“雙高計(jì)劃”建設(shè)背景下工業(yè)機(jī)器人專業(yè)群Python編程課程教學(xué)改革探索

柴藝，黃佳偉，高淼

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引言

隨著“雙高計(jì)劃”政策驅(qū)動(dòng)，高職院校迎來了具有中國特色、高水平發(fā)展的內(nèi)涵式變革，專業(yè)群建設(shè)成為未來高職院校改革與發(fā)展的切入點(diǎn)和突破口[1]。為加速傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)機(jī)器人專業(yè)群建設(shè)致力于打造智能制造領(lǐng)域技術(shù)技能人才培養(yǎng)高地，助力制造業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、融合化發(fā)展。為打造高水平專業(yè)群，需要構(gòu)建對(duì)接職業(yè)崗位群的課程體系，加強(qiáng)專業(yè)群特色課程建設(shè)，建成線上線下混合教學(xué)資源庫，同時(shí)普及項(xiàng)目式教學(xué)、模塊化教學(xué)改革。依托智慧職教平臺(tái)建設(shè)在線精品課程，將成為推動(dòng)高職教學(xué)改革的重要引擎?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)高職機(jī)電類專業(yè)課程體系、教學(xué)內(nèi)容缺乏智能控制、人工智能等智能制造領(lǐng)域要求的技術(shù)要素，以此為契機(jī)，Python 編程與應(yīng)用課程作為工業(yè)機(jī)器人專業(yè)群的特色融合課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和數(shù)據(jù)分析能力，訓(xùn)練通過編程解決實(shí)際問題的能力，為今后進(jìn)一步使用數(shù)據(jù)采集、分析及可視化，開展智能制造技術(shù)開發(fā)、集成應(yīng)用打好基礎(chǔ)。本文圍繞Python 編程與應(yīng)用課程的教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)模式創(chuàng)新、教學(xué)過程設(shè)計(jì)以及教學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)踐等方面開展精品在線課程的教學(xué)改革探索與實(shí)踐。

1 Python編程課程教學(xué)問題分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容偏離實(shí)際

Python 作為一種面向?qū)ο蟮慕忉屝途幊陶Z言，具有語法簡潔、免費(fèi)開源、擴(kuò)展庫豐富等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)爬蟲、科學(xué)計(jì)算與數(shù)據(jù)可視化、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能等領(lǐng)域。而非計(jì)算專業(yè)學(xué)生普遍缺乏計(jì)算編程思維，從大一開設(shè)的C 語言程序設(shè)計(jì)課程情況來看，整體學(xué)習(xí)效果不佳，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)編程學(xué)習(xí)積極性不高，存在一定畏難情緒。目前，Python 編程課程理論知識(shí)點(diǎn)包含基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序流程控制、函數(shù)和類、文件讀寫操作、文件異常等基礎(chǔ)知識(shí)，沒有充分考慮到專業(yè)的特性和Python 語言的豐富性來制定適合和滿足專業(yè)需求的教學(xué)內(nèi)容[2]。教學(xué)內(nèi)容包含的語法語義知識(shí)點(diǎn)存在“多散雜”的問題，對(duì)于計(jì)算機(jī)編程、英語基礎(chǔ)差的學(xué)生只能靠死記硬背程序語法結(jié)構(gòu)，難以深入理解應(yīng)用、缺乏創(chuàng)造性思維和舉一反三的能力。教學(xué)所用案例存在通用性太強(qiáng)的問題，與智能制造專業(yè)領(lǐng)域關(guān)聯(lián)性不大，偏離了社會(huì)、行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求，更難以對(duì)接崗位能力的培養(yǎng)，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與專業(yè)學(xué)科知識(shí)無法做到有效交叉融合。

1.2 教學(xué)模式傳統(tǒng)單一

Python 編程課程采取傳統(tǒng)的先講后練、理論教學(xué)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式，理論部分多停留在講解Python語法知識(shí)點(diǎn)，實(shí)踐環(huán)節(jié)則通過基本案例驗(yàn)證語法正確性。在理論教學(xué)過程中，課堂的重點(diǎn)容易集中在對(duì)語言語法的描述和解讀上，由于知識(shí)點(diǎn)繁多且受限于上課時(shí)間，往往采用填鴨灌輸式的教學(xué)模式，既使有代碼的演示也通常淺嘗輒止，學(xué)生課堂參與度低，在教與學(xué)之間很容易產(chǎn)生“壁壘”[3]。學(xué)生被動(dòng)式聽講，沒有切實(shí)體會(huì)代碼編寫的過程，造成聽課時(shí)“都懂都會(huì)”的錯(cuò)覺。真正留給學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)散思維的時(shí)間相對(duì)較少，不利于主觀能動(dòng)性的培養(yǎng)。

針對(duì)理論知識(shí)內(nèi)化吸收的上機(jī)實(shí)驗(yàn)通常安排在一個(gè)章節(jié)的理論教學(xué)之后，主要檢測單章知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也多為公共類問題通用性太強(qiáng)，與專業(yè)關(guān)聯(lián)性不大，且缺乏應(yīng)用性、拓展性強(qiáng)的綜合訓(xùn)練，難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率不高、學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，更不具備系統(tǒng)性運(yùn)用Python語言編寫程序解決工程實(shí)際問題的能力。

1.3 考核形式

課程評(píng)價(jià)方面存在考核內(nèi)容片面和考核形式單一的問題。目前，過程性考核和終結(jié)性考核（期末考試）各占50%比例，其中過程性考核僅包含考勤和平時(shí)作業(yè)，課后作業(yè)多采用同一套習(xí)題統(tǒng)一發(fā)布，作業(yè)抄襲亂象層出不窮，失去了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握以及實(shí)踐應(yīng)用情況的目的，教師無法通過課后作業(yè)了解學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況。同時(shí)，教師批閱作業(yè)時(shí)效性難以保障，學(xué)生也無法及時(shí)獲取有關(guān)學(xué)習(xí)過程的反饋以及有針對(duì)性的成果診斷。而終結(jié)性考核采用紙質(zhì)期末試卷的形式，實(shí)則變相鼓勵(lì)學(xué)生考前突擊性學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)、編程語法死記硬背，考核內(nèi)容片面直接造成試卷高分不等同于編程應(yīng)用能力強(qiáng)，與教學(xué)目標(biāo)嚴(yán)重背離。

2 Python編程課程教學(xué)改革路徑

2.1 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

Python 編程作為一門應(yīng)用性、普及性極強(qiáng)的課程，也常作為通識(shí)課在非計(jì)算機(jī)專業(yè)廣泛開設(shè)。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)群開設(shè)的特色融合課程Python 編程與應(yīng)用主要教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)編程在工程實(shí)踐應(yīng)用中分析問題、解決問題的能力。因此，在教學(xué)內(nèi)容的選擇和設(shè)計(jì)上必須兼顧先進(jìn)性和實(shí)用性，充分與專業(yè)學(xué)科知識(shí)結(jié)合，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用。

近年來，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造相關(guān)企業(yè)面臨著海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的信息成為企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的推動(dòng)引擎。車間數(shù)據(jù)可視化就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)以直觀的圖表形式呈現(xiàn)給決策者，是對(duì)企業(yè)生產(chǎn)車間進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)控、幫助企業(yè)洞察生產(chǎn)過程、做出決策和調(diào)整的一種手段。Python語言的靈活性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化能力完全滿足車間數(shù)據(jù)可視化的要求，基于工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)參數(shù)，識(shí)別生產(chǎn)過程中的瓶頸、挖掘優(yōu)化空間，提高企業(yè)管理效率和生產(chǎn)效益。

通過深入調(diào)研智能制造相關(guān)企業(yè)對(duì)崗位的能力需求以及畢業(yè)生信息反饋，結(jié)合Python編程與應(yīng)用課程的性質(zhì)和特點(diǎn)，以工業(yè)數(shù)據(jù)采集與可視化、工業(yè)機(jī)器人編程調(diào)試等崗位職業(yè)能力為導(dǎo)向明確課程教學(xué)目標(biāo)，引入智能制造領(lǐng)域相關(guān)實(shí)際案例，整合重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，修改完善課程標(biāo)準(zhǔn)。其中，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)通用知識(shí)點(diǎn)和專業(yè)應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)兩部分，如圖1所示。通過基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)掌握程序設(shè)計(jì)的基本步驟和通用方法，再結(jié)合工業(yè)數(shù)據(jù)采集與可視化崗位職業(yè)能力培養(yǎng)，基于requests、openpyxl、numpy、matplotlib等第三方庫，從數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理及可視化等模塊進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，循序漸進(jìn)形成綜合性項(xiàng)目學(xué)習(xí)和實(shí)踐，提升編寫程序解決實(shí)際問題的能力。

圖1 Python教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.2 教學(xué)模式創(chuàng)新

基于智能制造領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)人才需求及職業(yè)能力分析，以“掌握概念、強(qiáng)化應(yīng)用、培養(yǎng)技能”為重點(diǎn)，構(gòu)建模塊化課程體系。結(jié)合高職學(xué)生來源多元化、樂于動(dòng)手操作等特點(diǎn)，靈活采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目導(dǎo)向、案例教學(xué)、分組協(xié)作等教學(xué)方法，以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，形成交互式教學(xué)課堂和多元化學(xué)習(xí)情境，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生間的高效交流。

依托智慧職教平臺(tái)和精品課程線上資源，將信息技術(shù)深度融入教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)模式，充分落實(shí)“雙高計(jì)劃”中關(guān)于提升學(xué)校信息化水平和師生信息素養(yǎng)的要求。針對(duì)Python 編程與應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容多、課時(shí)量少的問題，結(jié)合實(shí)際授課情況采用MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，課中環(huán)節(jié)主要通過頭腦風(fēng)暴、小組討論的方式完成案例分析、任務(wù)分解、知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)、代碼編譯等，編程語言基礎(chǔ)理論知識(shí)可安排學(xué)生在課后通過精品課程教學(xué)視頻和練習(xí)題加強(qiáng)學(xué)習(xí)[4]。依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)大綱，將Python課程慕課資源上傳至智慧指教平臺(tái)，學(xué)生可根據(jù)自己需求在課前、課后觀看視頻學(xué)習(xí)及完成練習(xí)，使學(xué)生學(xué)習(xí)不再局限于固定的時(shí)間和地點(diǎn)。依托信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)教學(xué)數(shù)據(jù)化、交流互動(dòng)立體化、評(píng)價(jià)反饋及時(shí)化，大幅度提高教育教學(xué)質(zhì)量，鞏固學(xué)習(xí)成效。

“雙高計(jì)劃”明確提出高職院校要落實(shí)好立德樹人的根本任務(wù)，通過對(duì)智能制造行業(yè)思政元素深入挖掘，不斷創(chuàng)新課程思政教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生愛國主義情懷，增強(qiáng)民族自信，提高學(xué)生專業(yè)自豪感。結(jié)合工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，專業(yè)課程融入“工匠精神”元素，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)專注、精益求精和追求卓越的品質(zhì)。

2.3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

基于高職學(xué)生樂于動(dòng)手操作，喜歡游戲互動(dòng)等特點(diǎn)，充分遵循高職學(xué)生“螺旋式上升”的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，以學(xué)生“學(xué)”為中心進(jìn)行反向教學(xué)設(shè)計(jì)，利用信息技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建多元化學(xué)習(xí)情境，在教學(xué)實(shí)踐中有的放矢[5]。本小節(jié)以車間數(shù)據(jù)可視化為例，圍繞任務(wù)發(fā)布、分析、實(shí)施、評(píng)價(jià)與提升進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 Python教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.3.1 課前微課預(yù)習(xí)

為培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)解決課堂基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)間過長的問題，課前在智慧職教平臺(tái)發(fā)布課程資源，包括微課視頻、PPT、實(shí)訓(xùn)任務(wù)書、參考代碼等，明確工作任務(wù)。針對(duì)微課視頻內(nèi)容有針對(duì)性地設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)測試題，檢驗(yàn)學(xué)生課前預(yù)習(xí)效果。微課視頻應(yīng)具有簡短精練的特點(diǎn)，每個(gè)視頻僅針對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)講解，時(shí)間不超過十分鐘，突出重點(diǎn)內(nèi)容精準(zhǔn)，讓學(xué)生能夠利用碎片化時(shí)間觀看學(xué)習(xí)，同時(shí)方便學(xué)生在無法理解時(shí)能夠快速查找反復(fù)觀看[6]。通過平臺(tái)數(shù)據(jù)掌握學(xué)生課前學(xué)習(xí)完成情況以及基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度，有效提高微課視頻利用率、加快學(xué)習(xí)進(jìn)程。同時(shí)，發(fā)布課程任務(wù)及思考問題，學(xué)生帶著問題進(jìn)課堂，帶動(dòng)課堂探究性學(xué)習(xí)。

2.3.2 課中案例教與學(xué)

課中以提問、小組討論、頭腦風(fēng)暴等形式創(chuàng)設(shè)情境、講解知識(shí)點(diǎn)、編程設(shè)計(jì)實(shí)操演練、歸納總結(jié)設(shè)計(jì)思想及重難點(diǎn)。以車間數(shù)據(jù)可視化項(xiàng)目為例，引入制造企業(yè)車間生產(chǎn)管理看板的案例，基于課前預(yù)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)明確本節(jié)課任務(wù)，但對(duì)如何利用專業(yè)知識(shí)解決問題還沒有明晰思路。車間生產(chǎn)管理看板能為企業(yè)解決哪些問題？各類型圖表有哪些特點(diǎn)？如何使用Python編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化？以提問、小組討論的形式“暖場熱身”，讓學(xué)生迅速參與到課堂教學(xué)中，同時(shí)基于思考問題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行案例分析、任務(wù)分解及重難點(diǎn)探索。

在任務(wù)實(shí)施環(huán)節(jié)，遵循“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)理念，理論知識(shí)講解與編程實(shí)操并行。基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)，小組協(xié)作逐步推進(jìn)實(shí)施、細(xì)化完善，從數(shù)據(jù)分析處理，圖表選擇及繪制，再到設(shè)置圖表標(biāo)題、坐標(biāo)軸標(biāo)簽和圖例，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)可視化。結(jié)合線上教學(xué)平臺(tái)針對(duì)知識(shí)點(diǎn)發(fā)布測試題，讓學(xué)生更為有效的參與到“教與學(xué)”雙向溝通的教學(xué)活動(dòng)中來，同時(shí)可以當(dāng)堂檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，根據(jù)反饋結(jié)果適時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)程。

在任務(wù)評(píng)價(jià)與提升環(huán)節(jié)，通過教師點(diǎn)評(píng)、學(xué)生自評(píng)、小組互評(píng)等多元化方式對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，成果展示讓學(xué)生獲得專業(yè)認(rèn)同感和成就感。思維導(dǎo)圖幫助學(xué)生梳理總結(jié)教學(xué)重難點(diǎn)、編程易錯(cuò)點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)可視化模塊的理解，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)專注、精益求精的工匠精神。

2.3.3 課后鞏固提升

智慧職教平臺(tái)發(fā)布拓展資源和課后提升任務(wù)，將一些難以理解的概念、定義、編程語法等內(nèi)容，以圖片、邏輯圖、思維導(dǎo)圖等形式呈現(xiàn)，同時(shí)上傳了包括單選、判斷、填空等1000 道題的線上題庫，強(qiáng)化訓(xùn)練Python 語言理論基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生根據(jù)參考資料完成拓展編程作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力和編程實(shí)踐能力，促進(jìn)高質(zhì)量教學(xué)。課后鞏固提升環(huán)節(jié)，學(xué)生能及時(shí)得到有針對(duì)性的診斷和反饋，充分了解自身的學(xué)習(xí)狀況查漏補(bǔ)缺，教師也能基于平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取學(xué)生課后學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)。

2.4 教學(xué)考核實(shí)踐

“雙高計(jì)劃”建設(shè)對(duì)構(gòu)建多元化課程評(píng)價(jià)體系也提出了更高要求，注重過程性考核，從而對(duì)學(xué)生綜合素養(yǎng)、能力和技能進(jìn)行進(jìn)行全面、客觀、公正評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的Python 課程考核體系更偏向于Python 語法知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生往往通過死記硬背、機(jī)械刷題的方式應(yīng)付考試，采用同一套紙質(zhì)試卷的考核形式更是讓抄襲作弊亂象層出不窮。Python 課程考核評(píng)價(jià)體系勢(shì)必破舊立新，將終結(jié)性考核與過程性考核按照各占一半的比例相結(jié)合，評(píng)價(jià)考核要求及權(quán)重如表1 所示。其中，過程性評(píng)價(jià)內(nèi)容包括考勤、線上學(xué)習(xí)、課堂表現(xiàn)、作業(yè)練習(xí)等，以考核職業(yè)能力為主。終結(jié)性考核采取上機(jī)方式替代傳統(tǒng)紙質(zhì)試卷，借助智慧職教平臺(tái)題庫隨機(jī)生成多組考核試題，理論部分側(cè)重Python 語法知識(shí)點(diǎn)，題型包括選擇、填空、判斷，實(shí)操部分考察學(xué)生編程應(yīng)用及分析、解決實(shí)際問題的能力。

表1 Python課程評(píng)價(jià)考核要求及權(quán)重

3 結(jié)束語

本文基于Python 編程課程現(xiàn)狀分析了現(xiàn)有的教學(xué)問題，針對(duì)問題從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)以及考核評(píng)價(jià)等方面提出了相應(yīng)的教學(xué)改革策略。依托智慧職教平臺(tái)和精品課程線上資源，構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)模式，以學(xué)生“學(xué)”為中心進(jìn)行反向教學(xué)設(shè)計(jì)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算編程思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力。在今后教學(xué)改革探索過程中，設(shè)計(jì)更多和專業(yè)相關(guān)案例，在教學(xué)實(shí)踐中因材施教、有的放矢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與熱情，讓學(xué)生切實(shí)體會(huì)到編程能夠解決工程實(shí)際問題，學(xué)以致用，真正落實(shí)“雙高計(jì)劃”對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)群特色課程建設(shè)提出的要求。