“Python語言及其應用”項目化課程的改革與實踐

沈翠新

（深圳職業技術學院 人工智能學院，廣東 深圳 518055）

關鍵字：Python語言及其應用；項目化課程；改革與實踐

教育部吳巖司長在《建設中國“金課”》一文中提到：課程是人才培養的核心要素，學生從大學里受益最直接、最核心、最顯效的是課程，要“消滅水課、打造金課”．打造金課，要充分重視課堂教學這一主陣地，努力營造課堂教學熱烈氛圍．要合理運用現代信息技術手段，要抓好虛擬仿真實驗實訓項目建設，開辟“智能教育”新途徑[1]．關于“金課”的定義，吳巖司長提出了“兩性一度”的評價標準，即高階性、創新性和挑戰度．與之相反的“水課”是指低階性、陳舊性和不用心的課．吳巖司長對“金課”的理解，更多的是對本科院校的強調．高職院校“金課”如何定義？從目前來看，高等職業教育的“金課”要更多體現實踐性、問題與任務雙導向性、與時俱進的現實性，就是學生愿意參與有啟發、有收獲、有提升的課堂，教師肯投入，有針對性、有豐富內涵、有成就感的課堂．

《Python語言及其應用》是大數據技術與應用、軟件技術、云計算和計算機應用專業的核心課程，是人工智能學院的院級平臺課程．在該課程的學習過程中，以編程實踐操作解決實際生活問題為主，讓學生更好的學習和掌握Python語言的關鍵技術，培養學生分析和解決實際問題的能力，強化學生的職業道德意識、職業素養意識和創新意識，為學生以后從事人工智能相關工作奠定基礎．

本文以《Python語言及其應用》課程中的綜合實訓項目（16學時）為例，介紹該課程項目化建設的改革與實踐，事實證明，課程的改革取得了良好的效果．

1 教學模式的構建

《Python語言及其應用》課程面向高職院校大數據、人工智能、計算機等相關專業大二上學期的學生，他們在前期程序設計基礎類課程中已經學習了基本的編程方法，能夠編寫簡單的程序，有一定的程序設計知識和技能基礎，他們課堂參與度高，團隊協作能力強，對人工智能技術感興趣，動手實踐能力強，但編程思維和解決問題能力較弱[2][3]．基于課程面向對象的學情特點，明確課程的目標，精心設計課程的項目和載體、制定相應的教學策略．

1.1 對接標準，精選項目載體

結合大數據專業人才培養方案、《Python語言及其應用》課程標準，參照“Python軟件開發工程師”工作崗位能力要求，對接“Python程序開發”1+X職業技能等級證書標準，參考國規教材《Python語言及其應用》，以鍛煉學生編程思維為目標，選定課程的總體教學內容．課程共分為5個單元，分別為走進python、程序的控制結構、復合數據類型、文件與異常處理、綜合實訓5個教學單元．每個單元由若干個互相聯系和遞進的任務組成，在任務的實習過程中學習和理解理論知識，鞏固程序編寫能力．

好的教學項目能提升學生的學習興趣和積極主動性，教學項目的選取應遵循以下三個原則：

技術先進性原則：項目的選取要緊跟專業技術的更新和發展，使學生在學習和實訓過程中能夠緊跟業界技術前沿，主動學習探索．

貼進生活化原則：項目的內容要貼進學生的生活，使學生在項目中感受到樂趣，激發學生的學習欲望，在項目選取時要緊貼實際生產生活，項目要有明顯的感知效果，這樣學生才愿意自主學習．

難易可擴展原則：項目的選擇應適合對學生開展分層教學，可以把項目分為基本任務和拓展任務．大多數學生能夠通過課內、在老師的帶領下完成基本任務，少數同學通過查閱課外資料、獨立自主、創新性完成拓展任務．

本文以第五個教學單元為例，介紹課程的改革與實踐情況．單元五為“綜合實訓”，教學項目選擇門禁系統的設計與實現，主要教學內容是基于百度 AI的人臉識別技術，應用于門禁系統中，實現人臉檢測、搜索、對比和身份驗證，因此將綜合實訓項目劃分為單臉檢測、多臉檢測、人臉搜索和身份驗證4個任務，如圖1所示．

圖1 教學項目載體

1.2 德業并進，明確教學目標

結合《Python語言及其應用》課程標準與python軟件工程師崗位能力要求，確定每個單元的知識、技能和素質三維目標，基于崗位能力要求確定教學重點，根據學情分析確定每個單元的難點．在對以往畢業生和企業調查中發現，第五單元的知識難度較大，但是培養了學生編程的邏輯思維能力，在實際工作中特別重要．

本單元的總體教學目標為：合理利用所學的程序結構及結構化程序設計方法，充分利用字典、列表等理論知識，結合百度 AI人臉識別的技術文檔資料，開發集人臉識別、人臉搜索、身份識別和語音播報為一體的人臉識別門禁系統，測試運行后把程序部署到機器人上，能夠在機器人上進行展示．在程序的開發過程中，培養學生邏輯思維能力、分析問題和解決問題的能力，養成嚴謹、細致、認真負責的職業素養，同時注重關注技術前沿和學習新知識的能力，如圖2所示．

圖2 第5單元的教學目標和重難點

教學重點：（1）結構化程序設計方法（2）復合數據類型的綜合應用（3）百度AI的相關方法的使用（4）培養學生分析問題、解決問題的能力．

教學難點：（1）綜合應用三種基本結構，也是程序設計課程的難點（2）靈活應用復合數據類型（3）熟練掌握程序的斷點調試技巧（4）靈活應用百度AI平臺的方法解決實際問題．

1.3 理念先行，制定教學策略

本項目以基于百度 AI的人臉識別項目為載體，遵循“以學生為中心”的教學理念和線上線下混合式教學模式，將課程教學設置為課前、課中、課后三個階段，課前讓學生學起來，課上讓學生動起來，課后讓學生練起來．

任務實現過程中，采用項目引領、任務驅動教學法，結合學情，體現技術先進性、緊跟業界技術前沿，培養學生關注技術前沿和學習新知識的能力．同時，混合式教學、現場編程、合作探究、任務驅動等教學方法的綜合運用，落實課程思政，將工匠精神融滲教學全過程，用勞動和愛國教育筑牢立德樹人基石，促進教學目標的達成，最終通過多元評價體系，實現全員、全過程、全方位育人．

另外，課程采用學習通在線教學平臺和一體化智慧教室構建線上線下混合式教學環境，整合網絡教學資源和自有資源，自主研發Python課程闖關小游戲，借助技術文檔和多元信息化教學應用如碼云（高校版）、學習討論群、思維導圖工具、協作辦公軟件金山文檔等，搭建“有用、有趣、有效”的互聯網+智慧教學課堂，如圖3所示．

圖3 課程總體教學策略

2 教學過程的實施

2.1 對接崗位，“沉浸式”角色扮演引領教學實施

在現實生活中，門禁系統的人臉識別任務由以下幾個環節組成，先用攝像頭捕捉人臉的圖片，根據圖片進行人臉信息檢測，如果存在人臉信息，將檢測結果與數據庫的人臉信息進行對比，搜索出符合條件的人員信息，進行身份驗證，使用語音播報結果．在疫情期間，除進行人臉信息檢測外，還需要進行是否佩戴口罩的檢測，如圖4所示．

圖4 門禁系統的工作流程

人臉識別應用綜合實訓單元，基于百度 AI“人臉識別”相關技術，根據人臉識別的過程和門禁系統功能實現流程，按照任務的由易到難，知識點由簡到繁劃分為四個任務，分別是單臉檢測功能實現、多臉檢測功能實現、人臉搜索功能實現和身份識別功能實現，課程遵循“以學生為中心”的理念．在每個任務的實施過程中，按照軟件開發流程引導學生分步完成，由任務分析、明確需求、軟件設計、程序編碼、測試運行、任務改進6個步驟構成完整的軟件生命周期，在任務實現過程中，學生沉浸在軟件全生命周期的各個角色中進行真實操作實訓，體驗了企業一線工作崗位的能力需求和職業素養，在實訓過程中學知識、練思維、漲技能、拓能力．在任務分析中，重在激發學生對新知識新技能學習的熱情和培養學生自主學習能力．

2.2 多措并舉，“六環節”實施單次課教學

以“人臉搜索”任務實現為例，采用線上線下混合式教學模式，實施課前課中課后教學，遵循“以學生為中心”的理念組織教學，如圖5所示．

圖5 總體教學實施

2.2.1 課前明確目標，積極參與

教師發布線上學習資源和任務相關資料，引導學生綜合復習應用相關知識．學生了解任務背景，閱讀百度 AI人臉搜索方面的技術文檔，制定任務實施方案，最后在平臺上完成課前測并進行自我評價．通過課前任務增強學生學習主動性，教師根據課前任務的學習情況及時調整教學策略．

2.2.2 課中方法得當，學有所獲

結合學情特點和Python開發崗位要求，“做中教，做中學”教學模式，聚焦重點、突破難點，基于項目引領、任務驅動，按照軟件開發流程引導學生分步完成．課程開始邀請學生展示優秀作業，同時教師總結課前討論和課前測題目．接下來結合完整的軟件生命周期組織“任務引出、任務分析（需求分析）、軟件設計、程序編碼、測試運行、任務改進”六個教學環節．

第一個環節：任務引出

教師發送“人臉搜索”任務單，下達任務要求，學生領取并明晰任務．

第二個環節：任務分析

確定人臉搜索功能需求以及所需要的關鍵知識．教師組織觀看疫情期間某大學刷臉門禁工作視頻和公安部利用 AI技術打拐的視頻，融入科技助力生活，落實課程思政．通過演示動畫，結合生活情景的案例，組織學生進行人臉搜索功能需求方案的討論，學生以小組為單位，并制定需求方案，教師以問題引導方式，帶領學生梳理完成任務所需要的關鍵知識點，同學在回答問題的同時邏輯上已理清完成任務步驟及關鍵技術．

第三個環節：繪制流程圖

學生分組繪制流程圖，教師巡視指導，組織學生以小組為單位提交作品到學習通平臺，通過展示、互評，引導學生找出錯誤流程圖的不足，做到精益求精，不能將就，教師點評繪圖易錯點，最后確定正確的流程圖，完成軟件設計環節．

第四個環節：現場編程

按照最終設計的流程圖完成軟件編碼．學生結合技術文檔編寫程序并測試，教師巡視指導、解答疑問、糾正錯誤．進展順利的同學協助其他同學進行程序的編寫和調試．本環節鍛煉學生的程序編寫技能，鍛煉學生程序排錯技能，再現程序員必備技能，同時要進行軟件開發規范的職業素養教育．最后同學們要把遇到的錯誤及解決方法上傳到學習通的錯誤交流區，不斷豐富課程的錯誤庫，以備將來同學們的查閱．

第五個環節：測試運行

教師組織學生進行組間測試，引導學生實施完備正確的軟件測試，并記錄好程序 bug，最后學生以小組為單位匯報提交測試結果，教師對測試結果進行總結．每個小組根據測試結果對程序進行修改完善并再次測試運行，確保編寫完成了正確的軟件．

第六個環節：任務拓展

教師演示功能完成的軟件，引導學生思考討論，如何使輸出結果更為直觀生動？如何封裝已完成的功能？通過問題引導，提出改進任務，如何把找到的人臉結果信息顯示的屏幕上，通過百度AI語音模塊進行結果展示．學生完成任務改造，調試運行，作品上傳到“碼云”平臺．

最后，教師進行小結，學生進行作品展示，師生一起討論反思．

整個課堂的任務實施過程中，貫徹學知識、練思維、漲技能、拓能力，提升學生實踐積極性，加強師生互動、小組協作，避免了簡單的單一枯燥講授，有效突破重難點．

2.2.3 課后拓展總結，穩步提升

在學習通平臺發布拓展任務，分組協作完成真實軟件開發任務，深入產教融合，提升職業能力與素養．學生積極參與課后測試和拓展任務的開發，把所學知識綜合應用于有趣正能量案例．教師根據學生的參與和任務完成情況，分層關注各個學生實踐學習效果，完成教學反思，及時調整教學策略并進行改進．

2.3 潤物無聲，落實課堂思政

全國高校思想政治工作會議精神指出:要把思想政治工作貫穿教育教學全過程，推動“思政課程”向“課程思政”轉變，挖掘梳理各門課程的德育元素，完善思想政治教育的課程體系建設，充分發揮各門課程的育人功能，實現學院全程育人、全方位育人和全員育人的大思政格局．在本課程中，教學內容的選取融入時政案例，以新冠肺炎疫情為背景，介紹減少人與人接觸的技術手段，模擬人臉識別身份驗證實戰開發，在教學過程中無縫滲透“愛國敬業、科技創新、工匠精神、勞動精神”等課程思政元素．從教學資源準備、任務設計、教學實施、課后總結各項教學活動過程中，實現知識與能力并重、學識與品格并重的教學模式，如圖6所示．

圖6 課程思政設計

2.3.1 弘揚愛國情懷

在課程的開始，介紹人臉識別與檢測技術在各行各業的應用，同時強調中國是將人臉識別技術應用最廣泛的國家，體驗我國科技發展的成績，培養學生的愛國情懷，提升學生的國家自豪感．在授課過程中，也會把社會主義價值觀穿插在課程內容中，使學生發自內心的感覺到國家的強大．

2.3.2 培養勞動精神

在課程教學過程中，穿插人工智能技術發展過程的典型故事和事例，讓學生體會技術的發展是由廣大辛勤勞動的工程師努力得來的結果；學生在離開實訓室之前，必須整理好實訓的設備并擺放整齊，包括電腦、機器人等，收拾好自己的工位才能離開．

2.3.3 養成職業素養

在教學過程中，要求學生隨時隨地編寫文檔，養成良好的文檔撰寫能力；在軟件編碼的過程中，強調程序的可讀性、維護性，用戶界面的友好性，養成良好的編程習慣[4]；在軟件工程和數據領域中，學生的安全意識和責任意識特別重要，因為數據泄露會給企業和國家造成不可挽回的經濟損失[5]，在課程中，通過安全事故的案例，反思分析，提高學生的安全和責任意識．通過文檔、編程習慣、安全和責任意識培養學生良好的職業素養．

2.3.4 塑造工匠精神

“工匠精神”是升華后的職業精神[6]．計算機具有行業發展快、技術更新迅速的特點，因此高職學生的工匠精神主要包括：需要具備創新意識和創新能力，掌握新技術，善于創造，并且工于專技、忠于崗位．將”新技術、新工藝、新技能“融入到課程教學的各個環節中，鼓勵學生參加創新創業大賽等，培養學生的創新精神．只有在計算機專業教育中融入工匠精神”的培育，學生才會在未來的職業發展中更加自覺地提升自身實踐能力，做好本職工作．

3 全方位評價體系的建立

針對教學目標，以教學過程為主線，設計以過程評價和終結評價結合的多元全過程教學評價體系．

將本綜合實訓單元的4個任務的考核測評量化，課程成績由“課前學習、課中學習、課后學習”三方面構成，改變原來單一的由“任課老師”給分的單一評價體系，采用“平臺自動生成、教師評價、學生互評和企業教師評價”全方位的學習效果評價途徑，能更客觀的評價學習效果，同時也有助于培養學生自主學習的能力和踏實的學習風氣．

每個任務的評價采取“課前、課中、課后”（全過程）相結合，課中的成績要由平臺、學生、老師針對軟件開發的各個步驟進行知識內容、技能操作、職業素養等全方位評價，如圖7所示．

圖7 教學評價設計

各評價主體的分數占比如下：

4 教學成效

1）選用技術先進、業界應用廣泛的人臉識別技術，搭載人臉識別綜合應用案例，學生學習興趣濃厚．通過教學全過程的信息采集和統計分析，發現學生學習積極主動，課程參與度高，學習通平臺訪問量較以往有了很大的提高，課后作業的完成度在95%以上，學習效果明顯提升．

2）采用混合式教學，線上與線下相結合，課前、課中與課后相結合．利用學習通平臺，學生可以隨時隨地進行課前預習、課后知識復習、鞏固拓展提高；課中學生沉浸在軟件全生命周期的各個角色中進行真實操作實訓，體驗了企業一線工作崗位的能力需求和職業素養，產教融合，教學一體，提升了學生職業能力與勞動素養，充分調動了學生的主觀能動性．以學生為主體，結合先學后教、難點教學，有助于學生及時消化和吸收知識點；虛實融合，理實一體，實時教學評價，促使學生主動構建、思考和實踐，提升職業技能，培養可持續發展的潛力．

3）學生課程設計作業的完成度和完整度比以往有了質的飛躍，近一年，學生參加各類專業技能大賽并獲得優秀成果：計算機設計大賽省級一等獎1項，二等獎2項，三等獎2項；大數據技術與應用技能大賽省級一等獎2項，省級二等獎1項；人工智能技能大賽，省賽一等獎1項．