工程思维模式下Python语言阶段性教学改革探索

李子奇 尹贺峰 郭婷婷 张永宏 夏庆锋 商钰琪

摘 要：当下计算机信息技术飞速发展，为满足各行各业所急需的应用创新型人才，根据当前高校计算机专业Python课程实践教学存在的问题，结合Python语言程序设计的优点与特性，提出了工程思维模式下的阶段性课程教学方案，旨在推动建设应用创新型高校的Python语言程序设计课程的改革。

关键词：Python程序设计；实践教学；课程改革；创新型人才

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

隨着21世纪“互联网+”时代迅速来临，计算机信息技术得到了蓬勃发展，尤其是人工智能技术和大数据分析技术的快速发展，使各行各业都迫切需要应用创新型人才。目前，大多数高校都设有计算机相关专业，这些专业的核心教学课程就是程序设计类课程。高校通过培养学生的编程能力，使他们能够理解并掌握实践创新能力、工程应用能力和解决复杂问题的分析能力。

近年来，国内各大高校纷纷开设Python语言程序设计课程，掀起了以计算机专业为主的各专业学习Python语言热潮，值得一提的是，大多数高校将这门课纳入计算机专业的必修课程中，还有部分院校在理工科学院的公共基础课程中也设置了Python语言程序设计相关课程。Python语言简单易懂、可移植性强、可扩展性广、可嵌入性高并且易于理解，此外，Python语言还具有大量开源的第三方库，几乎涵盖了所有专业领域，开发效率较高，对于没有编程经验的学生来说完全可以通过直接调用别人写好的函数进行学习，学生无须再纠结语言和程序编写方式，而是可以更快地找出问题并提出解决方案，从而激发学生对编程语言的学习兴趣并提高编程信心，适合高校在不同专业学生群体中进行计算机语言应用的普及教学［1］。

目前，Python语言被广泛应用于信息科学与技术、图形图像处理、大数据处理、Web开发、云计算、自动化运维和网络安全维护等多个专业和工程领域，特别是随着全球技术革命和产业革命的推动，Python语言作为互联网工程领域内的首选开发语言之一，越来越多的人选择使用Python语言来解决工程问题。

2 Python实践教学中存在的主要问题

2.1 学生缺少目标导向

当前许多高校采用以语法知识为主的理论讲授型教学模式来教授Python语言程序设计课程，这种传统的教学模式过于强调语法知识的讲授，而忽略了实际问题的关注。由此导致学生很难将所学知识应用到实际工程实践中，或者没有对实际运用场景建立起具体、充分的感知。此外，实践内容通常是抽象的数学问题，脱离实际工程场景。由于缺乏以实际问题为主的目标导向，很多学生难以明确自己的学习目标和方向，也难以对所学知识有更深入的理解和掌握［2］。实际上，计算机编程语言的学习目标对应许多实际场景，例如数据可视化、网站开发、游戏开发、数据爬虫、科学计算等，在我们生活的各个层面都已经得到应用。通过教学演示等方式，学生可以建立对实际应用的认识，并在学习语言的初期就明确学习目标。

2.2 优质教学资料匮乏

当前许多大学的Python课程教学资料仍然不够完善。计算机编程语言的教学资料可以分为三类：第一类是传统的纸质教材，主要以理论知识为主；第二类是以上机实验为主的实验案例；第三类是基于交互式Python解释器的新型教学资料。

在教学实践中，第一类教学资料面临着知识点过时的问题。由于Python是一门不断发展的语言，一些课件和教学资料可能存在版本不兼容的问题［3］。此外，第一类教学资料仍然强调语法和原理的讲解，内容抽象，容易导致学生失去学习兴趣。另外，第一类和第二类教学资料的结合也不够紧密，往往是相互独立的内容。相比之下，第三类教学资料已经被许多国际教育机构采用，例如Coursera等教育机构及其社区，采用Jupyter Notebook形式发布课程笔记、课后作业等。这种交互式的方式展示、易于调试、便于分享的特点非常适合教学场景［4］。但是，在国内高校的计算机语言教育中尚未形成成熟的教学流程。

2.3 缺乏课程思政教育和创新性培养

尽管大学越来越重视构建“大思政”格局，但在开展课程思政教育时仍然存在着或多或少的问题［5］。例如，有些高校没有将文化育人和实践育人相结合，一些专业课教师对学生的引导性不强，没有处理好“教书”和“育人”的关系，一味地向学生灌输知识，却忽视了学生综合素养的培养。

此外，在Python语言程序设计课程的教学中，部分学生不仅缺乏明确的学习目标导向，还缺乏优秀的教育资源，这抑制了学生的创造力。单一的考核途径增加了学生创新的成本。综上所述，现有的Python语言教学结构未能给学生们提供足够的选择空间，也无法鼓励学生们自主地选择感兴趣的学习方向，培养创新型人才。

2.4 考核途径同质化强

Python语言作为一种广泛应用的编程语言，其课程考核方式需要从实际应用角度出发，以全面客观地评估学生的应用水平。目前，许多高校主要采用期末考试为主、课堂作业为辅的形式来评估学生的学习成果，这种同质化程度高的考核方式在形式和内容上与其他科目十分相似。因此，需要结合不同高校的研究特色和教师的研究领域，采用多种方式如课程项目、小组讨论、实际应用案例等来评估学生的学习成果，以激发学生的学习兴趣，并提高考核方式的多样性。

3 Python程序设计课程教学方法设计

3.1 阶段性课程安排

Python是一个具有强大扩展能力的编程语言，能够通过支持丰富的第三方库，在多个领域都有广泛应用。不同专业对Python的需求程度不同，因此，在保证高效教学的基础上，应该合理制定阶段性学习，即在不同阶段根据不同的专业指定不同的教学方案［6］。Python教学体系主要分为三个阶段：初级、进阶和高级。

在初级阶段，主要教学内容是讲解Python的语法知识，使学生了解Python的语言特性，能够熟练阅读他人代码，并进行简单的开发。基础阶段是所有阶段的基石，是每个专业都必须牢固掌握的内容，包括变量、数据类型、运算符、流程控制语句、函数、模块等。

在进阶阶段，学生需要学习使用Python常用的标准库，如os、sys、re等，以及常用的第三方库，如NumPy、Matplotlib、SciPy等。这些库能够帮助学生更快速、更高效地处理数据，进行数据的可视化和科学计算。此外，这些库通常是其他库所依赖的，因此要想进一步学习其他库的使用，则必须要了解基础库的工作方式和基础的操作流程。在学习该阶段前，应当掌握一些专业知识，例如，在学习NumPy库前需要有一些数学基础。这一阶段的知识储备是学习高级阶段的基础。

高级阶段是与专业结合的重要阶段，专业理论性极强，学生需要深入了解所学专业的理论知识，并掌握相关的编程技能。在此之前，学生应当对基础和进阶的内容有较深的理解，对本专业的理论有较强的认识。教师应该充分考虑不同的专业特性，设置不同的课程内容。例如，对于机器学习专业的学生，需要学习如何使用Sklearn、Pytorch等机器学习库，并能够进行相关的模型训练、预测等工作；软件开发方向的学生则需要学习PyQt5、Pyside等库，构建友好的用户界面和操作逻辑。

以上三个阶段的Python教学体系概览见图1。

图1 工科思维引导的Python教学体系概览

3.2 工程思維模式教学

传统的教学模式大多采用以教师为传递知识的纽带，将书本上固有的知识灌输给学生，使学生成为学习的被动者，大大降低学生的学习主动性。然而，技术不断更新迭代，Python的版本也不断升级。因此，采用一种工程思维模式教学是非常有意义的。工程思维模式教学将教学与实际工程相结合，提高学生的主动性和应用能力［7］。采用讲课案例驱动教学、项目驱动知识巩固两步走的战略制订教学计划。如图2所示。

图2 工程思维模式教学“两步走”战略

讲课案例驱动教学，目的是培养学生们的工程思维，将工程问题转化为具体的计算机问题，而不仅仅是学习Python的基础语法和概念。教师选择适合知识点的案例，案例采用真实工程存在的问题，将教学与实际工程问题相结合。在讲解Python知识的同时，调动学生解决具体问题的兴趣，将学生的注意力放在解决问题上，在这过程中，加深学生对Python的理解。

项目驱动知识巩固，目的是提高学生自我解决问题能力、团队合作的能力以及对知识的巩固［8］。教师应该在每一节课后设置相应的项目，根据项目的难易程度让学生独立或分组完成。对于独立完成的项目，给予完成度较高的学生奖励。分组完成的项目，要求学生提交每个学生在项目中负责的部分，审核项目整体完成度以及项目分工独立部分完成度，给予完成度较高的小组奖励，产生一种良性的竞争，鼓励学生们不断创新。同时，帮助学生发现不足之处，并帮助他们纠正、改进和提高。

3.3 课程思政

近年来，为深入贯彻落实习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神，教育部出台了关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知，要求高等学校在人才培养的过程中，全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，把思想政治教育融入科学文化知识教学中，达到立德树人和专业课程知识相结合的教学目标［9］。

培养什么人、怎样培养人、为谁培养人一直是教育的根本问题所在，这就要求各个高校的专业、学科负责人必须重视人才培养工作，统筹好各专业及各个学科的课程思政建设，深入挖掘各类专业课程和教学方式中的思政元素，不断完善课程思政教学体系。同时高校教师在教学过程中要把知识传授和价值塑造相结合，例如在Python课程教学中，要结合关键词和相关思政融入点，把中国优秀传统文化及近年来我国在大数据、人工智能领域取得的突破性成果融入课堂教学中，培养学生的爱国热情和学习斗志，引导学生成长成才，形成良好的人生观和价值观，担当起民族复兴的伟大重任。

3.4 课程考核

课程考核是教育教学过程中的重要环节，其主要目的是帮助教师了解学生的学习情况，同时也是学生反馈自己掌握知识程度的有效方式［10］。在教学过程中，教师通过学生学习情况的反馈，更好地调整教学进度，提高教学效率。

课程考核方式主要包括课堂项目完成度、课后线上编程作业完成情况以及课程设计考核。在工程思维模式下，每节课学生都会完成一个小项目，教师根据学生的项目完成情况来评估学生的学习情况和自身的教学效果［11］。课后，教师通过在线平台发布一些编程作业，并设定提交时间，帮助学生巩固课堂上所学到的知识。此外，课程设计应设置在每个学习阶段结束后，以便检测学生的学习成果和知识掌握情况，并调整下一阶段的教学重点和方法［12］。最终成绩应综合考虑项目完成度、课后线上作业和课程设计考核结果，通过正反馈教学考核模式，教师可以不断提升自身的教学水平和方法，更好地帮助学生掌握知识，同时提高学生的学习兴趣和学习成效。

结语

本研究结合当下时代发展的特点，通过分析现阶段部分高校在“Python语言程序设计”课程教学中遇到的一些问题，探讨了一种旨在加快高校计算机相关专业的建设步伐、培养应用创新型人才的课程改革思路。本文以阶段性教学计划为主体，配合工程思维教学模式并融入高校课程思政建设理论，根据不同的专业合理定制适用于不同学习阶段的Python语言培养方案，采取将课本理论与上机实践相结合的方式，引入经典的案例问题和实际项目问题让学生自主解决，使学生不但可以较系统地掌握Python程序设计的基本理论和基本知识，而且还能培养较强的实践应用能力和知识创新能力，从而为建设应用创新型高校“Python语言程序设计”课程改革提供参考。

参考文献：

［1］段亚西，徐成振，魏凌华，等.Python语言程序设计课程教学方法探究［J］.科技风，2021（17）：4042.

［2］易发胜，李立，赵丽琴.新工科背景下Python程序设计课程教学方法研究［J］.计算机教育，2021（07）：148151+156.

［3］李忠金，高凌峰.基于翻转课堂的Python语言程序设计教学改革研究［J］.科技風，2022（14）：104106.

［4］龚俊梅，刘洋.“Python语言”课程教学体系改革研究［J］.科技风，2022（22）：112114.

［5］余波，罗莉霞，易晨晖.新工科建设背景下Python程序设计课程教学改革与实践［J］.计算机教育，2021（11）：8084.