基于CDIO模式的Python程序設計課程教學實踐研究

趙勝楠　朱立才　張輝

摘? 要： 為彌補當前Python程序設計課程教學中的不足，根據融合CDIO工程教育理念，以人臉檢測—控制燈光項目為例，借助Jupyter Notebook平臺，通過“構思—設計—實施—運行”四個環節，探索一種線上線下混合式課程改革方案。先從課堂的知識點入手，以創新實訓項目為切入點，學生分組合作，最終完成一個仿真實踐。該方案培養了學生實際開發項目的能力，從而提升了課程教學的質量。

關鍵詞： Python; 程序設計; CDIO; Jupyter Notebook

中圖分類號：G434? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）03-83-03

Abstract： In order to make up for the deficiencies in the current Python programming course teaching， according to the CDIO engineering education concept， taking the project of face detection & lighting control as an example， with the help of the Jupyter Notebook platform， a online-offline blended course reform scheme is explored through the four links of “conception-design- implementation-operation”. Starting with the knowledge points of the classroom， taking the innovative training project as the starting point， students cooperate in groups to complete a simulation practice finally. The scheme cultivates students' ability to actually develop projects， so as to improve the quality of the course teaching.

Key words： Python; programming; CDIO; Jupyter Notebook

0 引言

Python是一種面向對象、直譯式的計算機程序設計語言[1]。近幾年，Python語言發展迅速，已在機器學習、深度學習、大數據等領域廣泛應用。Jupyter Notebook是當前非常流行的一種基于Web、支持Python語言的交互式開發工具[2]。隨著Jupyter Notebook插件的不斷開發與應用，其在教學方面的功能逐漸被發掘。運用Jupyter Notebook，并結合 Python豐富的庫資源，教師可共享教學PPT、實時代碼、開展線上答題等多樣化的混合式教學。學生也可利用 Jupyter平臺進行主動學習和翻轉學習。

CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）與運作（Operate）縮寫[3]。CDIO 模式的核心理念是以實際項目工程為載體，讓學生以主動的、實踐的方式學習工程項目，重視實踐教學，倡導學生“做中學”。因此，本文基于CDIO思想，并結合Jupyter平臺，針對Python程序設計中項目實踐環節，探索一種線上線下混合式課程改革方案。

1 Python語言現狀

目前，市場對Python的人才需求陡增，許多高校已開設了Python相關課程，但我國Python教學還處于起步和發展階段，存在教學案例陳舊、實踐創新不足等問題。在Python 理論學習的基礎上，將算法運用到實際實驗項目，這并非易事。很多學生對理論知識并沒有深刻的理解，對算法的學習只停留在表面，只能知其然卻不知其所以然。盡管目前網絡上有許多精品課程，但這些課程多以理論知識的教學為主，注重介紹算法本身，較少涉及實際應用。而且很多Python語言教材中的教學實例落后于時代發展，比如，仍以繪制五角星、打印乘法口訣等為主的數學計算案例。教師應與時俱進，實時地更新教學案例，如智能垃圾分類、新冠肺炎X光檢測、機器人視覺檢測智能送風、人臉檢測智能開燈等與日常生活息息相關的案例，從而激發學生的學習興趣。

2 CDIO理念教學實施

按照CDIO理念，首先從課堂的知識點入手，運用信息化教學方式掌握基本知識點，以創新實訓項目為切入點， 學生分組合作，最終完成一個仿真實踐[4]。本文將通過人臉檢測_控制燈光這一項目案例組織開展教學，在教學過程中為學生建立真實軟件項目開發的工作框架，從而提高學生的學習能力和工程實踐能力，使學生能夠從中得到實戰經驗[5]。在CDIO理念下，每個階段制定相應的實訓任務，如表1所示。

2.1 構思階段

本階段主要通過線上完成。課前，教師通過Jupyter平臺發布關于人臉識別算法的研究現狀以及基本知識點的微課視頻。微課視頻旨在幫助學生課前通過線上自主學習，獲取人臉檢測相關知識點并且了解該項目本節課的學習任務，引導學生對人臉檢測_控制燈光這一項目進行構思，便于教師以此為基礎開展翻轉課堂。學生分組合作，開展需求分析，共同完成線上學習任務。

2.2 設計階段

本階段采用線上線下混合式教學模式。學生根據需求分析，進行模塊劃分、功能及算法分析。首先，教師通過線上學習平臺發布各小組的實驗構思方案，讓學生先了解其他各組的初步想法。其次，線下開展知識點講解，組織學生展開討論，每組派出代表陳述本組的算法思想。若方案存在的重大問題，教師提出修正，學生對實驗方案進行修改和完善，再重新提交。

2.3 實施階段

本階段是通過線下實操完成。首先學生需準備訓練數據集，包括數據采集、數據預處理、數據篩選、數據標注、數據增強、公共數據集等;然后進行模型訓練，搭建Jupyter開發環境、預訓練模型、超參數設置、模型過程可視化、模型精度評估;再將模型部署。學生編寫簡單代碼調用攝像頭，平臺將數據傳到傳感器，最終實現當攝像頭檢測到人臉時，開燈，否則，關燈。各小組按照實施方案進行編程操作，教師巡視各小組的操作過程，針對操作中的重難點進行講解和現場演示，并給予適當的指導。

2.4 運行階段

本階段是線下展示。學生分組進行項目答辯，匯報項目設計方案、實施過程中存在的問題和解決辦法，在Jupyter平臺上展示運行結果。教師對各小組的整個實驗項目實施過程進行分析和點評，引導學生多角度思考問題和自我反思。最后，教師開展項目考核，在評價中將學生引入評價主體，引導學生開展自評和互評等多元化評價方式[3]。從而改變傳統教學中存在的重理論輕實踐、重知識輕創新、忽視團隊協作等問題。

3 案例設計與實施

運用Jupyter平臺的優勢之一就是算法的底層代碼已封裝好，學生無需再進行復雜的底層設計開發，極大簡小了編程工作量。以人臉檢測_控制開燈實戰項目為例，部分代碼如下：

fan_state = 0

while True：

time.sleep（1）

body_state = body.get_body_di_data（）

if body_state == 0 and fan_state == 0：

fan.fan_power_on（）

time.sleep（1）

fan.open_fan（）

fan_state = 1

elif body_state == 1 and fan_state == 1：

fan.fan_power_off（）

fan_state = 0

break

time.sleep（1）

學生可通過簡單Python語句調用攝像頭，實時采集圖像數據，實現人臉檢測功能，運行fan.fan_power_on（）、fan.fan_power_off（）便可實現開、關燈。學生能夠實時看到運行結果，擺脫了以往編程軟件“黑底白字”的運行界面，從而能夠激發起學習興趣，進而探索復雜的人臉識別算法[6]。

4 結束語

本文融合CDIO工程教育理念，借助Jupyter平臺，以學生為主體，以基礎理論為指導，改進教學模式。該教學模式，能夠讓學生更好地融入課堂教學活動，調動學生探究學習的積極性，加強師生間的互動交流，對培養學生項目開發的能力起到一定的促進作用。未來，可進一步將線上課堂練習融入課堂，并豐富線上學習內容。

參考文獻（References）：

[1] 左衛剛.基于CDIO模式的Python程序設計課程教學應用研究[J].計算機時代，2019，（8）：78-80，96

[2] 陸釗，韋舒惠.大數據專業混合式教學的ICT應用方案分析與設計[J].信息技術與信息化，2021（5）：226-2294

[3] 盧文娟，曾達幸，張立杰等.基于CDIO-OBE工程教育改革思想的教學實踐[J].教育現代化，2017（26）：29-30，41

[4] 魏冬梅，王影，鐘世芬等.基于CDIO模式的Python程序設計課程教學實踐[J].計算機教育，2018（2）：129-131

[5] 孟穩.基于OBE和CDIO的“工業機器人編程與操作”課程教學探究[J].黑龍江教育：理論與實踐，2021（7）：91-92

[6] 謝春麗，高宇翔，吳昊聰等.程序設計類課程項目驅動化教學改革與實踐[J].計算機教育，2019（7）：133-137

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