新工科背景下Python程序设计教学改革实践探索

欧雨 田小梅 余孝忠

摘要：近年来新工科产业如人工智能、大数据、机器人、云计算飞速发展，对高校程序语言教学带来了新的挑战。如何充分调动学生积极性，构建基于新工科背景下的Python程序设计教学内容和方法成为紧迫的需求之一。文章以学生为中心，以产出为导向，制定适合地方院校学生特色的教学内容设计教材与建设课程资源，设计合理的教学目标，提出以“系统”“项目”为指导的动态代码操作演示的教学方法。从实际需求出发，在精选教学内容的基础上编撰自主教材，构建贴合新工科背景下的教学评价体系，并进行了相关教学实践，取得了良好的效果。

关键字：新工科；Python 程序设计；教学改革；教学方法

中图分类号：TP3    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0156-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

Python是一个免费开源的跨平台高级动态编程语言，易于扩展且易读简洁，逐渐成为新兴产业如人工智能、大数据、云计算等领域的首选程序设计语言。2018年3月起，教育部将Python列入全国计算机等级考试，“Python语言程序设计”成为计算机二级考试科目的一个项。2021年至今，Python力压C、Java等传统编译型语言成为TIOBE编程语言排行榜最受欢迎语言。目前，Python在网站开发[1]、金融分析[2]、大数据挖掘[3]、网络爬虫[4]等多个领域应用非常广泛。新工科背景下Python语言市场下对人才的需求正处于供不应求的状态，Python程序设计课程不仅可以为非计算机专业的学生提供后续专业领域数据分析工具的支撑，也能为计算机专业后续学习机器学习[5]、深度学习[6]等新技术奠定基础。高校在计算机专业教育改革中要高度重视Python课程创新建设实践，科学引导计算机专业学生学习利用好Python辅助工具，在学习和生活中解决各类实际复杂问题[7]。

作为地方师范类高校，学院在Python程序设计课程教学上仍有不足。首先，在Python语言教学实践中，教师普遍认为Python语言作为一种简单的脚本解释性语言，缺乏深入开发设计工作经验，对于Python课程的学习主要是集中于教学课堂范围内，沿用传统的灌输式教学方法，单方面按照自身的教学节奏向学生讲解课程专业理论和知识，缺少与学生线上的互动交流，难以及时掌握了解到学生的实际学习情况和学习需求以及指导学生的课外实践学习等。其次，Python课程教学目标不够明确，学生不仅仅是学习掌握一门编程语言，还需要促使他们能够灵活运用所学的Python课程知识，将其实践应用在专业问题解决上，提高学生的综合能力和职业素养。因此，高校Python课程建设的重点需要将对学生普适性课程设计能力的培养科学有效地转换为培养他们解决专业问题的能力，提升他们的职业竞争力。最后，课程教学目标不够明确，学生不仅仅是学习掌握一门编程语言，还需要促使他们能够灵活运用所学的Python 课程知识，将其实践应用在专业问题解决上，提高学生的综合能力和职业素养。因此，高校Python课程建设的重点需要将对学生普适性课程设计能力的培养科学有效地转换为培养他们解决专业问题的能力，提升他们的职业竞争力。

针对这些问题，本文结合地方院校特点，提出新工科背景下Python程序设计教学改革，研究如何基于成果导向循序渐进展开教学、定位教学目标，最终选择出适合学生学习的教学内容，实现对教学模式的有效改革。

1）完善Python课程教学内容，结合学生专业性质和实际学习需求特点，合理完善该项课程教学内容，调动起专业学生的学习积极性，实现多元化教学目标。

2）创新教学模式与教学考核方式，结合不同阶段的教学目标，综合应用不同的教学方式，以此来保障课堂实践教学效果，促使学生循序渐进地提升自我创新实践能力和综合素养。

本文以“新工科”建设为指导，“课程思政”为引领，以学生为中心，以产出为导向，从课程目标、内容、资源、教学方法、教学模式、考核评价等方面对Python课程教学进行改革，总体培养目标为提升教学即赋能教育。利用信息化教学平台，合理分配各教学环节及要素，探索以“知识型+能力型+项目型”的教学模式。

1 Python 程序设计教学改革

本文在教学改革主要包括三个方面：1） 结合线上线下混合式教学模式制订教学目标与教学计划；2） 根据课程教学目标和我校计算机相关专业特色，选择教学内容自编教材，建设信息化教学资源；3） 改革课程考核评价方式，融入线上线下、过程性、终结性考核。

1.1 教学目标

以培养学生的抽象建模、问题分析和创新思维能力入手，结合线上线下混合式教学模式，以实践教学目标的长远性、特色性的建议与要求为指导思想，制订教学目标如表1所示。

1.2 教学内容

根据课程教学目标和体现我校计算机相关专业特色，本项目采取自编教材的方式，选取实际项目为案例，贴合工业需求。根据课程培养目标，教材总体框架包含两个阶段：基础篇与进阶篇，其中第一阶段以Python基础教学为主，重点介绍Python数据基础及数据结构、基本语法及Python面向对象编程基础；第二阶段以Python科学计算领域应用为主，介绍Numpy库及Matplotlib库的基本使用。另外，根据学生的兴趣与特长，学习相关高级应用方向，如擅长Web方向的学生，引导其向网络运维和信息采集方向学习；善于多媒体方向的学生，引导其学习图形图像处理及Python圖形界面方向扩展。由于课时限制及不同专业授课对象的差异性，教学内容应注重紧密联系学生所学专业的侧重点，根据专业特色及背景制定符合学生的教学计划和实践项目，通过模块化学习引导学生参与相关课题，提高学生实践学习能力与质量，总体的教学内容设计如图1所示。

围绕不同专业课程设计在线试题、实验项目任务，方便学生利用闲余时间进行在线学习，了解自我学习情况和改进不足之处。线下为学生提供课堂教学、实验、项目等教学实践活动，并结合互联网+、CTF、蓝桥杯等计算机类竞赛，全面提升学生的专业技能，锻炼团队协作和分析问题解决问题的能力，同时也拓展学生视野，为职业规划打下坚实基础。线上则为学生提供课程每章的知识点视频、课后习题、PPT、教案、作业、考试等课程资源，如图2所示。

1.3 教学评价

通过改革课程考核评价方式，分成过程性考核和终结性考核，同时融入线上线下的教学。线上过程性考核主要对授课学生通过线上案例的学习对Python语法知识的掌握度。线下终结性考核一方面对学生所学知识进行闭卷测试，另一方面以开放式、非标准化的考题形式评价学生对Python的掌握程度。最后，整体上考察学生运用Python编程语言解决问题的能力，对于参与科研课题、程序设计竞赛、获得软件著作权的学生适当提高综合成绩等级。考核环节具体包括：1）基础理论知识考核，包括课前预习复习测试、课后习题测试；2）对于知识的终结性考核，包括选择、填空、程序改错、程序填空、程序设计；3）过程性考核，包括课堂表现、课程设计等，如图3所示。

图中的课程目标一与课程目标二均根据总体教学目标和具体的毕业要求所设定，具体设置如下。

课程目标一：了解Python语言程序设计的基本知识，掌握程序设计的基本方法，掌握程序设计的基本理论、方法和应用，掌握高级程序设计国家标准的有关基本规定，会查阅有关国家标准和手册，养成严格遵守和执行有关国家标准的各项规定的良好习惯。

课程目标二：通过课程学习，使学生具备能够较正确而熟练地使用Python进行程序的设计；能够识读和编写较复杂的程序；能够使用Python解决实际应用问题；具备一定的知识探究和反思能力及创新意识；具备自主学习能力和团队协作意识。

2 教学效果与分析

在教学效果上，本文以2020级软件工程1班与2班为实验对象，对教学过程与课程目标达成度进行统计和分析，其中教学过程数据来源于学习通平台中八个章节（绪论、基本语法、数据类型、流程控制、函数、面向对象、高级特性、文件）的统计数据，而达成度分析数据为综合期末考试、作业和课堂表现情况。

2.1 教学过程分析

本节统计两个班学生的平均到课情况、平均参与互动程度、平均作业用时以及平均准确率。以此分析学生对每一个章节的课程内容感兴趣程度与掌握程度，以便于随时调整课程设计与知识点的难度。其中互动程度由学习通的签到、抢答和讨论活动情况统计而来；对每一章节的掌程度则由课堂抢答、随堂作业与课后作业的正确率给出；此外还对学生在学习通上每个章节自学用时进行了统计，其结果如图4所示。

由学习过程数据分析可以得出两个班的学生在总体参上表现较好。在掌握程度上，由于Python课程开设时间为大二第一学期，此时学生已完成C语言的学习，具有一定的程序语言基础，因此在Python的学习上对基本语法、函数等接受程度和掌握程度都较好。然而对于数据类型、流程控制、Python高级特性等与C语言有较大差异的章节，学生的掌握程度相较其他有明显的差距。因此，在后续的教学实践中，应持续优化相关章节的知识点教学，加强学生实践练习，保障学生更好地掌握每一个知识点。从学习通的平均用时可以看出，学生在高级特性上用时较少，这是对该章节掌握程度相对较低的原因之一。并且，在流程控制上用时较少，掌握程度也相对偏低。因此，要合理安排作业的难易程度，使学生能充分利用课后时间完成对知识点的充分理解和掌握。

2.2 目标达成度分析

Python程序设计教学改革在2020年软件工程1班和2020级软件工程2班进行，两个班人数均为47人，共94人，教学效果评价指标为课程目标达成度，计算方式如公式1所示，课程目标的各考核环节的总分值和权重如表2所示。

对2020级软件工程1班及2班的考核情况如图5所示。

课程目标一主要为终结性考核，单选、填空和判断主要考查主要是学生对Python基础语法掌握能力，程序填空题考查学生对Python语言的综合运用能力。从各考核环节学生平均得分情况来看，分数都较高，说明学生对该课程的基本知识和原理掌握很扎实，对Python基础语法体系掌握较好。两个班的课程目标达成度均为0.85，超过期望值0.6，这表明目前该课程的教学内容、教学方式方法、考核内容和方式是较合理的。

课程目标二主要为过程考核主要考查学生运用Python语言解决实际编程问题的能力。从各考核环节学生平均得分情况来看，分数正常，说明学生基本掌握了运用Python知识并解决实际问题的能力。两个班的课程目标达成度为0.78和0.79，均超过期望值0.6，说明学生具有一定的编程能力。总体来说，目前该课程的教学方法取得了较好的效果，在后续课程教学中，还需进一步结合学生专业特点探索更优的教学模式。

3 结束语

本文坚持“学生中心、成果导向、持续改进”，探索“知识传授、能力培养、价值塑造”三位一体的课程建设新模式。鼓励学生参与各类教学竞赛，并以此为契机，提高教师现代信息技术与教育教学深度融合的能力，持续开展课堂教学改革与创新，不断提高人才培养质量。让学生对自己的学习目标更为直觀，提升学生的成就感。经过一届学生的实践，课程教学目标达成度有显著提高。但在教学内容尤其是案例上仍需不断丰富和更新，使其更加贴近岗位需求，依据课程目标达成度，后续会对课程教学进行持续改进。

参考文献：

[1] 韦立梅，苏兵.Django框架下Python网站开发过程综述[J].电脑与电信，2019（10）：54-56.

[2] Yves Hilpisch.Python金融大数据分析[M].北京：人民邮电出版社，2015.

[3] 聂晶.Python在大数据挖掘和分析中的应用优势[J].广西民族大学学报（自然科学版），2018，24（1）：76-79.

[4] 花君林.基于Selenium的Python网络爬虫的实现[J].电脑编程技巧与维护，2017（15）：30-31，36.

[5] 胡晓辉，吴嘉昕，陈勇，等.机器学习教学中的SPOC+TBL混合模式探索[J].教育现代化，2019，6（9）：137-139.

[6] 朱晓敬，袁满，赵娅，等.数据驱动的深度学习教学模式构建与实施[J].微型电脑应用，2021，37（8）：14-17.

[7] 聂轰.“新工科” 背景下构建OBE理念的Python程序设计教学研究与实践[J].电脑知识与技术，2021，17（24）：208-209.

【通联编辑：朱宝贵】