物聯網工程專業Python編程課程教學改革研究

薛端　計雪偉

關鍵詞：物聯網；Python；新工科；教學模式；應用型

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0163-03

1 引言

人工智能的快速發展，為課程教學融入新型教育理念提供了方向性，為高等學校人工智能創新發展提供了戰略支撐。而國內高校對人工智能研究主要集中在科研領域，對人工智能的研發與教學布局還相對較弱，對Python與人工智能的教學研究還相對較少。此外，在當下“新工科”建設服務國家戰略、滿足產業需求的促使下，地方高校應用轉型發展需求和專業培養要求下，需要不斷探索人工智能方向的Python編程教育教學的有效性，由此，課程改革迫在眉睫[1]。近年來，學者們結合當下新工科建設、教學理念、思政教育和教學實踐等方面開展了研究[2]。

在教學模式探索方面：秦春波等人[3]提出要建立以智慧樹平臺為載體開展新型的混合式教學模式——“線上線下”。張昱[4]等人結合Python課程特點，從培養學生應用實踐能力的實際出發，構建以“Python 語言基礎”——“Python應用案例”——“Python綜合練習”遞進式的教學模式。周金鳳[5]等人就西南少數民族區域當下程序設計相關教學模式存在傳統問題，提出了“SPOC+Python123平臺+QQ課程群”混合式教學模式。在新工科建設方面：諶裕勇[6]等人提出，在新工科建設背景下借助校企合作平臺改革Python課程教學，培養的實踐技能。王春[7]等人旨在通過新工科建設下Python課程教學改革來培養學生具備較強的知識獲取能力、知識工程能力和創新創業能力的寬口徑復合型高質量人才。在思政教育融入方面：陳紅陽[8]等人從課程教學目標、課程教學內容和教學模式、課程考核評價方式、教師能力和素養等角度探索課程思政教學。李曉英[9]等人基于學生培養要求的知識、能力、素養方面，從課程內容、教學模式、案例設計等重構了Python課程思政教學方案。向陽霞[10]等人提出， 要針對當下工科專業Python教學現狀和二級考試通過率等問題深度挖掘課程思政元素。

2 課程定位

物聯網工程專業主要面向物聯網產業發展需求，以物聯網技術為基礎，培養學生系統地掌握物聯網基本理論、方法和技能，以通信技術、網絡技術、傳感技術等信息領域面向應用層相關理論和工程應用為主導，以從事信息感知、物聯網互聯、數據融合及傳輸、智能控制、數據技術應用為重點，突出物聯網工程實踐能力、設計開發能力和應用創新能力的培養，能夠運用自然科學、工程基礎和專業知識解決物聯網工程實際問題。Python是一種面向對象的解釋型編程語言，其語法簡潔、清晰。Python語言編程作為物聯網工程專業學科專業教育平臺課程，其先修課程為C高級語言程序設計，同時緊貼人工智能的時代背景，契合人工智能背景下的課程改革，對有效提高課堂效果具有重要的現實意義。

Python編程技術是六盤水師范學院物聯網專業的學科專業教育平臺課程，結合專業培養要求和課程性質，其課程目標主要有：

第一，知識要求。通過課程學習，學生能夠基本掌握Python語言基本知識點以及具體的使用方法。具備Python語言數據分析、開發、實踐和管理能力，具有在實際生活中解決遇到的實際問題的能力。

第二，能力要求。讓學生能夠熟練應用Python開發工具包，能熟悉開發環境的安裝和配置，能夠從事Python應用的設計、開發、測試、維護等工作，熟悉Py?thon應用的發布流程等。培養學生自主學習能力及軟件項目設計實踐能力；使用Python開發工具，完成Python應用項目的開發及測試、編寫出軟件設計過程中需要的文檔資料。

第三，素質要求。通過專業知識技能學習與素質培養相結合，使學生了解Python專業行業標準和規范，具有良好的職業道德、職業修養、倫理意識和社會的責任，并具備溝通交流能力與團隊合作精神，提高協作意識。

3 課程教學中存在的問題

在“新工科”建設和人工智能大背景下，結合六盤水師范學院轉型發展需求和社會需求調查，發現Py?thon編程課程的目標定位、教學內容、教學模式等方面還存在以下問題。

第一，課程目標定位簡單化。當前課程目標定位雖結合了物聯網工程專業發展方向，但其關于“知識要求”“能力要求”“素質要求”方面的目標表述多有重復，更多的是強調Python技術的開發，未對應“新工科”建設要求和人工智能發展的服務國家戰略的行業需求內涵，使其脫離了社會發展需求。

第二，教學內容未能與社會實際需求有效銜接。課程目標定位的缺失必然影響課程教學內容的設計，當下課程教學內容更多停留在普通教科書中的刻板理論知識結構和基于理論開展傳統的實驗。教學實踐內容僅停留在基本案例，如學生管理系統實驗、類和對象的實驗——貓狗大戰、網絡爬蟲實驗、飛機大戰實驗等，限制了實驗內容和學生的思維，脫離了社會實際需求，進而會影響學生專業應用技能的提升，使學生很難獨立完成復雜程序或者實戰項目的開發。

第三，教學模式單一化。課程教學目前還采用傳統的教學模式，運用單一的知識型教學模式，忽視了其他教學模式的綜合運用，由此對應的考核內容和考核方式也較為單一，使得學生不能很好地將理論與實踐相結合。課程考核點雖包括過程性考核和課終考核，但過程性考核僅包括課堂考勤和作業，不能很好地檢驗學生理論知識掌握情況和實踐運用情況。

4 課程改革創新路徑

根據“新工科”建設和人工智能大環境，學校應用型發展要求，需要采取基于成果導向的模式，從而相應調整課程教師團隊分別從培養目標、教學內容、教學模式和考核機制方面進行相應的改革。

1）以培養應用型人才為立足點，豐富課程目標

課程目標設置作為一門課程教學的落腳點，同時作為引導教師教學和學生學習的線索，其地位是不言而喻的。課程目標不僅要結合課程的學科屬性和內容，同時要依據畢業要求指標和學校發展定位來設定。此外，在社會大環境下，也需要兼顧“新工科”建設要求、人工智能發展要求和社會、行業實際需求等，對于物聯網專業人才培養目標的定位，應充分考慮專業培養、社會發展等多元化的需求，包括專業能力、學習能力、協作能力和職業素養等，以培養應用型人才為立足點。

2）以社會實際需求為出發點，優化教學內容

考慮到學生有前期的C語言課程和程序設計編程思維和經驗，教學內容首先要根據他們的專業認知來發展。同時，結合課程目標，以社會實際需求為出發點，進一步優化教學內容。其中，課程中的案例教學就顯得尤為重要，提高案例教學對學生畢業要求所需能力的支撐，并將改進后的案例教學應用于“Python 編程”課程教學，進一步激發學生對Python程序設計的學習熱情。

教學實踐的內容不僅包括每個模塊實現單一知識的基本案例，還包括具有綜合性和可設計性強的綜合應用案例。隨著數據采集、數據存儲、數據處理、算法和應用以及數據可視化等工程實踐的執行過程中，逐步實現、發展和改進，根據各模塊基本案例的開發經驗，結合numpy、matplotlib、sklearn第三方庫，最終完成一個要求較高的綜合項目案例。

此外，基于案例的教學實踐應跟上學生感興趣的主題和社會熱點，即內容反映時代。比如，網絡爬行案例分析可以從豆瓣評論家的《紅海行動》和《你好，先生》中進行；從《億萬富翁》到《我和我的祖國》，吸引網民評論和文本挖掘，關注熱點，吸引學生的注意力，吸引學生學習興趣，同時控制網絡輿論，傳播正能量。

同時，教師在實踐教學中應根據培養目標設計對應的實驗目的、實驗任務和需要解決的重難點問題，使知識點的應用得到實際的操練。但在實踐教學中，同樣的實驗可能對學有余力的學生缺乏挑戰性，實踐教學應因人而異開展。

3）教學模式多元化，考核模式綜合化

Python編程技術課程的教學主要包括：Python語言相關理論和人工智能編程等，結合課程以應用能力提升為主的教學目標，在知識型理論教學的基礎上，結合啟發式、討論式、參與式等融入案例教學中。

理論教學主要是對知識體系、晦澀難懂的理論進行講授，或啟發學生進行思考來理解、消化知識點。編程實操、實驗部分，則是在學生需要幫助時給予啟發，提高學生自主探索的能力。線上演示講解與線下練習實驗混合教學法，教師將學習任務按知識點切片，通過SPOC上的課程視頻演示與講授語法，通過線下課堂熟悉編程環境與動手實驗語法，線上線下循環交替，直至完成各知識點的學習，培養學生的編程意識。

案例教學是編程語言教學中常用的一種方法。案例庫的設計應以學生為中心，豐富資源庫，按照循序漸進、路徑清晰的原則進行設計，特別是通過增加工程實踐案例的高設計性和全面性，將所獲得的知識應用于實踐，與時俱進，內容豐富，可擴展性高。學生可以通過案例教育來理解算法的思維，解決實際問題。對于有編程基礎的學生，他們采用翻轉課堂教學模式學習Python語言，課后學習基礎知識，在課堂上分析基本案例、綜合案例，自身感興趣的前沿案例等，探索知識點，分解功能，逐步實現和測試代碼，并為各種競賽、創新項目和畢業做好準備，從而有助于提升學生的積極性和編程能力。

通過實施多元化的教學模式，結合課程教學實際和實踐要求，相應地開展考核模式改革，不僅考核學生對Python理論知識掌握情況，也要檢驗學生的編程能力，對實際問題的分析、解決能力等。要使考核內容綜合化，考核方式全程化和多樣化，綜合考核學生的所學，有助于提升學生的專業能力、計算思維能力和創新意識，有效形成良性循環，真正落實應用型高校發展要求和“新工科”建設要求。

5 結論

應用導向型人才培訓的目標是應用。新工程教育的培訓理念是以學生為中心，以輸出為導向，不斷改進。只有以學生的發展為前提，并將所獲得的知識應用到工程實踐中，學生才能取得進步，與時俱進，尋求創新。考慮到學生有前期的C語言課程和程序設計編程思維和經驗，教學內容根據他們的專業認知來發展，學生可以獨立進行或通過小組合作進行科學分析，積極學習相關知識和技術，探索問題的解決方案，重點側重于數據結構和算法部分的檢驗，實現優化。教學案例庫涵蓋Python編程的完整計算生態系統，主要包括K12 編程、計算機排名測試NCRT（Python 語言）、數據結構和算法、其他在線課程、編程競賽、網站開發、機器學習、人工智能、企業應用和競爭，也應該在教學過程中進行不斷的創新和更新，增加師生創新案例，不僅體現了計算機科學課程的深刻內涵建設，也突出了計算機技術在其他學科的拓展建設。

根據上述教學模式，綜合考核學生的所學，有助于提升學生的專業能力、計算思維能力和創新意識，有效形成良性循環。新的案例結合了互聯網熱點和推進時代可以豐富學生的認知能力，激發學生的學習熱情，將知識應用于日常生活中，培養學生的職業認同感和社會服務意識，也真正落實應用型高校發展要求和“新工科”建設要求。