“理实一体化”在Python程序设计教学中的应用研究_胡涛.pdf

专业与课程建设 782023 年第 04 期Shanxi Youth“理实一体化”在 Python 程序设计教学中的应用研究基金项目：湖南省教育厅教学改革研究项目 程序设计类课程“理实一体化”网络教学研究与实践（HNJG-2021-1275）。胡 涛 周 南 邱 杰湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421001摘要：为提高 Python 程序设计教学质量，提升学生综合素质。本文以课程教学改革与建设为契机，针对 Python 程序设计课程内容进行研究，就 Python 程序设计教学中存在的问题进行分析，探讨基于“理实一体化”教学平台的教学模式。通过自主创新教学资源，设计教学环节以及课程考核方式，基于“理实一体化”教学平台实施教学。实践证明，课程教学效果显著，取得了良好的教学效果。关键词：“理实一体化”；Python 程序设计；教学改革为培养高质量实用型人才，高等教育在专业设置上应主动适应社会经济发展需求和产业变革，课程规划和内容设置应注重基础理论和创新实践能力的结合，鼓励专业课程采用“理实一体化”教学模式。2020 年新冠肺炎疫情突袭，各高校不得不将课堂从线下搬到了线上，运用网络平台进行在线教学，解决停课不停学问题。进一步促进了线上线下混合教学模式的发展1，同时也为课程改革提供了新的方向。“理实一体化”教学模式是将理论教学、实践教学融于一体的复合型教学模式。其基本思路是以理论知识为基础，以“实验室、实践基地”为载体，整个教学过程理论实践互相融合，“教、学、做”一体化完成课程教学模式。“理实一体化”课程教学内容涵盖专业理论知识和实践技能操作，应知、应会的知识点、技能点多，受课时限制，理论教学内容无法深度讲解，实践操作中教师无法及时跟踪每个学生操作情况和解答学生学习中遇到的每个问题。针对这一问题，提出将线上线下混合式教学模式引入“理实一体化”课程教学实践中，深化课程改革，全面提升课程教学质量。“理实一体化”教学模式是一种理论、实践一体化的教学模式，全程构建素质和技能培养框架，将学科知识与实践活动结合，真正做到学做结合2。采用“理实一体化”教学模式，不仅可以满足学生在线完成理论和实践学习的需求，还能在极大程度上缓解教师的教学压力，让教师能有更多的精力致力于构建优秀的教学资源和开展个性化教学，从而提升教学质量。一、教学现状分析为了满足不同领域人才对计算机语言的不同要求，培养不同专业学生运用信息解决本专业领域问题的素养和能力，湖南交通工程学院面向全校所有专业学生开设了 Python 语言程序设计课。由于学科不同、专业不同，学生思维方式以及计算机语言应用水平、基础相差较大。如果采用传统的“以教师为中心”的课堂授课，先理论后实践，不论是在线教学还是线上线下混合教学，大部分的教学安排将导致一些问题：教师连续的两节课内讲授理论知识，学生课上记住了理论知识，由于没有及时实践，不能进行程序思维转换，容易遗忘，无法掌握并合理应用所学知识；实践教学环节重结果、轻过程，评价标准单一、模糊；实验条件不够、部分课程实验环境配置要求高而复杂；学生练习效果不易监督和评价等问题，致使教学效果不理想。为此，将理论与实践相结合的“理实一体化”教学模式引入 Python 程序设计教学中，以期提升教学效果。作为一门新的程序设计入门课程，Python 程序设计一般开设在低年级。大多数低年级或者非计算机专业学生只会简单的电脑的操作，对编程环境的搭建和操作存在一定的困难。Python 语言 专业与课程建设 792023.042023 年第 04 期Shanxi Youth可以分为两个板块，一是基础知识，如基本输入输出、数据类型、表达式等；二是应用，包括程序结构、程序设计等。对大部分同学而言，第二个板块的学习难度更大，因为这需要同学们改变传统地解决问题的思维方式，培养程序思维。例如，我说：“把那个凳子搬过来。”如果想让计算机听懂这句话，就需要和计算机表达：1定义对象：什么是“凳子”；2把凳子向上移动 n 厘米；3往前（某个方向）移动 m 米；4把凳子向下移动 n 厘米。如此，计算机才能按步骤完成我们想要它做的事情。相较于人类之间交流的随意与感性，和计算机对话时，必须具备严谨、理性的思路，每一步都要给出准确的指令，这样就能让计算机按照指令执行，才能得出唯一准确的结果。Python 程序设计课程甚至所有编程语言的思维与传统思维方式本来就存在很大的差异，思维的转换不能仅仅停留在课堂的说教上，必须让学生及时进行实践练习，从实践中总结经验，才能牢固记住课堂理论知识并转换成自己的能力，养成良好的程序思维能力。二、“理实一体化”教学设计（一）构建“一体化”教学环境一改传统教室（在线）+机房教学，基于学校已有的网络教学平台搭建“理实一体化”教学平台。既可线下集中教学，也可以进行线上教学。教师可以通过平台完成课前备课、课堂上课、课后指导以及考核全部教学工作；学生也可以通过平台提供的开放资源进行课前预习和课后复习。无需重建机房或大力建设一体化教室，只需一台计算机，在网络环境下，通过浏览器登录教学平台，编程开发实训环境直接配备在课程章节里面，通过放映视频、动画和演示 PPT 等方式进行理论知识的讲解，围绕课堂教学内容设计对应的实践内容，一个完整的知识点讲解完后，通过单击相应“按钮”快速跳转的实训环境，无须安装配置，快速跳转。在跳转到实训环境后，可以一边对照上机实验指导，一边在虚拟环境中进行编程训练。整个实践过程非常连贯，不会因为不熟悉编程软件或编程环境本身的问题而影响学习进度。教学环境的“理实一体化”使学生紧跟教师步伐，教师讲解和学生练习有机结合，边讲边练，在学中做，在做中学，真正做到了“教、学、做”一体化。（二）丰富教学环节课程组织结构，按难度和学习过程由浅入深、由易到难、由基础到系统，分为四个阶段，即基础教学、验证性实验、设计性实验、综合性实验。以此为基础，循序渐进，将教学目标分解、细化，每个阶段都有与理论对标的学习任务，且学习任务不会太复杂，一方面帮助学生完成从理论到实践的学习过程，另一方面，学生通过简单的实验以及运行结果，体会成功，不仅能够增强学生自信程度，还能提高学习兴趣和积极性。在“理实一体化”教学中，将实践内容融入理论教学环节中，教学过程中让学生获取知识之后，及时动手实践，一方面，加深对理论知识的理解，另一方面，在编程环节中及时发现问题和解决问题，避免问题堆积。教学过程参照以教育目标为导向，以学生为中心的教学模式BOPPPS 教学模式，针对整个教学过程设计六个环节：导入将课程内容和学生的已有知识或者未来可能碰到的问题有效衔接起来；目标“看效果”，每个知识点开头展示编程结果，强化学习效果的具体性，加强学习成就感；前测针对课程内容将知识点进行分解，就已学习知识和预习效果进行检测；参与式学习“学理论”，由程序案例引申，系统学习相关理论知识，深入理解系统基础知识，“强实践”，理论学习之后，提供编程案例，加强实践训练；后测“测能力”，提供丰富的练习题、拓展题以及实践项目，检查学习效果、拓展知识面；总结由学生根据对理论知识的掌握和实践结果的呈现，进行知识的归纳总结，并共享在教学交流平台，供同学们共享、学习以及再总结。然后教师再针对学生的总结强调重点、难点，以及延伸拓展应用。（三）重构教学内容重构教学内容旨在培养具备专业编程能力、应用能力、计算思维能力和复杂专业问题求解能力的新工科人才。教学内容陈旧、缺乏深度、实践教学内容分散、缺乏创新的案例等，影响对学生自主学习能力和创新能力的培养，导致学生具备的能力与实际工作岗位要求相差甚远。Python 程序设计的课程内容体系包括基础知识以及生态圈两部分3。其中，基础知识主要指 Python 程序设计的语法，而生态圈则指第三方库的应用。基础语法简单易学，入门较快。生态圈是 Python 在工程情境中的优势体现，它是学生 专业与课程建设 802023 年第 04 期Shanxi Youth解决实际问题的关键所在。因此，需要根据专业的不同，有针对性地制定培养目标、设置项目案例。在教学学时安排有限的情况下，适当弱化基础知识教学，这部分的教学可借助一体化教学平台或 MOOC 教学等提供的教学资源自学；对于第三方库的使用则通过分析具体解决问题的过程，制定学习和实践案例，锻炼学生解决实际问题的能力。因此，可以根据市场岗位需求，结合课程内容组织结构，按基础教学、验证性实验、设计性实验、综合性实验反向设计 Python 程序设计课程教学内容。基础知识部分是所有学生必须掌握的内容，要求学生掌握基本语法、序列、文件操作、函数、模块、面向对象设计思想及应用、异常处理的基础知识和数据库操作、第三方库等相关知识3。在这一部分教学过程中，穿插验证性实验和简单的设计性实验，例如，在讲解“列表常见基本操作”时，介绍完方法名称、功能和基本格式后，就把课堂交给学生，“理实一体化”教学平台打破了传统教学的理论、实践脱节以及环境束缚，让学生及时验证各种基本操作的结果，加强对理论知识的理解和记忆。当一个完整的知识点讲授完成后，给学生一个简单的设计实验案例，例如，在讲解完“字典”后，设计“生成 1000 个随机字符串，统计每个字符的出现次数”，让学生尝试解决实际问题，通过反复练习加强工程能力。设计贴近社会、生活实际需求的实验项目，例如设计“通过数据爬虫，获取每日相关统计数据，并在此基础上生成柱状统计图”等案例4，促进“学以致用”，激发学生学习兴趣和动力。当今 Python 程序设计语言已全面渗透至各产业应用，如，人工智能、互联网、金融等行业。在综合性实验环节，则根据专业、学生个人选择方向制定如爬虫、数据处理、可视化、机器学习、神经网络、游戏、网络安全等方向的多组面向工作岗位的实验项目3，学生组队完成实验环节。比如，财务管理专业，离不开报表和数据分析工作中，最常见的便是使用 Excel 进行数据处理。因此，针对财务管理专业，可以设计“使用 Python 自动化生成数据报表”一类项目，利用 Python 实现原本利用 Excel 或其他工具完成的数据处理工作，让学生体验通过 Python 提升数据分析效率。通过高级综合性实战项目实践，不仅能促进学生巩固知识要点，提升编码能力，还能增强团队协作、人际交流、逻辑思维、撰写文档等项目能力。（四）调整考核结构打破传统的重理论、轻实践，重结果、轻过程等现象，在遵循多元、发展、科学、过程等评价基本原则的基础上，根据课程标准，结合学科知识特点、学生认知规律等，合理设计理论与实践相融合的考核标准，构建具有应用型人才培养特色的能力评价方法。改变传统只重视笔试的考核模式，将“20%出勤+10%作业+10%实践操作+60%笔试”改成“10%作业考勤+60%实践操作+30%笔试”。其中，出勤情况以平台签到数据和在线时间为依据；课后通过平台发布作业，利用平台的自动判题功能模块批改并统计作业情况，辅助教师进行数据统计，教师通过平台统计数据记录学生的作业情况；在实践环节，为避免出现“流于形式”的实践考核，学生通过教学平台提供的开发环境编写并运行程序，后台收集运行数据并生成分析报告，教师通过平台生成的监督数据记录实践成绩，同时实施个性化教学（根据分析数据进行有针对性的指导），帮助学生消化当堂课程内容。如此，通过降低作业考勤以及笔试成绩的比例，大幅提升实践操作比例，加深学生对Python 程序设计的基础理论知识理解，提升应用程序解决实际问题的能力。使学生深刻明白实践操作的重要性，将更多的时间及精力用于实践操作，以更好地训练程序思维。三、结语基于“理实一体化”教学模式开展 Python 语言程序设计课程改革不是简单地从理论+实践教学方式的组合，是理论与实践的深度交叉与融合。应用“理实一体化”教学平台为学生提供了Python 语言的学习平台，摆脱对实验条件的依赖性；自主创建的“理实一体化”教学资源和教学模式为学生创设了更好的学习机会和环境。案例式教学使学习充满了趣味性，及时“实践”提高了学生积极性，理实结合充分训练了学生的程序思维能力和实际应用能力。通过这一改革尝试，培养更多具有创新