的问题和解决办法，在Jupyter平台上展示运行结果。教师对各小组的整个实验项目实施过程进行分析和点评，引导学生多角度思考问题和自我反思。最后，教师开展项目考核，在评价中将学生引入评价主体，引导学生开展自评和互评等多元化评价方式[3]。从而改变传统教学中存在的重理论轻实践、重知识轻创新、忽视团队协作等问题。

3 案例设计与实施

运用Jupyter平台的优势之一就是算法的底层代码已封装好，学生无需再进行复杂的底层设计开发，极大简小了编程工作量。以人脸检测_控制开灯实战项目为例，部分代码如下：

fan_state = 0

while True：

time.sleep（1）

body_state = body.get_body_di_data（）

if body_state == 0 and fan_state == 0：

fan.fan_power_on（）

time.sleep（1）

fan.open_fan（）

fan_state = 1

elif body_state == 1 and fan_state == 1：

fan.fan_power_off（）

fan_state = 0

break

time.sleep（1）

学生可通过简单Python语句调用摄像头，实时采集图像数据，实现人脸检测功能，运行fan.fan_power_on（）、fan.fan_power_off（）便可實现开、关灯。学生能够实时看到运行结果，摆脱了以往编程软件“黑底白字”的运行界面，从而能够激发起学习兴趣，进而探索复杂的人脸识别算法[6]。

4 结束语

本文融合CDIO工程教育理念，借助Jupyter平台，以学生为主体，以基础理论为指导，改进教学模式。该教学模式，能够让学生更好地融入课堂教学活动，调动学生探究学习的积极性，加强师生间的互动交流，对培养学生项目开发的能力起到一定的促进作用。未来，可进一步将线上课堂练习融入课堂，并丰富线上学习内容。

参考文献（References）：

[1] 左卫刚.基于CDIO模式的Python程序设计课程教学应用研究[J].计算机时代，2019，（8）：78-80，96

[2] 陆钊，韦舒惠.大数据专业混合式教学的ICT应用方案分析与设计[J].信息技术与信息化，2021（5）：226-2294

[3] 卢文娟，曾达幸，张立杰等.基于CDIO-OBE工程教育改革思想的教学实践[J].教育现代化，2017（26）：29-30，41

[4] 魏冬梅，王影，钟世芬等.基于CDIO模式的Python程序设计课程教学实践[J].计算机教育，2018（2）：129-131

[5] 孟稳.基于OBE和CDIO的“工业机器人编程与操作”课程教学探究[J].黑龙江教育：理论与实践，2021（7）：91-92

[6] 谢春丽，高宇翔，吴昊聪等.程序设计类课程项目驱动化教学改革与实践[J].计算机教育，2019（7）：133-137

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