人工智能背景下“Python程序設計”課程改革

李莉 李冬 楊海迎 張永萍

摘? 要：人工智能背景下“Python程序設計”課程以典型工作項目為載體，結合人工智能技術應用專業特點，構建五大課程模塊；以學生為中心，運用PBOPPSE教學模式，采用聯想教學高爾夫、任務驅動、情境化教學、游戲教學法等教學方法，制定“模塊化、協同化、立體化”教學策略，實施“三維度、五要素、四優化”的教學評價，解決實踐項目缺乏、教學方法陳舊、學習動力不足、考核方式單一等課程教學問題，學生學習成果顯著提升。

關鍵詞：人工智能；Python；課程改革

中圖分類號：TP39；G434? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）17-0178-06

Curriculum Reform of“Python Programming”in the Context of AI

LI Li， LI Dong， YANG Haiying， ZHANG Yongping

（Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology， Kunming? 650201， China）

Abstract： In the context of AI， the course of “Python Programming” takes typical work projects as the carrier， combined with the characteristics of AI technology application specialty， and builds five curriculum modules. It takes students as the center， uses PBOPPSE teaching mode， and adopts teaching methods such as association teaching golf， task-driven， situational teaching and game teaching method. It formulates “modular， collaborative and three-dimensional” teaching strategies， implements the teaching evaluation of “three-dimension， five-element and four-optimization”， and solves the curriculum teaching problems such as lack of practical projects， outdated teaching methods， insufficient learning motivation， and single assessment mode. The students' learning achievements has significant improvement.

Keyword： Artificial Intelligence; Python; curriculum reform

0? 引? 言

2017年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，提出了面向2030年我國新一代人工智能發展的指導思想、戰略目標、重點任務和保障措施，部署構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國。在此背景下，“Python程序設計”課程原有的教學方法過于陳舊，導致了學生的基礎知識吸收程度不夠，深層次的學習難以實現。課程改革是學習方式和教學方式的轉變，改變課程過于注重知識傳授的傾向，強調形成積極主動的學習態度，使學生獲得知識與技能的過程同時成為學會學習和形成正確價值觀的過程，即傳統學習方式的“被動性、依賴性、統一性、虛擬性、認同性”向現代學習方式的“主動性、獨立性、獨特性、體驗性與問題性”轉變過程。

1? “Python程序設計”課程教學存在的問題

1.1? 實踐項目缺乏

目前理論教學主要針對知識點的介紹以及結合知識點的小案例，以for循環語句為例，案例是計算數值和、有理數除法的精確計算等數學類編程，雖然可通過小案例對知識進行一定補充，但是理論與實踐結合不緊密。知識的深度和應用型不足，缺少貼近生活及工程應用的具體案例。上機實驗、課程設計等實踐教學往往以編程“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。這種實踐教學模式難以讓學生真正地完成一段代碼的編寫，對學生“工程思想”的培養不夠，許多學生在沒有提示的情況下無從下手，不利于培養“應用型人才”。

1.2? 教學方法陳舊

傳統的教學方法強調以教學進程為導向，不能滿足教學實踐改革的需要，主要體現在以下方面：教師在教學過程中往往采用“填鴨式”教學，授課過程以理論知識的講授為主，學生被動地接受知識而缺乏對知識點的深刻理解，即“知其然而不知其所以然”。整個教學過程以完成教學內容為目標，強調學生按既定的時間和進度進行課程學習，難以達到高質量的課堂。傳統的教學方法不能兼顧到每一位學生，不利于學業基礎本就參差不齊的學生技能水平的個性化成長。

1.3? 學習動力不足

傳統的教學注重教師知識的教授，學生被動接收知識，對枯燥的理論知識缺乏興趣，未充分發揮其主觀能動性。教師在課堂上心有余而力不足，課時的限制導致無法拓展知識點，最終導致學生的啟發性不強，無法提高學生自主學習能力，課堂參與度不高，導致學生動力不足。

1.4? 考核方式單一

面對“00后”的學生，他們思維活躍，創新意識較強，尤其是他們在互聯網+時代中成長，獲取信息速度快。單一的考核方式不能滿足學生的需求，不能激發學生對課程的認同感，不能激發學生的主動性。此外，傳統的課程教學以教學內容驅動教學過程，缺乏對學生學習結果的考核評價，導致難以對學生的學習結果給予正確有效的評價。因此，在人工智能背景下，考核方式需要運用現代信息技術不斷優化，才能適應學生和課程的需求。

2? 教學整體設計

2.1? 構建以典型工作項目為載體的模塊化教學

本課程依據人工智能技術應用專業人才培養方案、課程標準，融入“1+X”Python程序開發職業技能等級標準、全國計算機等級考試（NCRE）二級Python語言程序設計考綱，對接Python開發工程師崗位要求，以典型工作項目為載體，與行業企業共同構建模塊化、能力遞進式的課程體系；以行業認證、技能競賽的能力和素養要求為目標整合教學內容，將本課程重構為Python編程基礎、無人配送機器人開發、智能系統開發、網絡爬蟲初探、數據可視化初探五大模塊，取得了顯著成效，提高了專業技能人才培養質量。

2.2? 制定“模塊化、協同化、立體化”教學策略

針對“實踐項目缺乏、教學方法陳舊、學習動力不足、考核方式單一”的四大問題，打造一支專兼結合的教師隊伍，形成一套精準施教的有效教法，建設一批內容形式精良的教材，切實有效解決問題。

2.2.1? 實施模塊化教學

為有效營造真實工作情境教學環境，解決實踐項目缺乏問題，組建學歷結構、年齡結構、職稱結構和學緣結構合理的“企業導師+校內教師”結構化教學團隊，采用“一課雙師”的聯合施教方式，共同完成授課任務。企業導師引入無人配送機器人開發、智能系統開發等企業真實項目，提供企業案例，學生感受真實工作情境。校內教師依托企業項目和崗位需求，基于工作任務，進行課程分析，構建模塊化方向，分塊分類建設課程資源。

2.2.2? 打造協同化課堂

為有效提高教學質量和學習效果，解決教學方法陳舊問題，教學法采用基于“責任到組、授技到人”組長負責制的聯想教學高爾夫，如圖1所示，打造教師、組長、組員三者協同教學環境，開展項目式、案例式教學，使項目組成員高效掌握新技能。教師根據各組出勤、課堂表現、任務完成等情況以抽牌形式確定積分獎懲標準。

2.2.3? 搭建立體化資源

為形象呈現項目案例運行結果，解決學習動力不足問題，教學團隊在整合虛擬實訓平臺資源、公開出版規劃教材、工作手冊式任務單，智慧職教MOOC、職教云等文字或電子網絡教材基礎上，不斷挖掘實物教材資源，引進智能機器人實訓設備，搭建立體化教材資源，如圖2所示，創設直觀教學情境和形象思維教學空間，項目案例運行結果由抽象顯示轉為直觀呈現，激發學生學習興趣，使學生在學習過程中，領悟快、理解透、記得牢。

2.3? 挖掘思政資源有機融入課程教學

教學團隊挖掘本項目各個任務所蘊含的思政教育元素，精選高契合度的思政案例和育人資源，把工程思維、勞動精神、勞模精神、工匠精神、創新意識等融入各個技術要點的學習過程，實現思想政治教育與技術技能教育的有機統一。在模塊二無人配送機器人開發項目一功能初探的聲效實現任務環節，通過《我和我的祖國》曲目的音調和節拍設計頻率和時長，將愛國情懷融入知識學習過程；課堂活動中采用聯想教學高爾夫，充分利用游戲、獎勵、分享等教學手段，強化學生、項目組、師生間的有效溝通、配合協作及共同奮斗的勞動精神；展示評價環節注重細節的把控，充分強調硬件組裝的工藝性，音調節拍設計的精準性，機器人路徑設計的規范性，操作過程的嚴謹性，進而強化學生嚴謹細致、精益求精的工匠精神。

通過將思政融入到課堂教學中，真正做到將思政元素適時滲透于理論、實踐、課程設計的教學全過程，實現教育模式的創新，實現了愛國主義教育、職業素養教育和課程內容的有機結合。

2.4? 實施“三維度、四優化、五要素”教學評價

為了檢驗學生的學習效果，解決考核方式單一問題，教學團隊不斷探索，優化教學評價，實施“三維度、四優化、五要素”教學評價體系，如圖3所示。針對不同的教學模塊，優化考核方式；對于理論部分，采用客觀題考核方式；對于實操部分，以分組團隊合作的方式完成任務，按照參考完成、獨立完成、熟練完成三個等級進行考核。優化評價要素，探索增值評價；項目成績側重學生個體成績增值，學生本次項目成績與前一次成績對比進行相應加減分。優化教學環節，實施分層教學；項目任務分第一梯度和第二梯度任務，實操考核分數為項目組自選梯度任務成績乘以相應難度系數，體現差異化評價。優化評價主體，采用四方評價；項目組自評、互評、企業導師和授課老師評價的多元多角度評價力求實現以評促教和以評促學的良好育人效果，

3? 教學過程實施

3.1? 整體安排

以模塊二無人配送機器人開發模塊為例。本模塊以無人配送機器人承擔快遞運輸任務為情景導入，基于工作任務由淺入深實施無人配送機器人功能初探、復雜路線運動、避障設計與實現、無接觸配送編程與運行四個項目。每個項目以任務為驅動，結合學生的認知特點，分為第一、第二階梯任務，課后實施分層拓展任務，對應兩個梯度任務。項目組根據自身情況，選擇符合自己的梯度任務，促進全體學生主動發展。通過縮進連連看、隨機抽取項目組，組員接龍講解代碼等解決策略有效解決重難點，達成教學目標。

3.2? 實施過程

借助OBE成果導向教學理念，優化BOPPPS教學模式，采用PBOPPSE教學模式，覆蓋前測、導入、目標、參與、后測、總結、拓展七環節，體現以學習者為中心的教育生態，在任務難度遞進的過程中培養學生綜合實操能力。

每個項目按照PBOPPSE教學模式組織教學活動，以項目三避障設計與實現為例，分躲避障礙物、繞行障礙物兩個任務，如圖4所示。其中，任務一教學內容包括：機器人超聲波傳感器安裝及工作原理、函數的定義及調用、躲避障礙物，任務二教學內容包括：函數的參數傳遞、繞行障礙物，根據難易程度，將任務一劃分為單方位躲避和多方位躲避兩個梯度任務，任務二劃分為單方位繞行和多方位繞行兩個梯度任務，學生根據自身知識掌握情況選擇不同梯度任務完成。通過學習本次課的內容，學生能夠掌握機器人超聲波傳感器避障原理，并能使用函數的定義及調用、多分支選擇結構編寫代碼解決現實生活中的具體問題。

P：前測環節。教師將職教云上自建課程資源《函數的定義與調用》推送給學生，并發布預習任務及課前測試題，推薦學生通過虛擬仿真實訓平臺、課程視頻、PPT等了解項目所涉及的知識。結合課前測試情況和學習情況，明確教學重點難點，對資源瀏覽率低和測試成績不理想的學生提出預警，為課中教學干預做好準備。

B：導入環節。以無人配送機器人在社區、學校、辦公園區配送快遞，打通物流“最后一公里”為情景導入，激發學生學習動機，引導學生思考機器人在實際的運行中，運行環境是復雜多變的，從而引出機器人躲避障礙物。通過自制超聲波傳感器避障原理視頻介紹避障原理，示范安裝超聲波傳感器。通過項目組PK方式發布超聲波傳感器安裝任務。導入環節概覽如圖5所示。

O：目標環節。企業導師發布發布項目三避障設計與實現任務一躲避障礙物梯度任務，展示機器人單方位躲避和第二梯度多方位躲避運行效果。任務運行結果直觀化展示，項目組明確學習目標，選取梯度任務。目標環節概覽如圖6所示。

P：參與環節，細分為精講留白、項目組討論、任務實施三個環節。環節概覽如圖7所示。

精彩留白環節：利用智能課堂的選人和搶答功能，檢查學生的課前預習情況，對回答正確的學生給予抽牌獎勵并講解難點；結合任務一躲避障礙物講解機器人前進函數的定義和調用以及注意事項。

項目組討論環節：教師發布任務單，引導學生解析任務，分析要點。項目組接收任務單，通過“亮、考、幫”解決任務疑難點。項目組解析梯度任務，分析關鍵點并填寫在任務單上。全員參與討論，相互提問，解決難點。個別學生有不清楚的知識點，勇于提出問題，項目組成員幫助答疑。

任務實施環節：項目組對接項目經理、架構師、開發人員、測試員、記錄員五個崗位，分工合作，高質高效完成任務，解決新技難教問題。項目經理對項目過程進行監控；架構師進行方案的架構設計；開發人員完成代碼的編寫；測試員測試機器人遇到障礙物行駛情況，并調試代碼；記錄員記錄機器人每次行駛情況。教師解決項目組在流程圖繪制過程中的疑難點，編寫代碼出現的共性問題統一講解，并進行示范操作。

在任務實施過程中，善于思考的項目組發現機器人單方位躲避障礙物時，在隨機左轉或右轉后，來到路面邊緣，可能會跌落在地面上，這樣會導致機器人損壞，他們組將已學的懸崖測試應用到本任務中，機器人來到路面邊緣會自動停止，防止跌落損壞。教師對具有創新精神和實踐能力的項目組給予充分的肯定，鼓勵其他項目組學會在反思與實踐中不斷成長。優化后的關鍵代碼如下：

while True：

if round（sonar（）） > 20：

Car_run（200）

else：

if random.randint（0，1）：

Car_right（150）

while True：

if pin1.read_digital（） == 1 and pin2.read_digital（） == 1：

Car_run（0）

else：

Car_run（80）

else：

Car_left（150）

while True：

if pin1.read_digital（） == 1 and pin2.read_digital（） == 1：

Car_run（0）

else：

Car_run（80）

sleep（800）

P：后測環節。項目組進行成果展示，項目組成員逐一講解所承擔的任務，并展示機器人躲避障礙物運行效果。企業教師在線點評任務達成情況，通過項目組自評、互評、企業教師、授課教師四方評價，檢驗學生是否達成教學目標。

S：總結環節，授課教師對各項目組任務完成情況進行點評，利用思維導圖歸納總結知識點，布置拓展梯度任務。

E：拓展環節，課后學生完成拓展梯度任務，上傳職教云平臺。項目組成立學習小組，成績優異的同學幫助基礎薄弱的同學完成項目任務。

4? 學習成效

4.1? 知識目標有效達成

根據“模塊化、協同化、立體化”教學策略，將分組實施、分崗合作合理應用到課程教學中，促進學生對知識的理解和掌握。通過教學平臺數據分析模塊一Python編程基礎和模塊二無人配送機器人開發的學習情況，學生前測環節均值從85.5提高到89.6，后測環節平均分從86.7提高到了90.1，課堂分層任務中選擇第二梯度任務的學生人數明顯增多。知識目標達成數據對比如圖8所示。

4.2? 實踐技能逐步提升

以企業提供的典型工作任務導入教學，將知識點精確對接機器人的聲效實現、循跡巡線行駛、繞行障礙物等典型場景。企業導師參與教學任務發布、展示評價及拓展任務布置等環節，實時掌握學生學習動態。與課程學習之初相比，學生在編程基礎、團隊協作、勞動意識等方面的能力明顯增強，各項目實施成績逐步提高。學生課后踴躍參加職業技能大賽、1+X職業技能等級證書考試、全國計算機等級考試，并取得較好成績。

4.3? 學習興趣明顯提高

課程教學結合真實企業任務，使學生從學習者變成了從業者，學生參與課堂討論的積極性有了明顯提高；教學平臺課程資源訪問人數和訪問時長顯著提升。學生在實崗實操訓練中取得的成果，得到了授課教師和企業導師的高度認可，激發了學生的學習動機，提升了學生對人工智能技術應用專業的認同感。

5? 結? 論

探索人工智能背景下“Python程序設計”課程改革符合當今人工智能時代發展的趨勢及專業的人才培養導向，對提高課程的教學質量，提升人工智能技術應用、大數據技術、計算機應用技術等計算機類專業學生解決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。

參看文獻：

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作者簡介：李莉（1980.12—），女，漢族，四川廣安人，副教授，碩士，研究方向：計算機技術；李冬（1983.03—），男，漢族，河北滄州人，副教授，碩士，研究方向：軟件工程；楊海迎（1986.11—），女，傈僳族，云南楚雄人，副教授，碩士，研究方向：計算機軟件與理論；張永萍（1986.01—），女，漢族，云南楚雄人，講師，碩士，研究方向：商業智能與數據倉庫。