為信息科技教學(xué)定制一個(gè)Python編程環(huán)境

謝作如 溫州科技高級(jí)中學(xué)

邱奕盛 華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系/上海數(shù)字化教育裝備工程技術(shù)研究中心

近兩年，筆者一直在努力開發(fā)一個(gè)名叫“XEdu”的開箱即用的人工智能開發(fā)工具。為了解決環(huán)境搭建的問題，筆者借助Conda（一個(gè)開源的軟件包管理系統(tǒng)）封裝了一個(gè)綠色軟件，用戶只要一解壓，就擁有了深度學(xué)習(xí)的編程環(huán)境。很多信息科技（技術(shù)）教師看到這個(gè)“XEdu一鍵安裝包”后，想到可以用這樣的方法將中小學(xué)常見的Python庫(kù)封裝起來，然后形成一個(gè)定制的教學(xué)環(huán)境，省去維護(hù)上的很多成本。

●理由：為什么要定制編程環(huán)境

中小學(xué)新版的信息科技教材幾乎都選擇了Python，Python是一個(gè)開源編程語言，擁有很多IDE（編程集成環(huán)境），如IDLE、Anaconda、PyCharm、VSCode、Spyder、Sublime、Atom和Thonny等，那為什么一線教學(xué)還會(huì)提出定制教學(xué)環(huán)境的需求呢？

1.Python IDE太多導(dǎo)致選擇困難

Python的IDE種類繁多，各有各的特點(diǎn)，且功能使用差別較大，教師們難免患上選擇困難癥。IDE本身沒有優(yōu)劣之分，主要是看用戶需求。高校的數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能課程一般推薦Anaconda，而工程師和程序員往往選擇PyCharm和VSCode。對(duì)于教學(xué)來來說，Jupyter Notebook的文本和代碼相結(jié)合方式特別適合做“學(xué)案”。對(duì)于初學(xué)入門的學(xué)生來說，界面簡(jiǎn)潔干凈的Thonny則是最佳選擇。

2.為中小學(xué)設(shè)計(jì)的Python IDE很少

雖然IDE很多，但為中小學(xué)信息科技教學(xué)設(shè)計(jì)的Python IDE很少。中小學(xué)的Python學(xué)習(xí)應(yīng)該聚焦在編程和算法上，而弱化軟件附加的功能。程序員選擇PyCharm和VSCode，是因?yàn)殚_發(fā)工程需要項(xiàng)目管理、版本管理方面的功能；而信息科技教學(xué)一般不會(huì)寫很復(fù)雜的代碼，不會(huì)去開發(fā)信息系統(tǒng)，也不需要太復(fù)雜的輔助工具。

3.庫(kù)環(huán)境管理困難

Python的最大特點(diǎn)是擁有無窮無盡的第三方庫(kù)或者模塊，教學(xué)中往往需要用PIP工具安裝各種庫(kù)。因?yàn)閃indows系統(tǒng)不帶完整的編譯工具，對(duì)于一些沒有預(yù)編譯的庫(kù)或者依賴關(guān)系比較復(fù)雜的庫(kù)，往往容易安裝失敗。而信息科技的教學(xué)環(huán)境一般在機(jī)房，如果一開始沒有把可能涉及的庫(kù)都裝好，那么每一次開機(jī)都要重新安裝。這不僅需要足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬，還很浪費(fèi)時(shí)間。

因此，一線信息科技教師會(huì)期望有一個(gè)工具，可以將信息科技教學(xué)中常用的庫(kù)文件全部?jī)?nèi)置，并且內(nèi)置Jupyter、Thonny和常見的第三方庫(kù)。只要解壓，就能使用，既方便教師部署機(jī)房環(huán)境，也方便學(xué)生在家自學(xué)。

●方案：定制編程環(huán)境的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

XEdu之所以能做到將編程環(huán)境打包為一個(gè)文件，是因?yàn)榻柚恕癮nconda”（一個(gè)著名的Python IDE）中的“conda-pack”。顧名思義，“conda-pack”就是一個(gè)環(huán)境打包的工具，其使用的大致步驟如下：

第一步：安裝conda環(huán)境。

下載miniconda安裝包并安裝（https：//docs.conda.io/en/latest/miniconda.html#）。

第二步：構(gòu)建一個(gè)新的Python環(huán)境，如筆者取名為“env”的環(huán)境。

在conda的PowerShell Prompt（下面簡(jiǎn)稱為“Prompt”）中輸入conda create-n env python=3.8.3-y

在Prompt中繼續(xù)輸入命令conda activate env，激活環(huán)境“env”。

第三步：安裝所需要的各種庫(kù)文件。

在Prompt中繼續(xù)輸入pip install XEdu-python MMEdu BaseNN BaseDT BaseML BaseDeploy。

在Prompt中繼續(xù)安裝Jupyter和Thonny：pip install jupyter notebook thonny==4.0.0。

以此類推，完成所有的第三方庫(kù)的安裝。

第四步：打包編程環(huán)境。

在Prompt中繼續(xù)輸入conda pack-n env-o env.tar.gz。

由于環(huán)境打包只能是tar.gz格式，對(duì)Windows支持不友好，等待打包完成后，再使用解壓軟件解壓，然后做一些細(xì)節(jié)調(diào)整，最后壓縮成自解壓文件。

第五步：為編程環(huán)境添加啟動(dòng)腳本文件。

要想激活這個(gè)Python環(huán)境，還需要在命令行中執(zhí)行envScriptsactivate.bat，為了讓學(xué)生有更好的體驗(yàn)，可以把這個(gè)命令行指令封裝成為啟動(dòng)腳本文件。

封裝的IDLE啟動(dòng)腳本文件，如圖1所示。同樣，可以封裝出啟動(dòng)CMD腳本，如圖2所示。

圖1

圖2

對(duì)Thonny和Jupyter Notebook的啟動(dòng)，需要稍做一些處理，以避免和計(jì)算機(jī)上已經(jīng)安裝的舊環(huán)境產(chǎn)生沖突。具體的腳本內(nèi)容有點(diǎn)長(zhǎng)，這里略過。

第六步：壓縮為自釋放文件。

利用7zip、WinRAR等工具，將整個(gè)目錄打包為自解壓文件。

●實(shí)踐：以XEdu為模板設(shè)計(jì)信息科技教學(xué)版本

在明確了定制編程環(huán)境的方案后，核心的工作就是確定需要預(yù)裝哪些庫(kù)。

考慮到XEdu的定位是人工智能教育的工具包，那么XEdu-Python、MMEdu、BaseDT、BaseNN、BaseML和BaseDeploy是必備的核心庫(kù)。因?yàn)橐蕾囮P(guān)系，在安裝這些庫(kù)時(shí)會(huì)自動(dòng)安裝另外一些庫(kù)，如opencv-python、numpy、pandas、matplotlib、scikit-learn、pillow、requests、onnxruntime和tqdm等。

上面列出的庫(kù)，已經(jīng)覆蓋了絕大多數(shù)信息科技教材涉及的庫(kù)。考慮到不可能將全國(guó)的教材都全部整理一遍，因此筆者以浙江教育出版社的高中教材和清華大學(xué)出版社的初中教材為主，又加入了如下一些庫(kù)：pyinstaller、flask、pyautogui、pypinyin、gradio、tkinter、wordcloud、jieba、pywebio、pyttx3、pinpong、pysmplegui、remi、turtle等。

此外，筆者認(rèn)為需要規(guī)范學(xué)生的代碼和相關(guān)文件存放習(xí)慣，于是梳理了文件目錄。如圖3所示，其中checkpoints是存放AI訓(xùn)練的權(quán)重文件的，dataset是存放數(shù)據(jù)集的，EasyDL是簡(jiǎn)易深度學(xué)習(xí)軟件系列，env是Python的運(yùn)行環(huán)境和庫(kù)文件，utils是一些可能需要的內(nèi)置功能，XEdu示例代碼是XEdu系列人工智能教學(xué)所需的代碼文件，教學(xué)資源則供教師存放各種配套的資源。

圖3

●反饋：來自一線教師的測(cè)試和評(píng)價(jià)

筆者將這個(gè)解壓就可以使用的Python編程環(huán)境，命名為“XEdu信息科技教學(xué)版”，并提供給身邊熟悉的信息技術(shù)教師使用。目前得到了不錯(cuò)的使用反饋，尤其是兼容性很好，在Win7（64位）系統(tǒng)上運(yùn)行正常。這一編程環(huán)境不僅可以用于信息科技教學(xué)，還可以用于人工智能科創(chuàng)活動(dòng)。

針對(duì)部分教師給出的反饋，需要讓Jupyter Notebook支持中文，筆者在Jupyter Notebook的啟動(dòng)腳本中增加了“set LANG=zh_CN.UTF8”，同時(shí)再次修改了一些細(xì)節(jié)，包括去除thonny文件的標(biāo)語等。

●總結(jié)：幸福都是奮斗出來的

當(dāng)完成這個(gè)“XEdu信息科技教學(xué)版”后，筆者心情特別好，因?yàn)榻處焸冋莆樟私鉀Q方案和技術(shù)后，編程環(huán)境完全可以根據(jù)自己的需求來定制。信息科技教師的幸福要由自己來掌握。