《教師數字素養》標準指導下的Python算法課程數字化教學改革研究

許金山 浙江工業大學計算機科學與技術學院

顧漢杰（通訊作者） 浙江樹人學院信息科技學院

●引言

隨著人工智能、大數據等新技術、新工具被應用于教育教學，新的教育場景不斷創新發展，高校課程教學模式正被數字技術所重塑。2022年12月，教育部發布了《教師數字素養》標準，對高校教師如何應對教育數字化轉型提出了指導意見，要求提升教師利用數字技術優化、創新和變革教育教學活動的意識、能力和責任。[1]Python算法課程是計算機科學與技術專業的一門必修課程，傳統的線下講授式教學模式難以較好地應對數字化轉型需求，面對信息化時代出生的學生也難以調動其學習積極性。在此背景下，本研究以《教師數字素養》為重要指導，針對Python算法課程提出一種數字化教學改革的思路，以期對同類問題能提供借鑒。

●課程教學現狀

Python算法課程，其傳統教學模式一般為教室講授結合機房上機的形式，存在教學資源單一、教學互動單一、教學實踐單一、教學評價單一等問題，難以充分發揮數字技術的優勢。教學資源單一，表現在教師把幻燈片作為教學資源的主要形式，在感官刺激方面缺少對學生的吸引力。教學互動單一，表現在以線下臨場提問為教學互動的主要形式，缺少數字技術支持的靈活教學方法，在外在動機方面難以刺激學生的參與興趣。教學實踐單一，表現在以線下機房上機作為教學實踐的主要形式，缺乏數字技術支持下的校企合作協同育人途徑，在滿足社會需求方面容易與產業實際脫節，難以激發學生的社會責任感以及主觀能動性。教學評價單一，表現在以總結性評價作為教學評價的主要形式，缺乏過程數據支撐的過程性評價，難以體現對學生評價的全面性、科學性。[2]

●課程整體改革思路

本研究以Python算法課程為案例，從數字化意識、數字技術知識與技能、數字化應用、數字社會責任、專業發展等維度切入，開展課程數字化教學改革。上頁圖1為Python算法課程的教學改革思路。其中，課前的教學準備工作依托網絡教學平臺開展，課中的教學過程以OBE（Outcome based education）導向的教學設計為依據，課后的專業拓展訓練以校企合作協同育人為實施形式。該種教學改革思路，在課前、課中、課后三階段融入翻轉課堂理念，借助數字化手段、方法，相對靈活地開展探究式學習、項目式學習等多種形式的教學交互，實現過程性與總結性評價數據相結合的多樣化評價途徑。

圖1 課程數字化改革思路

●課程具體改革措施

1.數字化意識

要完成課程的數字化轉型，任課教師數字化意識的提升是首要前提。Python算法課程的課程組要定期組織教學交流會，由課程負責人引導任課教師認識到數字技術發展對提升課程教學質量的正面價值，以及數字技術對教學模式變革所帶來的機遇與挑戰。具體而言，首先課程負責人應借助同校、同級相似對象的數字化轉型成功案例，幫助任課教師克服對學習新技術的畏難情緒。其次，可組織頭腦風暴等思維啟迪活動，將Python程序設計語言以及Pytorch平臺使用方法等核心知識傳達時所遇到的概念抽象、不易理解等現象，與數字技術表達內容細致形象的特點進行聯結，強調數字技術應用的可行性。最后，組織課程組通過思維導圖等可視化分析方法，將章等級的教學重點、難點分解至節等級，提出輕量化的數字技術實施方案，克服Python科學計算模塊求解等復雜問題表述不全面、不生動的困難，樹立任課教師對數字化教學改革的信心與決心。

2.數字技術知識與技能

當下的高等教育數字化教學，已逐漸由混合式教學發展至融合式教學，數字技術與課程的聯系更為緊密，因此數字技術知識與技能成為課程數字化轉型的必要儲備。課程組應組織學習數字技術的概念、基本原理、選擇策略以及使用方法，提升任課教師的數字技術知識與技能。[3]對Python算法課程而言，任課教師應具備的數字技術知識，包含模擬仿真、多媒體動畫、大數據、人工智能、游戲化的內涵特征，以及相關平臺型軟件、工具型軟件的定位、種類、特點和應用領域。Python算法課程的課程知識包含概念性知識、陳述性知識、規則性知識、流程性知識、情感范疇內容以及部分軟技能，適宜采用具備匹配、收集、資源分配、策略制訂、建造、解謎、探索、幫助、角色扮演等特征的多元化教學資源來引導學生理解與接受，在一定程度上解決教學資源單一的問題。[4]例如，張量的定義是一項概念性知識，該內容的表達可以設計匹配類型的趣味性教學資源來實現，如設計知識競答游戲課件，在競答題目中融入張量的定義，解決該類知識表述過程易產生的抽象枯燥問題。

3.數字化應用

數字化應用是課程數字化改革的核心，其在教學實施、教學評價、協同育人等方面均需要數字技術的深度參與。其中，教學實施工作主要是基于翻轉課堂設計理念在課前、課中、課后三階段開展，教學評價工作主要是依托網絡教學平臺數據開展，協同育人工作主要是依托校企合作開展。

對Python算法課程而言，任課教師要在課前通過網絡教學平臺發布學習目標，引導學生預習基礎知識，做好課前教學準備。在此階段，任課教師所做的數字化工作有三項：其一是通過在網絡教學平臺編輯圖文信息，概述課程章節的學習目標。其二是通過在網絡教學平臺編輯多媒體資料設計速課或微課，介紹課程章節的教學重點、難點與應用案例。其三是通過在網絡教學平臺引入第三方資源信息，如學習強國等權威平臺的專業內容作為課程知識的輔助拓展。

任課教師需要在課中使用多元化的教學資源以及多樣化的教學互動，基于OBE引導學生以既有課程學習經驗為基礎，構建與理解當次課程的新知識。在此階段，任課教師所做的數字化工作有兩項：其一是應用多媒體設計軟件，開發制作與課程知識類型相匹配、與學習成果產出相關聯的數字化教學資源，借助其帶來的感官刺激優勢提升信息的傳播效果。其二是借助網絡教學平臺，根據教學目標發布問卷、搶答、選人、投票、評分、分組任務等學習活動，配合上機實驗促成探究式學習、討論式學習、項目式學習，在調動學生個體主觀能動性的同時保證學習成果的科學性，從而解決教學互動單一化的問題。

任課教師需要在課后通過校企合作引導學生去參與專業實踐，提升并鞏固在課程中所學的知識技能，加強學習情感體驗。在此階段，教師所做的數字化工作有兩項：其一是借助協同育人平臺，與合作企業建立實踐項目的關聯，在協同育人平臺上發布實習計劃，實施簽到管理、過程管理、實習保險、實習檢查等管理工作，提升實踐教學效率。其二是引入大學生科技競賽實踐平臺，閱讀與選擇合適的企業需求，將課程所學應用到就業實踐，提升團隊合作經驗，鞏固軟技能。校企合作協同育人的工作可解決教學實踐單一的問題。[5]

以P y t h o n 算法課程的“Python科學計算模塊”章節為例（如圖2），首先任課教師在學習通平臺發布針對Python科學計算模塊概念及應用范圍的學習要求，提醒學生對科學計算模塊的基礎內容進行課前預習。接著，在課中針對Python科學計算模塊的用法及價值，設計對應的教學資源及互動活動，如為科學計算模塊概念設計知識競答游戲課件，為科學計算使用流程設計象棋游戲課件，為科學計算模塊規則設計疊疊樂游戲課件，為開源工具集價值設計“我的世界”模擬游戲資源，通過趣味性與教育性融合的教學資源促成項目式學習，并在學習通平臺設計問卷活動收集學生的學習態度，指導科學計算模塊各實驗任務的有序推進。最后，針對Python科學計算模塊的綜合應用，與企業合作開展教育部產學合作協同育人項目，在育人平臺設立Python科學計算模塊的綜合實習計劃；同時，鼓勵學生根據個人特長參加各類競賽，結合Python科學計算模塊知識完成各類應用場景開發等命題，引導學生在課后教學實踐中深刻體悟自主可控工具的意義。

圖2 “Python科學計算模塊”章節教學設計

借助數字技術，教師對課程的教學資源數據以及學生在各階段的學習記錄都可以進行清晰的監測與管理。例如，在Python算法課程中，任課教師通過網絡教學平臺及協同育人平臺，分別了解學生校內和校外的學習數據。其中，在校內課程教學環節，任課教師借助學習通平臺，掌握學生人數、題庫總數、章節任務點數、各類多媒體資料數、課堂活動數等基礎信息，以及學生各個時間段的學習動態監測、章節學習次數、章節任務點瀏覽程度、作業完成情況、章節測驗情況等過程數據，并依據學生群體水平均衡考核難度，將教學任務點、章節測驗及實驗作業等數據作為過程性評價，將期末考試作為總結性評價，兩者按1∶1權重比例構成課程總評成績。除此之外，任課教師還可依據簽到情況、課程積分等觀察學生的學習狀態，對出現學習問題的學生進行教學預警，及時干預學情。在校外實習環節，任課教師通過協同育人平臺，掌握學生簽到、實習報告提交、日志提交等實時動態，以及學生實習成績分布、異常信息等實習數據統計。

4.數字社會責任

數字社會責任是教師開展正常數字化活動的根本保障。隨著互聯網環境的擴張，網絡信息良莠不齊，更加凸顯教師在維護文明、安全、健康的教學環境方面的責任。[6]對于Python課程而言，任課教師的數字社會責任主要體現在四方面：其一是針對導入至學習平臺的第三方網絡資源，需要對其信息來源及性質進行甄別，避免不當信息對學生產生誤導作用。其二是在設計多元化教學資源時，若涉及素材引用，應具備版權意識，為學生樹立尊重知識產權的健康榜樣。其三是使用Pytorch等開源庫開展教學，應以網絡安全與數據隱私保護為前提，尤其要避免敏感數據的泄露。其四是在使用Python算法及深度網絡模型開展人工智能項目實踐時，應結合我國先進的人工智能應用研發現狀，激發學生從事計算科學研究的熱情，提升其對課程的認同感，培養其專業自信與愛國主義精神。

5.專業發展

專業發展是教師保證課程數字化教學可持續發展的內生動力，能推動教師更好地認識教學、勇于實踐和實現自我發展。對于Python算法課程而言，任課教師可通過掛職、研修等途徑提升專業能力，如到人工智能相關企業或新型研發機構掛職鍛煉，在企業中掛職可以更全面地了解行業迫切想解決的問題以及對Python算法的需求側重點所在，在新型研發機構中掛職則可以熟悉企業與高校研發意愿相對偏低的領域，彌補課程教學內容中的盲點。同時，任課教師可以通過國家智慧教育公共服務平臺等權威繼續教育平臺，參加數字素養專題研修，掌握主流教學數字化工具及案例，提升數字化意識、數字技術知識與技能。

●結論

在上述背景下，教師只有不斷學習，提升自身數字素養，掌握教學數字化工具，才能不斷地優化數字化環境下以學生為中心的教學設計，保證課程的教學創新與教學質量提升。