詹惠華 邢飛軍

【摘要】筆者以《大數(shù)據(jù)處理》這節(jié)課為例，以培養(yǎng)學生的計算思維為導向，設計了以下一套Python編程課堂的教學設計思路，有效開展教學，在日常Python編程課堂教學中培養(yǎng)學生良好的問題求解思維以及抽象、認知、構造和遷移的能力，有效發(fā)展計算思維。

【關鍵詞】計算思維;Python編程;大數(shù)據(jù)處理

一、引言

培養(yǎng)中小學生計算思維，是我們信息技術學科的重要關注點。Python編程語言作為廣州初二新教材的重要部分，對培養(yǎng)學生的計算思維、抽象理解能力、設計思維都起著重要作用。筆者采用的教學案例是《大數(shù)據(jù)處理》這一節(jié)課，主要原因是這節(jié)課涉及人工智能領域的大數(shù)據(jù)分析、KNN算法，對老師的教、學生的學都存在一定難度，因此筆者以本課作為案例，以培養(yǎng)學生的計算思維為導向，引導學生用計算機科學的基礎概念來分析問題和解決問題，幫助學生增強學習Python編程的信心與決心。

二、教學案例分析

《大數(shù)據(jù)處理》這節(jié)課選自廣州市信息技術教科書初中第二冊第2章《程序設計初步》第6節(jié)，是一節(jié)Python的應用課，主要內容是分析大數(shù)據(jù)的一般過程、安裝第三方庫的方法、機器學習的KNN算法及其簡單應用。筆者以認識水果為主線，借助英荔AI訓練平臺，在具體的體驗和實踐中去解決問題。

（一）教學目標、重難點

1.通過補充、優(yōu)化、完善程序，自學學習任務單、教材、動畫、視頻等學習資源，知道從sklearn導入KNN分析模型的命令以及第三方庫安裝的方法，了解KNN算法及其簡單應用，感受編程解決問題的樂趣。

2.通過體驗AI訓練平臺，小組合作探究大數(shù)據(jù)分析的一般過程，感受人工智能的價值。

教學重點：分析大數(shù)據(jù)的一般過程、從sklearn導入KNN分析模型的命令。

教學難點：KNN算法的工作原理。

（二）教學過程

第一個環(huán)節(jié)是創(chuàng)設情境，明確問題。首先我以亞馬遜水果分揀平臺為情境提出問題：機器如何認識水果？引發(fā)學生思考。接著展示AI訓練平臺，為每個小組提供真實的蘋果和橙子，邀請同學們借助平臺去體驗機器認識水果的過程。通過借助平臺界定問題，明確大數(shù)據(jù)分析的三大步驟。

第二個環(huán)節(jié)是搭建支架，分析問題。

筆者使用希沃平臺“知識配對”為學生搭建支架，邀請學生上臺梳理分析大數(shù)據(jù)的一般過程：采集數(shù)據(jù)——訓練數(shù)據(jù)形成模型——使用模型判斷新數(shù)據(jù)，強調重點，并引出學習任務：編寫Python程序，實現(xiàn)簡易的蘋果和橙子分類功能。同時組織小組對程序的算法進行討論，結合學生已有的知識體系，明確本課要解決的關鍵問題是：如何訓練數(shù)據(jù)形成模型？幫助學生將自然語言梳理形成算法，引出KNN算法和第三方庫，形成初步解決方案。

第三個環(huán)節(jié)是建立模型，解決問題。通過編寫從sklearn導入KNN分析模型的命令，補充程序，建立模型，突出重點。通過修改K值，優(yōu)化程序，加深對程序的理解，突破難點。

在任務設計上，筆者通過“問題描述-分析問題——補充程序——命名要求”的步驟分解任務，采用程序挖空的形式讓學生補充從sklearn導入KNN分析模型的命令，將問題聚焦在本課的重點上。

學生自主學習后，為了幫助學生理解程序，筆者結合大數(shù)據(jù)分析的流程圖幫助學生建立大數(shù)據(jù)分析和程序直接的關系，進一步深化重點。并提出疑問：我們年級有個同學對這個程序特別感興趣，在家里運行程序發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這樣的問題：程序出現(xiàn)錯誤提示：No module named scikit-learn，這是為什么呢？

明確本課所學的是第三方庫，在導入使用第三方庫之前我們需要安裝第三方庫，這里筆者會提供安裝體驗動畫，讓學生了解第三方庫的安裝方法，并明確使用第三方庫的一般過程是：明確算法——安裝第三方庫——導入第三方庫，通常情況下第三方庫都有提供官方文檔。根據(jù)第三方庫官方文檔說明，完成自己的需求。通過建立模型，幫助學生解決使用第三方庫的基本問題，為后續(xù)靈活使用第三方庫做好鋪墊。

接著筆者引導學生發(fā)現(xiàn)探究任務上的問題：不管怎么修改判斷的數(shù)據(jù)，結果都顯示為1。引發(fā)學生討論，并布置鞏固任務：嘗試修改K值，結合KNN算法的相關視頻，小組合作探究KNN算法的工作原理。學生在不斷調試中評估算法，優(yōu)化算法與程序。

這里筆者會引導學生觀察結果，分析相同的數(shù)據(jù)（145，0），不同的K值會有不同的結果，啟發(fā)學生大膽思考、表達想法。

在任務一中數(shù)據(jù)記錄為5條，由于k值默認為5，因此判斷的依據(jù)就是離得最近的5個鄰居，也就是當前所有的數(shù)據(jù)，根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)的原則，橙子多于蘋果，所以任務一中不管你修改什么數(shù)據(jù)都判斷為橙子。同理在任務2中，k值修改為3，找到離的最近的是這3個樣本，按少數(shù)服從多數(shù)的原則，結果判斷為蘋果。借用第三方庫，我們也要用好第三方庫，反復調試、測試，使程序自動化效果更好，實現(xiàn)程序優(yōu)化。我們既可以通過調整K值，也可以通過增大訓練數(shù)據(jù)量，使訓練的模型更加成熟，預測結果更加準確。

第四個環(huán)節(jié)是啟迪思維，學以致用。這里筆者會先演示程序：將判斷結果用圖片顯示的效果來完善程序，并介紹使用的算法和第三方庫pillow，引導學生總結可行的問題解決方案，并能夠遷移運用到這個相似的編程問題解決中，進一步完善程序。

最后一個環(huán)節(jié)是提煉總結，感悟本質。通過小測鞏固新知，以評促學;結合流程圖歸納要點，提煉使用第三方庫的一般方法。

三、總結

在Python編程課堂教學中，筆者將計算思維滲透在各個教學環(huán)節(jié)中，幫助學生提高用計算思維的相關特征點去解決復雜問題情境的能力，引導學生解決問題，通過長時間的訓練與實踐，內化學生的思維，培養(yǎng)他們的計算思維能力。當然，計算思維的培養(yǎng)是一個長期的過程，需要不斷探索，努力實踐。

（責任編輯：鄧羽婷）