Python程序設計課程教學改革與實踐

王玉 范冬林 姜建武

桂林理工大學測繪地理信息學院 廣西桂林 541004

Python語言作為一種高級的、面向對象的、解釋型的、通用的和開源的語言，簡單易懂，可提供豐富的數據庫，具有可擴展性、可移植性和可嵌入性[1]。隨著機器學習和人工智能等技術的不斷發展，Python語言成為實現這些技術的最適合語言之一，致使Python程序設計語言也迅速躍居編程語言排行榜前列[2]。2021年年度IEEE Spectrum編程語言排行榜中，Python、Java、C、C++和JavaScript位居排行榜前五名，Python語言已連續五年奪冠。而Python語言不僅在IEEE Spectrum編程語言排行榜中名列前茅，在TIOBE排名上，Python語言也在排行榜的前列。目前，Python語言已成為最受歡迎的編程語言之一。為了讓遙感科學與技術專業本科學生能更好地融入社會、更好地利用專業知識服務社會，在本專業人才培養方案中，將Python程序設計作為其中一門基礎課。Python程序設計這門課程主要講述Python基本概念、變成思想和程序設計等相關知識。通過Python程序設計這門課程的學習，學生可以熟練運用Python函數與模塊、序列數據列表，了解Python程序設計規范，掌握Python程序語言編程，綜合應用面向對象的思想來解決遙感圖像處理編程問題，以提高程序設計水平和計算機應用能力，為今后教學任務、企業軟件研發奠定理論與技術基礎。

1 Python程序設計課程開設的必要性

Python語言之所以能快速發展并被廣泛應有，不僅得益于國家對人工智能的重視和Python語言在人工智能領域的杰出表現，還源于該語言學習難度較低、功能強大等特點[3]。目前，Python語言已成為遙感專業領域中最常用編程語言之一，因此，遙感科學與技術本科專業存在開設Python程序設計這門課程的必要性，具體如下。

從本質上來講，Python程序設計是一門編程基礎課，掌握好該語言有益于后續遙感數據處理及算法實現的學習。因此，在教學的過程中，需讓學生們了解到該門課程本身的重要性及Python語言在遙感領域的必要性，以打好Python語言編程的基礎。

隨著機器學習和人工智能技術的不斷發展，這些技術在遙感專業領域應用越來越廣泛，而Python語言在這些技術實現的應用決定了Python語言在未來的遙感技術和產業升級中扮演著至關重要的角色。在教學的過程中，需讓學生們了解到該門課程在專業領域的前瞻性。因此，掌握并靈活運用Python程序設計對于遙感科學與技術的學生是適應未來發展的必要條件。

Python程序設計是一門具有一定的理論基礎，但需側重實踐的課程。無論是在Python程序設計理論基礎(如Python語言程序基礎和程序語句)，還是在Python語言的算法設計等，都需進行代碼實現。因此，在教學的過程中，需要著重強調實踐能力的培養，通過具體的關于遙感圖像處理相關案例、隨堂測驗等方式，提高學生的Python語言編程能力以及自身的遙感工程能力。

2 Python程序設計課程標準及其存在問題

2.1 教學內容

本課程教學內容包括：Python程序基礎、Python程序語句、Python函數與模塊、Python序列數據和Python面向對象。通過Python程序設計的相關理論教學和實踐，學生可以掌握Python語言的字符串、列表、元組和字典等基本數據類型，了解Python語言的條件、循環等語句，掌握Python語言的編程模式及方法。重點培養學生的邏輯和編程思維，使其具備Python程序設計能力。同時，深化學生對新時代黨的創新理論的理解和掌握，培養學生獨立思考、分析和解決簡單的遙感圖像處理問題的能力。但本課程的教學內容僅針對無Python語言編程基礎的本科生設計，重點講解了Python程序設計的基礎知識和方法，并將其應用到簡單的遙感圖像處理問題(如圖像讀取、圖像格式轉換等)中，與遙感科學與技術本科專業知識結合的內容和實踐較少。

2.2 教學方法

本課程主要采取線下上機教學，以機房內多媒體教學和上機實踐為主。課前，要求學生通過網上資料、文獻閱讀及多媒體課件等完成課程預習。課堂上，通過講授法、演示法、案例驅動法、參與式教學法和實驗法相結合的方式，講解Python程序設計的理論和方法，并完成Python語言編程實踐。其中，Python語言程序基礎和程序語句主要采取講授法、演示法、案例驅動法和實驗法來實現其相關知識的記憶、理解和應用；Python函數與模塊采用演示法、實驗法、參與式教學方法相結合來實現其相關知識的記憶、理解和應用；Python序列數據和面向對象則結合參與式教學法，通過啟發、探討把相關理論知識融入案例中，以案例驅動法實現Python語言的分析、綜合和評價，提高學生的Python程序設計邏輯思維，培養其獨立思考和編程能力。課后，學生可與老師進行線下或線上交流討論，以加深學生對Python程序設計所學知識的理解和掌握，提高學生的Python程序設計能力。但本門課在講授過程中部分學生存在精神不集中、不積極參與課堂討論和怯于向老師請教等問題，導致學生對于某些難度較高的知識點無法理解掌握，不能舉一反三、融會貫通，進而無法完成相應的Python語言程序設計和實踐。

2.3 課程思政

課程思政是指以構建全員、全程、全課程育人格局的形式，將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育根本任務的一種綜合教育理念[4]。本課程首先挖掘課程內容的思政元素，然后通過情景設定、實踐體驗和熱點啟發等方式將思政元素與Python程序設計的理論知識點相關聯，以完成Python程序設計課程講授，進而引導學生利用該課程的理論知識解決人生、社會問題，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。但Python程序設計這門課程僅采用思政融入點方式實現課程思政教學，方式較為單一。

2.4 課程考核

本課程采取平時+期末的考核方式，以避免期末考試對記憶性知識點考查大于程序設計能力考查的問題。本課程的總成績包括平時考核成績(占40%)和期末考核成績(占60%)。其中，平時考核成績包括實驗報告(50%)、作業(占30%)、課堂口頭回答交流(占10%)和參與教學活動(占10%),期末考核以閉卷的形式完成考試。實驗報告和作業突出培養學生Python程序設計的能力及解決遙感工程問題的能力；課堂口頭回答交流是指學生課堂上的提問和回答問題情況；參與教學活動指學生在課程期間完成某一Python程序設計的展示。2021年下半學期選擇Python程序設計這門課的學生共75人，其中，最高分93分，最低分為46分，優秀率達22.67%，而不及格率為1.33%，下圖為成績分布直方圖。Python程序設計的最終目的是學生能提高自己的程序設計能力及利用Python語言解決遙感工程問題的能力，而課程考核中平時考核更能突顯程序設計能力，其僅占總成績的40%，存在平時和期末考核成績比例分配不合理的問題。另外，在平時考核成績中，參與教學活動的比例需提高。

成績分布直方圖

3 Python程序設計課程教學改革與實踐

3.1 教學內容

針對Python程序設計教學內容單一的問題，在Python語言基礎講授過程中，增加遙感圖像處理的相關案例，將專業知識與Python程序設計的理論知識點相結合，以加強Python語言的適用性。如在Python程序基礎中加入圖像輸入、輸出和格式轉換等案例實踐；在Python程序語句中增加利用條件、循環等語句實現圖像最大(小)灰度值獲取、圖像灰度值歸一化操作、像素四鄰域和八鄰域搜索等；在Python函數與模塊中加入圖像增強、圖像濾波、圖像去噪、圖像分割和特征提取等操作。通過對教學內容的改革與實踐，學生可以更好地利用Python語言解決遙感科學與技術專業的相關問題，從而提高學生利用Python程序設計課程涵蓋的理論知識服務于遙感行業和信息行業的能力。

3.2 教學方法

采取線上線下混合式教學。隨著互聯網技術的不斷發展，越來越多的線上應用進入人們日常生活中，線上教學得到了充分關注與發展[5]。課前，學生通過課程PPT、網上資料及文獻閱讀等完成課程內容的預習，對其有一個整體了解，并將不懂的知識點和問題記錄下來，在課堂學習中更加有側重點，同時，教師布置相關問題來提高學生預習質量。不同于線下教學，線上教學沒有固定模式，靈活性更強。因此，老師可選擇合適內容在慕課、QQ或騰訊會議等平臺上進行線上授課。在講授過程中，著重強調Python程序設計的基礎理論，通過聊天窗口和彈幕方式與學生積極互動，布置線上隨堂作業，通過查看隨堂作業答題及時了解學生學習狀態、掌握情況，并及時對教學內容做出調整。另外，在授課過程中，學生可錄屏，課程結束后可反復觀看授課視頻以鞏固課程知識點，解決學生上課不集中、對某些知識點掌握不牢靠等問題[5]。在線下教學中，教師重點講授課程重難點知識，并結合知識點的相關案例進行上機實踐。課后，除布置相關作業外，教師還可給學生一些遙感圖像處理常用方法的錯誤代碼，讓學生們找錯并完成程序的改錯與實現，以鞏固學生們對Python程序設計基礎知識的掌握。另外，還可以分小組讓學生完成相應的基于遙感圖像處理的Python程序設計，讓學生們練習并在課堂上進行展示，以提高學生們利用Python程序設計技術解決遙感工程問題的能力。在此基礎上，在課外，也可通過一定的Python語言實踐與應用鞏固其理論知識，體現Python程序設計的價值；還可組織學生參加與Python程序設計相關的比賽，以加強學生Python程序設計技術的知識運用。

3.3 課程思政

針對課程思政方式較為單一的問題，在授課過程中，結合關鍵詞、關聯知識點、思政融入點、案例摘要和詳細案例素材來提供Python程序設計課程思政素材[6]。其中，關鍵詞可呈現出思政素材所蘊含的道路自信、理論自信、制度自信、文化自信等思政點，通過關聯知識點將課程思政案例與知識點相關聯，思政融入點是將挖掘的思政元素與知識點相關聯，案例摘要是摘要性描述案例，而詳細案例素材則是對思政素材的全部細節進行描述。通過對課程思政的改革與實踐，引導學生開拓創新，勇攀科學高峰，引導學生成長成才，踐行社會主義核心價值觀，成為擔當民族復興大任的時代新人。

3.4 課程考核

本課程依然采取平時考核+期末考核的方式，其中，平時考核成績和期末考核成績各占50%。平時考核成績中，實驗報告占40%，作業占20%，課堂口頭回答交流占10%，參與教學活動占30%；期末考核以閉卷的形式完成考試。其中，實驗報告和作業著重于Python程序基礎設計及基于遙感圖像處理的Python程序設計，以提高學生Python程序設計的能力及利用Python語言解決遙感工程問題的能力；課堂口頭回答交流主要是針對Python程序設計的基本理論與遙感圖像處理專業知識的結合進行討論交流；參與教學活動主要請學生展示自己小組關于某一遙感圖像處理的Python程序設計作品。

結語

為了提高Python程序設計的教學質量，結合遙感科學與技術本科專業本課程需要培養學生程序設計能力的具體實際，從課程內容、教學方法、課程思政和課程考核四方面存在問題進行探討，并對其進行改革，使學生更好地掌握Python程序設計的理論知識和實踐，并能在今后的學習、工作中靈活運用Python語言，并培養學生分析及解決遙感工程問題的能力。同時，引導學生樹立堅定的理想信念，不忘初心，認真踐行社會主義核心價值觀，養成優良品質和良好心智。