盛冠群 趙美林 劉忠途 鄭悅林 姜艷靜 湯婧

1.三峽大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院(大數(shù)據(jù)中心) 湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)理學(xué)院 湖北宜昌 443002

人工智能作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，受到了高度關(guān)注，也成為高校重點(diǎn)的建設(shè)的課程之一。大量開源的Python程序庫(kù)極大地推動(dòng)了人工智能的發(fā)展，使之成為研究人工智能的首選語(yǔ)言。因此，探索人工智能背景下《Python教學(xué)課程》教學(xué)改革不僅意義重大，也符合當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)及專業(yè)的人才培養(yǎng)導(dǎo)向，對(duì)提高“Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)質(zhì)量，提升大數(shù)據(jù)專業(yè)學(xué)生的解釋復(fù)雜實(shí)際工程問題的能力，適應(yīng)新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)至關(guān)重要。

1 課程教育現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 學(xué)生對(duì)Python編程的認(rèn)知不足

Python語(yǔ)言輕便、易讀的特點(diǎn)，使之在許多高校逐漸取代C語(yǔ)言，成為新生了解計(jì)算機(jī)編程的第一門編程語(yǔ)言。但是，對(duì)于剛剛來到大學(xué)的大一新生而言，往往對(duì)計(jì)算機(jī)編程的認(rèn)識(shí)不足。他們沒有接觸到專業(yè)核心課，也沒有足夠的社會(huì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)編程的作用沒有足夠的體會(huì)，無(wú)法完成從傳統(tǒng)思維模式向計(jì)算機(jī)編程思維模式的轉(zhuǎn)變，久之就會(huì)產(chǎn)生明顯的挫敗感。特別是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，他們認(rèn)為只有計(jì)算機(jī)類的學(xué)生才會(huì)用到計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，自己不會(huì)從事計(jì)算機(jī)編程這個(gè)行業(yè)之中來，對(duì)計(jì)算機(jī)編程的學(xué)習(xí)積極性不高。教學(xué)內(nèi)容理論和工程實(shí)際結(jié)合不夠緊密，學(xué)生容易產(chǎn)生“為什么學(xué)”“學(xué)什么”和“如何靈活應(yīng)用”等困惑。

1.2 教學(xué)模式和教學(xué)方法

計(jì)算機(jī)編程思維的訓(xùn)練和養(yǎng)成需要在不斷地動(dòng)手實(shí)踐中獲取。然而傳統(tǒng)教學(xué)模式往往是理論教學(xué)中以教師講授為主，學(xué)生主動(dòng)參與和互動(dòng)不夠充分。以循環(huán)結(jié)構(gòu)中的for循環(huán)和while語(yǔ)句為例，單純的理論講解難以讓學(xué)生切實(shí)地感受到兩種循環(huán)模式的異同，更不能讓學(xué)生深刻而生動(dòng)地理解“死循環(huán)”。這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的自主性，不利于培養(yǎng)“創(chuàng)新型”人才。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)往往以編程“填空”為主，需要在給出提示或者部分編程語(yǔ)句的情況下，讓學(xué)生補(bǔ)齊缺失語(yǔ)句。這種上機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以讓學(xué)生真正地完成一段代碼的編寫，對(duì)學(xué)生“工程化思想”的培養(yǎng)不夠，許多學(xué)生在沒有提示的情況下根本無(wú)從下手，不利于培養(yǎng)“應(yīng)用型人才”。

因此，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)Python編程的積極性和認(rèn)知，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手編程的能力，是目前Python教學(xué)過程中亟待解決的問題。本文將從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式四個(gè)方面開展研究。

圖1 Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程改革模式

2 課程教學(xué)改革探究

2.1 教學(xué)目標(biāo)改革

(1)課程思政建設(shè)。將中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育、“兩彈一星”和“大國(guó)工匠”精神等內(nèi)容融入Python的教學(xué)過程設(shè)計(jì)之中，以充分發(fā)揮Python的隱性思政的作用。結(jié)合我國(guó)在大數(shù)據(jù)、人工智能領(lǐng)域取得的重要成就，樹立其愛國(guó)情懷、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)Python編程的動(dòng)力。

例如，教師可以在強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的培養(yǎng)過程中，將《孫子算經(jīng)》中經(jīng)典的“雞兔同籠”“百元買百雞”等問題引入課堂，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考和求解的積極性。既可以使學(xué)生了解我國(guó)古代優(yōu)秀的思想，又可以啟發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷地思考如何將數(shù)學(xué)思維轉(zhuǎn)變成編程邏輯思維。在講解循環(huán)和數(shù)組的過程中，可以通過“楊輝三角”的例子，讓學(xué)生了解中國(guó)古代的優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，增強(qiáng)民族自豪感。

(2)參照“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)課程。以打造金課為目標(biāo)，以“一流課程”建設(shè)背景為根本出發(fā)點(diǎn)，在“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)的指引下，旨在通過Python課程的改革，培養(yǎng)具有大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)背景的高階應(yīng)用型、復(fù)合型“新工科”人才。

“高階性”是知識(shí)能力素質(zhì)有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜為題的綜合能力和高級(jí)思維。在課程教學(xué)中，結(jié)合“新工科”要求和新版大綱制定，優(yōu)化并完善課程體系建設(shè)，豐富教學(xué)案例庫(kù)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)過程中復(fù)雜工程問題的能力。

“創(chuàng)新性”要求課程內(nèi)容反映前沿性和時(shí)代性，教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化。目前，人工智能作為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，廣受關(guān)注。Python語(yǔ)言作為人工智能的首選語(yǔ)言，在課程建設(shè)過程中，可以圍繞人工智能中的經(jīng)典案例開展。例如，“MNIST”手寫體識(shí)別案例涵蓋了Python學(xué)習(xí)過程中列表構(gòu)建、函數(shù)調(diào)用、模塊引入等多個(gè)環(huán)節(jié)。但是以上知識(shí)點(diǎn)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中，可能理解不夠深入，也與學(xué)生日常的生活過程有一定距離。這樣我們就可以通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成，使學(xué)生提高Python編程能力，了解目前學(xué)術(shù)的研究前沿。

“挑戰(zhàn)度”要求課程有一定難度。在授課過程中，可以設(shè)置有一定難度的開放型題目，引導(dǎo)學(xué)生參與討論，激發(fā)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 教學(xué)內(nèi)容改革

作為人工智能的基礎(chǔ)，Python語(yǔ)言對(duì)實(shí)現(xiàn)人工智能的快速入門至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)兩者有效銜接，本項(xiàng)目從以下三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容改革。

(1)通過人工智能領(lǐng)域知識(shí)的導(dǎo)入，使學(xué)生明確人工智能是Python語(yǔ)言學(xué)習(xí)的未來目標(biāo)之一，明確學(xué)生的學(xué)習(xí)目的，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)Python學(xué)習(xí)的動(dòng)力。例如，在模塊引入方面，可以通過介紹TensorFlow的調(diào)用方式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)import語(yǔ)句的使用方法。同時(shí)，通過介紹TensorFlow的安裝，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用Anaconda創(chuàng)建Python虛擬環(huán)境的過程，進(jìn)一步提升學(xué)生Python課程的動(dòng)手能力。

(2)通過線下進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)與人工智能實(shí)例的演練，結(jié)合教師自身在人工智能方面的科研成果，提高學(xué)生在Python學(xué)習(xí)中解決人工智能領(lǐng)域問題的能力。例如，教師可以通過讓學(xué)生了解如何使用Python實(shí)現(xiàn)諸如指紋識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別、邏輯回歸等人工智能領(lǐng)域經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)Python的動(dòng)力，拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，為最終培養(yǎng)具備工程意識(shí)和解決復(fù)雜工程問題的未來工程師奠定基礎(chǔ)。

(3)借助國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)(www.ilab-x.com)，開展人工智能復(fù)雜應(yīng)用。通過模擬深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際復(fù)雜問題中的應(yīng)用，拓展學(xué)生的科研視野，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索與解決實(shí)際問題的能力，引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)人工智能的相關(guān)原理，了解人工智能領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展。

2.3 教學(xué)方法改革

2.3.1 以問題為驅(qū)動(dòng)開展線上線下混合式教學(xué)

授課之前，針對(duì)課程內(nèi)容設(shè)定相應(yīng)的學(xué)習(xí)問題，并按照課程時(shí)間分階段地提交給學(xué)生自主學(xué)習(xí)，同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生通過翻轉(zhuǎn)教學(xué)、MOOC等全新的學(xué)習(xí)模式或方法開展豐富的自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，以補(bǔ)充傳統(tǒng)課程的缺陷。

課上，依據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的情況，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)形成性評(píng)價(jià)，有針對(duì)性地推動(dòng)被動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)生培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，助力全班形成自主學(xué)習(xí)的大環(huán)境。同時(shí)，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)將知識(shí)覆蓋到整個(gè)項(xiàng)目中，并利用Educoder、Python123等技術(shù)平臺(tái)，通過實(shí)踐進(jìn)行應(yīng)用以達(dá)到理論知識(shí)和實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

課后，結(jié)合課前與課堂上的反饋，對(duì)課堂目標(biāo)進(jìn)行達(dá)成度評(píng)價(jià)。

圖2 混合式教學(xué)

2.3.2 開展學(xué)習(xí)社交化分析

作為檢驗(yàn)在線學(xué)習(xí)效果的因素之一，進(jìn)行學(xué)習(xí)資源社交化對(duì)在線學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)習(xí)者得到提高，也可以幫助教師較好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。依托對(duì)學(xué)生間、師生間通過討論建立的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)開展社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析，及時(shí)掌握學(xué)生討論的程度，并積極引導(dǎo)學(xué)習(xí)者去討論思考，鼓勵(lì)學(xué)生之間積極討論，發(fā)表個(gè)人觀點(diǎn)，通過互相交流來解決問題。教師的引導(dǎo)，使學(xué)習(xí)者盡快適應(yīng)在線交互，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.4 課程考核改革

2.4.1 利用在線課程測(cè)評(píng)，注重對(duì)學(xué)習(xí)過程的考核

將MOOC課堂的在線測(cè)試，貫徹于學(xué)生學(xué)習(xí)的整個(gè)過程中。在此基礎(chǔ)上，教師可以及時(shí)地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，特別是根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，有意識(shí)地推進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)展。

2.4.2 以學(xué)生為中心，有針對(duì)性設(shè)計(jì)不同的考核辦法

教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)或動(dòng)手能力，有針對(duì)性設(shè)計(jì)不同的考核辦法。針對(duì)學(xué)習(xí)情況好、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，教師可以積極安排這部分學(xué)生參與自己的科研項(xiàng)目，鍛煉其解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的能力。在此基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生參加競(jìng)賽類項(xiàng)目，拓展這部分學(xué)生的學(xué)習(xí)視野。針對(duì)極少數(shù)動(dòng)手能力一般的學(xué)生，則可以借助完成簡(jiǎn)單的Python程序課設(shè)，使其能夠具備基礎(chǔ)的Python編程能力。

結(jié)語(yǔ)

文章分析了“Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”現(xiàn)階段教學(xué)過程中存在的問題，探討了人工智能背景下該課程改革的思路，可以為高?！癙ython語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程改革提供借鑒。