基于知識圖譜和數智化平臺的Python程序設計課程教學改革研究

摘要：針對當前Python程序設計課程教學中存在的知識體系碎片化、教學方法單一化、評價機制不健全等問題，該研究基于數智化技術背景，創新性地構建了“四位一體”的教學改革模式：以知識圖譜技術重構課程知識體系架構，以項目驅動的任務導向教學法為核心策略，以智能化教學平臺為技術支撐，以多元化評價體系為質量保障。該模式通過系統優化課程內容體系、創新教學方法手段、完善教學評價機制，著力培養學生的計算思維能力和工程實踐創新能力，有效提升學生解決復雜工程問題的綜合素質。

關鍵詞：教育數字化戰略；知識圖譜；數智化教學平臺；項目型教學；多元評價；Python程序設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0177-04

0 引言

深化教育綜合改革是建設教育強國的戰略之舉，建成教育強國是實現以中國式現代化全面推進強國建設、民族復興偉業的先導任務、堅實基礎、戰略支撐。黨的二十大報告將教育、科技、人才一體統籌部署，賦予了教育新的戰略地位、歷史使命和發展格局。日前，國務院印發的《教育強國建設規劃綱要（2024—2035年） 》中強調，實施國家教育數字化戰略，促進人工智能助力教育變革[1]。提出“教育數字轉型與智能升級”的戰略支點，面向數字經濟和未來產業發展，加強課程體系改革，優化學科專業設置，堅持應用導向、治理為基，探索數字賦能大規模因材施教、創新性教育的有效途徑。在當今大數據、人工智能高速發展的數智化時代下，改革數智化教育和培養新質人才是促進教育進一步發展的雙向驅動力，引入數字化、智能化技術實現傳統教學模式向數智化教學轉型，通過數智技術與教育的深度融合，助力人才培養的智能化、高效化，以及人才評價的科學化等[2]。在當前教育數字化轉型的背景下，高等教育亟須進行多維度的系統性變革：課程體系需要實現從線性知識結構向智能化知識網絡的轉型升級，教學模式需要完成從知識傳授向認知能力培養的范式轉變，評價機制需要實現從結果性評估向全過程成長追蹤的創新發展。

Python程序設計語言以其簡潔的語法結構、高效的開發效率、出色的跨平臺特性以及與各類工程工具的良好兼容性，已成為當前計算機類專業及理工科、經管類專業程序設計課程的首選語言。在新時代教育數智化戰略的背景下，Python課程教學亟須實現從“語言教學”到“數字素養培育”的范式轉型，通過深度融合智能教學工具，在強化計算思維訓練的同時，著力培養適應技術快速迭代的復合型人才。本研究以Python程序設計課程為研究對象，從課程體系重構、教學模式創新、評價機制完善三個層面，以知識圖譜技術為基礎架構，以數智化教學平臺為實施載體，將“職業道德”和“數字素養”貫穿教學全過程，系統性地探索課程內容優化、教學方法創新和評價體系完善的新路徑。

1 課程特點與教學困境

在當前人工智能技術迅猛發展并深入應用的時代背景下，Python作為人工智能、大數據等領域的核心編程語言，其程序設計課程不僅已成為計算機類專業的必修課程，同時也被廣泛引入理工科、經管類等非計算機專業的選修課程體系。該課程旨在幫助學生掌握一門兼具專業輔助價值和廣泛應用前景的編程語言，培養計算思維能力，提升運用編程解決實際問題的能力。然而，基于教學實踐觀察和主流教學模式分析，當前Python課程教學仍面臨以下突出問題。

1） 相較于C/C++、Java等傳統編程語言，Python發展歷史較短，其課程體系與教學模式多借鑒其他語言，尚未形成成熟的特色化教學體系。對非計算機專業學生而言，后續缺乏進階課程支撐；對計算機專業學生而言，由于前期C語言等基礎課程的影響，容易產生Python語言“雷同”的認知誤區，學習興趣不足。

2） 教學內容方面存在雙重局限：一是依賴傳統紙質教材導致內容更新滯后，缺乏前沿技術信息；二是過度聚焦基礎語法教學，實踐案例不足且與專業領域結合不緊密，尤其缺乏融入課程思政的典型工程案例。這既阻礙了知識-思維-能力的轉化過程，又因項目驅動不足而影響學生的學習積極性和專業應用能力培養。

3） 課程結構普遍采用理論實踐對半或理論偏重的模式。在理論教學中，學生雖能理解語法規則和經典示例，但難以形成獨立編程思維，實踐環節常出現思路阻滯，本質上是知識內化不足、理論與實踐脫節的表現。

4） 現行評價體系以“平時成績+期末成績”為主，側重考勤、作業和終結性測試，對問題解決能力和實踐成果關注不足。同時，學生在獨立編程遇到困難時易產生挫敗感，影響練習質量，形成惡性循環，不利于構建科學的評價反饋機制。

2 教學改革與探索

2.1 知識圖譜構建課程知識點體系

知識圖譜是在自然語言處理的基礎上，通過可視化的方式，直觀呈現復雜實體或概念間關系的一種技術。借助AI技術和知識圖譜方法，可在教學過程中融合教材內容，將知識點顆?；ㄟ^梳理構建知識間的關系，逐步形成知識實體間的體系后，可以從全局視角深入理解知識細節間的關系[4]?；贕ruber提出的本體構建準則，本研究選取Python程序設計課程知識內容作為構建對象。首先提取課程中描述規范的術語，同時識別程序設計過程中的核心概念及其相互關系；其次依據程序設計的組織結構，對概念和關系進行類型劃分；最后通過層次化關聯構建本體框架，并通過屬性補充完善知識體系，最終利用Neo4j等工具實現可視化呈現。

因此，在課前，教師根據每章節的知識點內容，采取自頂向下的方式構建各部分知識點的課程知識圖譜，將課程章節知識點或概念逐一實例化后，以本體框架為支撐，按照關系指向進行構建，形成每一章節的知識圖譜。如圖1所示，將函數一章的函數主體結構由參數、語句和返回值組成，以及函數包含函數庫中定義封裝好的已有函數和用戶自定義函數等主體重點進行可視化脈絡呈現。通過發布課前預習任務，讓學生更加詳細地看到章節內容中各個知識點之間的關系，增加對所學知識的主線脈絡理解。同時在課堂講授中，引導學生結合案例探討知識點中的細節，以知識圖譜中的關系路徑展現知識點間的演化過程，通過這種形式讓學生將抽象知識概念具體化，將理論知識和案例代碼相連接。

同時，在教材主體知識內容講授結束后，布置課后小組探索任務，要求學生以小組為單位，在此前教師提供的章節內容知識圖譜基礎上，進行自主整合，繪制整門課程知識點的總體知識圖譜。如圖2所示，在歸納整理中，學生會發現函數一章中其主要組成部分參數和返回值，其實依賴于初始章節中的基礎數據類型；主要組成部分語句，又可劃分為前序章節流程控制中的循環語句和條件語句。因而，在章節知識圖譜的基礎上，通過以自下而上的方式，探索Py?thon程序設計各知識點之間深層潛在的聯系及在實際編程中的應用，最終形成自己對于本門課程的知識體系脈絡。通過小組合作和自主實踐，一方面鞏固此前所學的各章節內容，加深對Python程序設計的理解，另一方面拓展對知識圖譜的應用。

知識圖譜為Python教學提供了從“經驗驅動”到“數據驅動”轉型的支點，將知識關聯結構化可視化，同時通過結構化知識的推理演變，和教學資源的動態聚合，幫助學生構建系統化的編程思維體系。

2.2 任務導向的項目型教學方法

Python程序設計同樣具有和其他編程語言相同且純語法基礎知識多的特點，容易導致初學者學習純理論時感到枯燥。因此在課堂中，需要結合課程知識點，融入思政元素，結合人文、自然、社會、歷史、科學等設計多維度的項目案例或情境問題，設置漸進式層次化項目案例，開展任務導向的探究式學習[5]。結合項目案例引導學生自主分析，鍛煉他們從實際問題轉變為數學問題最終使用程序解決問題的工程思維，同時通過項目案例的拓展發散思維強化能力。

在項目案例的設計上，遵循以學生的成果產出為任務導向，結合新工科對教學內容的構建要求，從產業或生活應用中進行提煉、設計。針對基礎語法規則相關的內容，項目設計思路從典型案例、專業案例和算法三個方面進行，例如在講授循環結構時，融入思政元素，以網絡貸為背景，要求以不同的循環結構實現網絡貸3年后本息金額的計算，在講練的過程中，強調對比兩種不同循環語法的異同，同時提醒同學警惕貸款詐騙套路。在講授數據結構類型時，以實現簡易的學生信息管理系統為項目背景，引導學生思考錄入學生信息時基本數據類型是否能夠滿足需求，進而對列表、元組、字典等數據結構進行講解，引導學生思考和嘗試錄入信息時哪種數據類型更加適合。讓學生在設計與實現中區分不同數據類型在實際應用中的異同，同時鍛煉專業問題解決和實踐能力。在講授函數部分時，以實現和優化冒泡排序算法為項目案例，整合前序基礎知識的同時，鍛煉計算思維意識，發散思維，探索優化的方法。

同時，針對教學內容和專業領域結合不緊密，缺少具體工程應用案例，與后續相關課程承接不足，學習無法深入等問題，結合Python擁有豐富的第三方庫的特點，開展線上線下“項目教學法”。教師從學科案例、競賽案例、企業案例的角度，設計關于爬蟲、分詞+ 詞云、GUI（用戶圖形界面） 、數據分析、數據可視化、機器學習6個方面的相關項目，在線上教學平臺發布相關學習資源和示例項目，線下課堂中對項目和主要知識點進行簡要講授，而后要求學生線下進行6選2的選題、線上資源收集整理、線下自主項目設計實現，最終將個人完成的項目上傳至線上教學平臺供同學們交流學習，同時形成生生互評結果。旨在通過項目為主線，以學生為中心，增加學習興趣，提高學生的自主學習實踐能力，加深對于所學知識在實際中的應用理解。

項目型教學法在Python程序設計課程中通過任務驅動、工程化實踐和成果導向，有效將知識整合和遷移能力進行深度強化，將工程化思維與職業能力進行系統化培養，通過成果可視化多維激發學生的學習主動性和創新能力。

2.3 構建數智化教學平臺

在教學過程中，針對課前、課中、課后不同的教學環節，將課程教學內容和拓展資源進行整合，充分利用數智化信息化平臺進行建設。借助長江雨課堂平臺，部署提供課件、知識點慕課視頻、習題庫等資源，可進行知識的反復學習強化；根據資源對AI學伴進行訓練，結合學生實際學習監督情況，提供個性化AI學伴問答服務，可實時性針對性地解決學生的疑問。建設關于Python課程的自有網站，提供Python相關專業競賽歷年資源，以期實現“以賽促學”，同時部署基礎的企業工程項目，以期實現“做中求學、項目研學”。

在課前，使用MOOC在線課程資源和優質網絡視頻資源將相關知識點的慕課視頻插入課件中，借助長江雨課堂提前發布學習任務，培養學生的自主學習能力，為課堂講授做準備，同時能夠實時統計學生在線學習過程數據。在課堂教學中，通過平臺發布練習任務，針對客觀且答案唯一的題目，通過平臺進行自動評閱。此外，將習題庫、課件、慕課視頻資源等上傳，提供給學生反復學習觀看條件的同時，對平臺AI學伴進行訓練，使學生在完成一些主觀性靈活性較強的編程題目遇到困難時，能夠擁有24小時的AI學伴進行錯誤問題的反饋，有效支撐指導服務的開展。在課后，除在平臺討論區發布知識點延伸拓展資源外，課程團隊運用自身優勢，建設關于Python的自有網站。

除課程相關資源外，提供關于計算機等級考試Python 語言相關考綱，和藍橋杯程序設計大賽、大學生程序設計大賽、數學建模競賽等專業競賽往年資源和企業工程項目，旨在實現不同學生的階梯化提升，以專業競賽和工程實踐為驅動，借助自有網站學習訓練項目，培養學生的綜合編程能力，真正做到“做中求學、項目研學、以賽促學”。

數智化教學平臺的構建，通過提供視頻、文檔、代碼示例等多種資源，滿足不同學習風格；提供個性化自適應學習路徑，根據學生的學習進度和能力，自動調整并實時反饋；平臺支持項目驅動教學，能使學生通過完成實際項目掌握知識。結合數智化教學平臺所提供的個性化學習、增強互動、豐富資源、數據分析等功能，顯著提升了Python程序設計課程的教學效果和學習體驗，同時為教師提供了強大的教學支持工具。

2.4 多維度的教學評價方式

相較傳統的評價模式，課程基于工程教育認證理念，在課程評價體系上，配合教學內容增設實踐項目評價、階段性測試、線上資源學習情況等考核模塊，結合期末考試，形成“過程性+終結性評價”的多元化課程評價體系。結合線上數智教學平臺的自動評判和統計分析功能，將課程的教學評價從多維度展開，關注學生全程的學習動態和動手實踐學習成果[6]。過程性評價中包含課前視頻和課件的學習觀看情況、課堂練習和課后作業完成情況等線上自主評價部分，以及課堂表現、知識圖譜完成情況和6選2拓展實踐項目完成情況，結合教師評價、生生互評形成線下手動評價?？偨Y性評價中包含借助線上平臺的階段性測試和線下統一期末考試。評價主體涉及教學過程中的多個主客觀要素，更加注重對學生教學參與度、學習實踐能力進行評估，使學生以成果為導向、被動轉主動學習，提升教學質效。

3 結束語

數智化技術的迅猛發展正在深刻重塑教育邏輯：從知識獲取轉向思維培養，從工具性學習轉向價值性學習，從單一人才培養轉向多元人格塑造，這一變革突破了傳統教育的認知邊界。在此背景下，Python程序設計課程的改革實踐呈現出4個顯著特征：首先運用知識圖譜重構知識體系，其次依托數智化平臺整合教學資源，再次采用項目驅動的任務導向教學法，最后建立多元立體的評價機制。通過數智化技術與教育實踐的有機融合，既強化了教師的主導作用，又激發了學生的深層學習動力，有效促進了學習模式從被動接受到主動探究的轉變。這一改革不僅創新了教學模式，更顯著提升了學生的計算思維、問題解決能力以及創新實踐能力。展望未來，人工智能技術與Python課程教學的智能化、個性化深度融合仍具有廣闊的探索空間。

參考文獻：

[1] 中共中央、國務院. 中共中央 國務院印發《教育強國建設規劃綱要（2024－2035年） 》[EB/OL].[2022-09-17].https：//www.gov.cn/zhengce/202501/content_6999913.htm.

[2] 秦琳玲，李孝峰.數智時代背景下光電信息科學與工程專業課程的教學改革與探索[J].高教學刊，2024，10（36）：23-26，31.

[3] 魏曄，崔貫勛.基于知識圖譜的Python程序設計課程教學設想[J].計算機教育，2024（2）：51-54.

[4] 肖明勝，王敏，郭英清，等.程序設計語言課程知識圖譜構建研究[J].贛南師范大學學報，2022（6）：95-100.

[5] 賴錦輝.以學生為主導的AI+程序設計基礎課程“探→用→創→辯” 教學[J].計算機教育，2024（9）：17-22.

[6] 林寧，左悅，陸濤.數智化技術驅動下C語言程序設計課程教學改革研究[J].科教導刊，2024（19）：104-106.

【通聯編輯：王力】