何志權(quán) 藍(lán)旭佳 曹文明

摘要：目前，Python語言在科學(xué)計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)處理挖掘方面應(yīng)用廣泛，越來越多的高校開設(shè)了Python語言課程。針對高校學(xué)生存在的實(shí)踐能力缺失、教學(xué)效果不佳和科研基礎(chǔ)薄弱等問題，根據(jù)新工科建設(shè)教育規(guī)范，結(jié)合Python編程特點(diǎn)和電子信息工程培養(yǎng)方案的要求，采用工程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方法，提出了項(xiàng)目交互式混合教學(xué)的方法，使得學(xué)生在應(yīng)用技術(shù)和專業(yè)技能方面得到充分鍛煉，從而提高動(dòng)手能力、問題分析能力和項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)施能力，進(jìn)一步深化Python編程教學(xué)改革和提升課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞： Python編程; 成果導(dǎo)向;實(shí)踐能力; 新工科建設(shè); 教學(xué)改革; 項(xiàng)目交互式

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0191-03

1 引言

新工科建設(shè)是深化工程教育改革的重大行動(dòng)以主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。新工科建設(shè)提出工程教育要實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)為產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、從專業(yè)細(xì)分轉(zhuǎn)向跨界交叉融合、從適應(yīng)技術(shù)服務(wù)轉(zhuǎn)向科技支撐引領(lǐng)。因此，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要以教學(xué)產(chǎn)出為指引，加快工程教育改革創(chuàng)新。

Python等動(dòng)態(tài)語言的優(yōu)勢在于靈活、表達(dá)能力強(qiáng)。近年來，企業(yè)把Python編程更多應(yīng)用在人工智能、大數(shù)據(jù)分析與挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等新工科建設(shè)方面，使得Python成為新工科建設(shè)最適合的編程語言。截至2021年8月，Python程序設(shè)計(jì)語言成為當(dāng)下最受歡迎的編程語言之一，且受歡迎程度逐年增加，具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

目前，高校重視Python編程不僅作為學(xué)生專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析的工具，而且為 “機(jī)器學(xué)習(xí)”“人工智能”等課程奠定理論基礎(chǔ)。電子信息工程專業(yè)要求學(xué)生具備工業(yè)電子設(shè)備，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，信息系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)及應(yīng)用的初步能力。因此，新工科建設(shè)背景下Python編程能力的教學(xué)改革既有培養(yǎng)計(jì)算機(jī)思維的教育意義，也有工程項(xiàng)目應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)能力[2]。本文反思Python教學(xué)的效果及教學(xué)過程中存在的問題，提出成果導(dǎo)向的基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合教學(xué)方法，其目的是提升學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)施能力，問題分析能力，以應(yīng)對在后續(xù)的科研和工作中面臨的實(shí)際需求。

2 課程特點(diǎn)和問題分析

2.1 Python編程特點(diǎn)

2.1.1 Python編程語言特點(diǎn)

Python是一種高層次的結(jié)合了解釋性、編譯性、互動(dòng)性和面向?qū)ο蟮哪_本語言，具有以下特點(diǎn)：（1）易于學(xué)習(xí)和閱讀：Python結(jié)構(gòu)簡單，語法明確，代碼定義更清晰，更容易閱讀;（2）代碼易于維護(hù)：由于設(shè)計(jì)和使用簡單，使得Python代碼易于維護(hù)。Python有一個(gè)廣泛的標(biāo)準(zhǔn)庫，具有豐富的編程資源，工程效率大幅提高;（3）易于移植和擴(kuò)展：Python代碼可移植、可擴(kuò)展、可嵌入，同C語言無縫連接。同時(shí)，Python是一種既支持面向過程的編程也支持面向?qū)ο蟮木幊?，以一種非常強(qiáng)大又簡單的方式實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊獭；谏鲜龅膬?yōu)勢，Python在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如網(wǎng)站開發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)維、數(shù)據(jù)挖掘，人工智能等領(lǐng)域，能夠便捷高效地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的軟件開發(fā)[3]。

2.1.2 Python編程教學(xué)特點(diǎn)

目前Python編程已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的入門編程語言，在電子工程專業(yè)也成為重要的專業(yè)課程。大部分教學(xué)方法分為理論講解和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩部分。理論講解是利用課堂時(shí)間講解課程內(nèi)容，方便學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)Python的語法及其使用;而實(shí)驗(yàn)課及課程設(shè)計(jì)則用于鞏固強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，提升動(dòng)手能力。根據(jù)學(xué)生對Python編程的實(shí)際掌握情況，課程應(yīng)該考慮如下幾方面：

實(shí)踐性：通過具體的項(xiàng)目，應(yīng)使學(xué)生將所學(xué)的Python程序設(shè)計(jì)方法來解決項(xiàng)目中實(shí)際的問題，在課程設(shè)計(jì)過程中對實(shí)踐思維的培養(yǎng)應(yīng)該占據(jù)主導(dǎo)地位。

工程性：Python編程應(yīng)用范圍比較廣泛，和各個(gè)領(lǐng)域聯(lián)系都較為緊密。所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目應(yīng)盡可能多地涉及不同的應(yīng)用方向。學(xué)生在學(xué)習(xí)之后，應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中就會(huì)做到真正的學(xué)有所用。

創(chuàng)新性：Python教學(xué)的創(chuàng)新將體現(xiàn)在教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變：基于情景教學(xué)法，貼近學(xué)生日后可能的工作場景，以便于傳授知識(shí)并將知識(shí)同實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合，使學(xué)生主動(dòng)參與到項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)程當(dāng)中，并將項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐于學(xué)習(xí)和工作當(dāng)中。

2.2 Python教學(xué)問題描述

在目前很多Python編程教學(xué)中采用方法重點(diǎn)在教學(xué)模式的創(chuàng)新上，即以學(xué)生探究式為主傳統(tǒng)講授式為輔，然而，教學(xué)過程本身的組織、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施一樣重要。過去以項(xiàng)目實(shí)踐驅(qū)動(dòng)的方式講授知識(shí)體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)方法，在實(shí)際實(shí)施過程中，因?yàn)闆]有明確的項(xiàng)目目標(biāo)和價(jià)值，或者項(xiàng)目同實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對項(xiàng)目實(shí)踐性、工程性和創(chuàng)新性理解不夠，實(shí)際教學(xué)效果差強(qiáng)人意。出現(xiàn)這種教學(xué)情況的主要原因是以下幾點(diǎn)：

1）未結(jié)合本學(xué)科特點(diǎn)

以電子信息工程專業(yè)為例，在培養(yǎng)方案中，Python語言程序設(shè)計(jì)作為一門重要的專業(yè)課，目的使學(xué)生產(chǎn)生計(jì)算思維，培養(yǎng)編程興趣，提高動(dòng)手能力和問題分析能力。目前，電子信息工程專業(yè)教學(xué)過程中存在的問題主要在學(xué)生自學(xué)能力和興趣的激發(fā)兩方面。部分學(xué)生上課期間不聽，寧愿課后自己自學(xué)，并且課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容對于他們過于簡單枯燥;另一部分學(xué)生興趣不足，遇到困難容易滋生反感、抵觸情緒。對于Python編程課程而言，學(xué)生學(xué)習(xí)Python的主要用途是網(wǎng)站設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方面的開發(fā)和設(shè)計(jì)。目前在這方面一定程度上Python編程教學(xué)活動(dòng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度上的項(xiàng)目覆蓋，目前要結(jié)合新工科背景下電子信息工程，尤其是人工智能方面的培養(yǎng)要求，工程化、實(shí)踐化和創(chuàng)新化Python教學(xué)活動(dòng)[4]。

2）不滿足新工科建設(shè)要求

目前新時(shí)期新階段，新工科建設(shè)如何進(jìn)一步深化和拓展，有哪些關(guān)鍵問題需要再突破？此前教育部高等教育司司長吳巖給出的觀點(diǎn)是：高等工程教育體系再造要與科技、產(chǎn)業(yè)、社會(huì)等體系再造對接，主動(dòng)應(yīng)變、積極求變，實(shí)現(xiàn)學(xué)科專業(yè)交叉融合，與新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)交織交融，掀起新時(shí)代高等教育質(zhì)量革命。Python編程已經(jīng)成為工科類高等教育階段的重要課程，但沒有實(shí)現(xiàn)相關(guān)學(xué)科專業(yè)交叉融合，并且未對產(chǎn)業(yè)和社會(huì)體系進(jìn)行對接。

3）未有效地對項(xiàng)目和教學(xué)實(shí)施進(jìn)行整合

項(xiàng)目化教學(xué)的關(guān)鍵在于Python課程項(xiàng)目化。依據(jù)項(xiàng)目工程中涉及的知識(shí)和技能，內(nèi)化在學(xué)校教學(xué)方法中，并且對知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)適時(shí)遷移和擴(kuò)充，形成具有體系的項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容。電子信息工程專業(yè)Python編程要將傳統(tǒng)課程知識(shí)進(jìn)行項(xiàng)目化，并進(jìn)行項(xiàng)目的課程化改進(jìn)，雙向改進(jìn)使得項(xiàng)目和教學(xué)整合， 要遵循項(xiàng)課程項(xiàng)目化，項(xiàng)目課程化和“做教學(xué)”一體化等原則。

目前在Python編程講授過程中，學(xué)生表現(xiàn)出專業(yè)基礎(chǔ)薄弱，片面，知識(shí)脈絡(luò)模糊。教學(xué)過程中知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中思維不連貫，不利于學(xué)生形成系統(tǒng)的思維結(jié)構(gòu)。這不利于學(xué)生使用Python很好地完成項(xiàng)目，從而影響教學(xué)的效果。在當(dāng)前的教學(xué)的過程中，或注重理論知識(shí)教學(xué)，或注重項(xiàng)目本身，忽視了項(xiàng)目和教學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系。以往的以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，沒有深入地挖掘到Python的工程性、項(xiàng)目性和創(chuàng)新性，學(xué)生掌握的知識(shí)點(diǎn)相對獨(dú)立、松散，在教學(xué)過程中知識(shí)點(diǎn)間銜接不夠緊密，從而導(dǎo)致課堂教學(xué)質(zhì)量不高。

3 課程設(shè)計(jì)與改革方案

3.1 調(diào)整現(xiàn)有教學(xué)計(jì)劃和課程體系

結(jié)合當(dāng)今社會(huì)需求和新工科建設(shè)發(fā)展的需要，在現(xiàn)有電子信息工程專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中增加Python課程的同時(shí)，需要注意Python課程與原有其他課程之間的聯(lián)系，確保教學(xué)計(jì)劃的系統(tǒng)性。新工科背景下電子信息工程在大學(xué)第一學(xué)期開始了C語言課程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)思維，編程思維和硬件思維，以便于學(xué)生接下來的專業(yè)分流。再接著引入Python 課程和面向?qū)ο蟮腏ava語言。在學(xué)習(xí)了Python和C語言的基礎(chǔ)之后，培養(yǎng)方案中增加了人工智能和大數(shù)據(jù)方向的專業(yè)選修課，可以讓學(xué)生盡早接觸科研和企業(yè)項(xiàng)目。根據(jù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向和個(gè)人興趣選擇基于Python的高級應(yīng)用、數(shù)據(jù)抓取、游戲開發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等課程的學(xué)習(xí)。形成相對完整的基于Python的應(yīng)用開發(fā)課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力增強(qiáng)軟件工程開發(fā)和管理經(jīng)驗(yàn)，滿足新工科建設(shè)中對大數(shù)據(jù)和人工智能領(lǐng)域的人才需求。

3.2 統(tǒng)籌Python程序設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容

首先針對Python編程的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，其中包括：數(shù)據(jù)類型，控制結(jié)構(gòu)于函數(shù)和模塊與包。在這個(gè)過程中結(jié)合具體的項(xiàng)目對基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，使得學(xué)生能掌握Python面向過程編程的方法。接著引入項(xiàng)目中存在的問題和傳授如何解決問題，其中包括文件系統(tǒng)管理，調(diào)試與測試，進(jìn)程與線程、Numpy科學(xué)計(jì)算、可視化編程和機(jī)器學(xué)習(xí)等問題。通過引入工程實(shí)例介紹常見問題的分析和側(cè)重點(diǎn)關(guān)注。

下一步根據(jù)學(xué)生感興趣的方向進(jìn)行分流引導(dǎo)，在后期的課程中引入Web開發(fā)、網(wǎng)站爬蟲、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等方向。 由于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和知識(shí)掌握情況有差異，需要根據(jù)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分組，逐步完善和優(yōu)化創(chuàng)新課程教學(xué)新模式。對未來的課程，將根據(jù)學(xué)生選擇的感興趣方向進(jìn)行興趣引領(lǐng)和實(shí)戰(zhàn)開發(fā)，把該方向上所需知識(shí)和知識(shí)框架進(jìn)行介紹，使學(xué)生明確方向和擴(kuò)展其知識(shí)面，為學(xué)生自學(xué)和系統(tǒng)培養(yǎng)做好引導(dǎo)作用。

3.3 采用“交互式學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法

突破傳統(tǒng)教學(xué)方法，采用交互式項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，增加學(xué)生的實(shí)踐能力。高校應(yīng)運(yùn)用自動(dòng)化教學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的教學(xué)方法。通過技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在網(wǎng)頁上交互式編程，不需要進(jìn)行環(huán)境部署，降低上手門檻。這種方式有利于提高學(xué)生對基礎(chǔ)知識(shí)的掌握的效率，實(shí)時(shí)解決其編程中遇到的問題，提升學(xué)生的體感和效果。

以情景交互法為基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中創(chuàng)建貼近學(xué)生在實(shí)際工程項(xiàng)目的場景，以便于教學(xué)和將知識(shí)和現(xiàn)實(shí)中的技術(shù)結(jié)合在一起[5]。以“項(xiàng)目需求+項(xiàng)目設(shè)計(jì)+代碼實(shí)現(xiàn)+調(diào)試開發(fā)”的形式，幫助學(xué)生掌握項(xiàng)目實(shí)施的整個(gè)流程，并有能力運(yùn)用Python實(shí)現(xiàn)流程。以筆者在Python 的教學(xué)過程為例。在課程初期，通過前期的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生對工業(yè)機(jī)器視覺[6]表現(xiàn)出濃厚的興趣。由于涉及的知識(shí)面比較多，包括圖像處理，機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)值計(jì)算和可視化，因此在整個(gè)課程過程中，貫穿了Python知識(shí)在這幾個(gè)方面的應(yīng)用。理論課上，把基礎(chǔ)知識(shí)講解和同這些方面的項(xiàng)目演示相結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容上，以綜合題，附加題的形式，使用科研或者工業(yè)界的真實(shí)數(shù)據(jù)，設(shè)置具有一定難度的題目，范圍覆蓋工業(yè)界常見的機(jī)器視覺的真實(shí)需求。由于真實(shí)的項(xiàng)目比較復(fù)雜，需要分解和簡化需求，把學(xué)生分成小組，多個(gè)小組分工合作完成整個(gè)項(xiàng)目。 綜合題和附加題都會(huì)在課后講解或者以視頻的形式供同學(xué)們后續(xù)自學(xué)參考。學(xué)期末，絕大部分同學(xué)反映學(xué)到了實(shí)實(shí)在在的能力，主要原因就是親身經(jīng)歷了工業(yè)界應(yīng)用場景，認(rèn)為課程所學(xué)能幫助自己勝任將來的工作。

4 結(jié)論

當(dāng)下，我國正處在科學(xué)，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的時(shí)期、新知識(shí)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，人工智能是大勢所趨。新工科建設(shè)背景下的高教改革，計(jì)算機(jī)和人工智能應(yīng)給予更多的關(guān)注。Python編程不斷在發(fā)展中，其工程性、項(xiàng)目性和創(chuàng)新性都會(huì)成為接下來的發(fā)展方向。因此靈活運(yùn)用Python開發(fā)工具與創(chuàng)新方法求解問題，對于工科類學(xué)生培養(yǎng)具有重要作用。隨著教育改革的不斷推進(jìn)、新工科建設(shè)會(huì)進(jìn)一步深化，以實(shí)踐能力為主的工科專業(yè)要把握不同學(xué)科間的相互滲透、交叉和綜合的趨勢，為新工科背景下復(fù)合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)進(jìn)行探索與實(shí)踐提供了借鑒。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2021-03-20

基金項(xiàng)目：該文的工作和相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐得到了基金項(xiàng)目“面向深度學(xué)習(xí)的卓越AI人才培養(yǎng)體系探索與實(shí)踐”（編號E-RGZN20201035）的支持

作者簡介：何志權(quán)（1978—），男，湖南邵陽人，講師，博士，主要研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)和多媒體信息處理;藍(lán)旭佳（1997—），男，廣東潮州人，在讀碩士研究生，主要研究方向：深度學(xué)習(xí)圖像處理;曹文明（1965—），男，江蘇洪波人，教授，博士，主要研究方向：多媒體信息處理、模式識(shí)別和人工智能算法研究。