人工智能背景下“Python語言程序設計”課程改革探索

盛冠群 趙美林 劉忠途 鄭悅林 姜艷靜 湯婧

1.三峽大學計算機與信息學院(大數據中心) 湖北宜昌 443002；2.三峽大學理學院 湖北宜昌 443002

人工智能作為國家發展戰略的核心，受到了高度關注，也成為高校重點的建設的課程之一。大量開源的Python程序庫極大地推動了人工智能的發展，使之成為研究人工智能的首選語言。因此，探索人工智能背景下《Python教學課程》教學改革不僅意義重大，也符合當今大數據時代發展的趨勢及專業的人才培養導向，對提高“Python語言程序設計”課程的教學質量，提升大數據專業學生的解釋復雜實際工程問題的能力，適應新工科建設的人才培養目標至關重要。

1 課程教育現狀及存在的問題

1.1 學生對Python編程的認知不足

Python語言輕便、易讀的特點，使之在許多高校逐漸取代C語言，成為新生了解計算機編程的第一門編程語言。但是，對于剛剛來到大學的大一新生而言，往往對計算機編程的認識不足。他們沒有接觸到專業核心課，也沒有足夠的社會實踐經驗，對計算機編程的作用沒有足夠的體會，無法完成從傳統思維模式向計算機編程思維模式的轉變，久之就會產生明顯的挫敗感。特別是非計算機專業的學生，他們認為只有計算機類的學生才會用到計算機編程語言，自己不會從事計算機編程這個行業之中來，對計算機編程的學習積極性不高。教學內容理論和工程實際結合不夠緊密，學生容易產生“為什么學”“學什么”和“如何靈活應用”等困惑。

1.2 教學模式和教學方法

計算機編程思維的訓練和養成需要在不斷地動手實踐中獲取。然而傳統教學模式往往是理論教學中以教師講授為主，學生主動參與和互動不夠充分。以循環結構中的for循環和while語句為例，單純的理論講解難以讓學生切實地感受到兩種循環模式的異同，更不能讓學生深刻而生動地理解“死循環”。這會導致學生不能充分發揮學習的自主性，不利于培養“創新型”人才。

上機實驗、課程設計等實踐環節往往以編程“填空”為主，需要在給出提示或者部分編程語句的情況下，讓學生補齊缺失語句。這種上機實驗模式難以讓學生真正地完成一段代碼的編寫，對學生“工程化思想”的培養不夠，許多學生在沒有提示的情況下根本無從下手，不利于培養“應用型人才”。

因此，提高學生自主學習Python編程的積極性和認知，增強學生動手編程的能力，是目前Python教學過程中亟待解決的問題。本文將從教學目標、教學內容、教學方法和考核方式四個方面開展研究。

圖1 Python語言程序設計課程改革模式

2 課程教學改革探究

2.1 教學目標改革

(1)課程思政建設。將中國優秀傳統文化教育、“兩彈一星”和“大國工匠”精神等內容融入Python的教學過程設計之中，以充分發揮Python的隱性思政的作用。結合我國在大數據、人工智能領域取得的重要成就，樹立其愛國情懷、激發學生學習Python編程的動力。

例如，教師可以在強調計算思維的培養過程中，將《孫子算經》中經典的“雞兔同籠”“百元買百雞”等問題引入課堂，調動學生主動思考和求解的積極性。既可以使學生了解我國古代優秀的思想，又可以啟發學生在學習過程中不斷地思考如何將數學思維轉變成編程邏輯思維。在講解循環和數組的過程中，可以通過“楊輝三角”的例子，讓學生了解中國古代的優秀傳統文化，增強民族自豪感。

(2)參照“兩性一度”的標準課程。以打造金課為目標，以“一流課程”建設背景為根本出發點，在“兩性一度”標準的指引下，旨在通過Python課程的改革，培養具有大數據、人工智能等新興技術背景的高階應用型、復合型“新工科”人才。

“高階性”是知識能力素質有機融合，培養學生解決復雜為題的綜合能力和高級思維。在課程教學中，結合“新工科”要求和新版大綱制定，優化并完善課程體系建設，豐富教學案例庫，培養學生綜合運用所學知識解決實驗過程中復雜工程問題的能力。

“創新性”要求課程內容反映前沿性和時代性，教學形式體現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。目前，人工智能作為國內外研究的熱點，廣受關注。Python語言作為人工智能的首選語言，在課程建設過程中，可以圍繞人工智能中的經典案例開展。例如，“MNIST”手寫體識別案例涵蓋了Python學習過程中列表構建、函數調用、模塊引入等多個環節。但是以上知識點學生在理論學習過程中，可能理解不夠深入，也與學生日常的生活過程有一定距離。這樣我們就可以通過實驗項目的完成，使學生提高Python編程能力，了解目前學術的研究前沿。

“挑戰度”要求課程有一定難度。在授課過程中，可以設置有一定難度的開放型題目，引導學生參與討論，激發學生繼續學習的興趣。

2.2 教學內容改革

作為人工智能的基礎，Python語言對實現人工智能的快速入門至關重要。為實現兩者有效銜接，本項目從以下三個方面實現教學內容改革。

(1)通過人工智能領域知識的導入，使學生明確人工智能是Python語言學習的未來目標之一，明確學生的學習目的，增強學生學習Python學習的動力。例如，在模塊引入方面，可以通過介紹TensorFlow的調用方式，引導學生學習import語句的使用方法。同時，通過介紹TensorFlow的安裝，引導學生學習使用Anaconda創建Python虛擬環境的過程，進一步提升學生Python課程的動手能力。

(2)通過線下進行項目驅動與人工智能實例的演練，結合教師自身在人工智能方面的科研成果，提高學生在Python學習中解決人工智能領域問題的能力。例如，教師可以通過讓學生了解如何使用Python實現諸如指紋識別、目標識別、邏輯回歸等人工智能領域經典的應用場景，激發學生學習Python的動力，拓展學生的學術視野，為最終培養具備工程意識和解決復雜工程問題的未來工程師奠定基礎。

(3)借助國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺(www.ilab-x.com)，開展人工智能復雜應用。通過模擬深度神經網絡在實際復雜問題中的應用，拓展學生的科研視野，激發學生主動探索與解決實際問題的能力，引導并鼓勵學生主動學習人工智能的相關原理，了解人工智能領域最新的研究進展。

2.3 教學方法改革

2.3.1 以問題為驅動開展線上線下混合式教學

授課之前，針對課程內容設定相應的學習問題，并按照課程時間分階段地提交給學生自主學習，同時指導學生通過翻轉教學、MOOC等全新的學習模式或方法開展豐富的自主學習內容，以補充傳統課程的缺陷。

課上，依據學生線上學習的情況，進行自主學習形成性評價，有針對性地推動被動學習的學生培養自主學習的能力，助力全班形成自主學習的大環境。同時，通過項目驅動將知識覆蓋到整個項目中，并利用Educoder、Python123等技術平臺，通過實踐進行應用以達到理論知識和實際相結合，培養學生的實踐動手能力。

課后，結合課前與課堂上的反饋，對課堂目標進行達成度評價。

圖2 混合式教學

2.3.2 開展學習社交化分析

作為檢驗在線學習效果的因素之一，進行學習資源社交化對在線學習可以幫助學習者得到提高，也可以幫助教師較好地引導學生進行深入學習。依托對學生間、師生間通過討論建立的關系網絡開展社會網絡分析，及時掌握學生討論的程度，并積極引導學習者去討論思考，鼓勵學生之間積極討論，發表個人觀點，通過互相交流來解決問題。教師的引導，使學習者盡快適應在線交互，激發學生學習的積極性。

2.4 課程考核改革

2.4.1 利用在線課程測評，注重對學習過程的考核

將MOOC課堂的在線測試，貫徹于學生學習的整個過程中。在此基礎上，教師可以及時地掌握學生的學習動態，特別是根據學生學習過程中的重點和難點，有意識地推進學生學習的進展。

2.4.2 以學生為中心，有針對性設計不同的考核辦法

教師可以根據學生的學習或動手能力，有針對性設計不同的考核辦法。針對學習情況好、動手能力強的學生，教師可以積極安排這部分學生參與自己的科研項目，鍛煉其解決實際復雜工程問題的能力。在此基礎上，鼓勵學生參加競賽類項目，拓展這部分學生的學習視野。針對極少數動手能力一般的學生，則可以借助完成簡單的Python程序課設，使其能夠具備基礎的Python編程能力。

結語

文章分析了“Python語言程序設計”現階段教學過程中存在的問題，探討了人工智能背景下該課程改革的思路，可以為高校“Python語言程序設計”課程改革提供借鑒。