新工科背景下基于OBE理念的Python課程實踐教學

陳榮

摘要：針對“Python語言編程”課程實踐教學內容綜合性不足、與學科專業實際項目結合度不高以及與前沿知識和先進技術脫鉤等問題，文章結合OBE理念設計課程教學改革方案。該方案從成果出發逆向構建實踐教學內容3層體系，建立包含實際應用背景、多學科多領域問題以及前沿信息技術的Python案例資源庫。通過實踐，該課程改革方案提高了學生的計算思維、綜合應用與創新能力，改善了學習效果。

關鍵詞：Python程序設計；OBE理念；新工科；實踐教學

中圖分類號：TP311.1文獻標志碼：A

0 引言

與傳統工科培養具備專業技能的工程師不同，教育部自2017年推進新工科建設以來，對高校培養創新能力、跨學科知識以及國際化素養的工程技術人才提出了更高的要求。在“Python語言編程”課程教學中，通過案例和項目探究學習和構建編程思維是培養學生多元綜合能力和創新意識的重要途徑^[1]。近年來，產出導向教育（Outcome Based Education，OBE）因其以最終成果為導向的工程教育模式所具有的良好效果，已被廣泛應用于教學改革實踐^[2]。因此，Python實踐教學也要適應新形勢的要求，主動變革，將以學生成果產出的OBE理念與Python實踐教學相結合，以培養學生的科學計算思維、動手實踐能力以及創新意識^[3]。

1 傳統教學存在的問題

現有“Python語言編程”課程教學模式主要以“教師講授+學生平臺操作”為主，注重對高級語言程序設計基礎語法的驗證。該模式主要存在以下問題。

1.1 Python實踐教學內容綜合性不足

目前，教學內容偏向基礎語法演示與驗證，程序流程、函數、模塊與庫等知識點獨立分散，案例來源比較單一，學生難以形成系統分析、設計和解決問題的能力。

1.2 實踐內容與學科專業實際項目結合度不高

計算機科學與技術、數據科學與大數據技術和人工智能等專業的學生專業課主要開設在大二至大三學年，此時“Python語言編程”已經結課，前期程序設計實踐環節缺少學科相關案例。

1.3 實踐內容與前沿技術脫節

實踐教學內容普遍為簡單場景，缺乏與先進技術的有機結合，導致學生對數據挖掘、知識圖譜、人工智能（Artificial Intelligent，AI）大模型等前沿知識認識不夠，缺乏學習動力，難以形成創新思維和意識。

基于以上問題，本文在以產出為導向的教學理念指導下，合理設計教學改革方案，深度挖掘與專業建設、實際應用場景和先進技術的融合點，構建實踐教學內容3層體系，從基礎、專業和創新應用3個方面逐步建立和完善課程案例庫，并應用于教學實踐，形成學生能力達成與成果產出的閉環，對培養適應新工科建設的復合型人才具有深遠意義^[4]。

2 實踐教改方案設計

通過對Python實踐教學在廣度、深度以及綜合度等多重維度的探索^[5]，改革方案設計遵循以成果產出為導向構建實踐教學內容體系的基本思路，如圖1所示。該方案主要由3個部分組成：構建實踐教學內容3層體系；設計并完善細粒度強、靈活度高、擴展性強的實踐案例庫；實施與評價教學實踐效果。

2.1 教學內容體系構建

為了改善現存問題，本文以成果為導向構建了Python實踐教學內容3層體系，具體包含Python語言基礎、專業以及創新應用，如圖2所示。其中，基礎應用部分為學會閱讀和分析程序，了解大數據與人工智能時代熱點，培養學生編程思維，達成實際問題求解的能力，同時，拓展“以證代考”策略以具備職業相關技能。專業應用從不同學科領域出發，賦能自身專業，了解相關技術如機器學習、網站開發和數據預測分析等，增強跨學科交叉融合，以專業學科比賽為平臺，提升學生解決不同學科問題的知識應用能力。創新應用則以申報大學生創新訓練項目、申請軟件著作權和專利等為依托，形成大數據可視化產品、軟件系統、創意藝術作品等成果，培養學生的創新意識與創新能力。與傳統教學模式相比，實踐教學內容3層體系在人才培養方面更具系統性和階梯性。

2.2 多維案例庫設計

為了更好地適應專業發展目標，本文通過整合與重構Python教學內容，形成高靈活度的實踐教學內容框架，案例設計在3層體系中側重于應用。因此，本文從實際問題項目、不同學科領域和前沿信息技術3個角度出發，探索并建設多維全面的Python實踐教學案例庫。其中，基礎應用涵蓋Python基本語法、流程、字典以及模塊的使用，如經典數學問題求解、文學作品分析、垃圾分類查詢系統等。專業應用側重跨學科融合，引入經濟學、統計學和醫學等不同專業領域的案例，起到賦能專業未來發展的作用，如上市公司財務風險預警、電商數據可視化大屏和醫學影像處理等。創新應用注重開闊國際化視野，發散學生思維，引入ChatGPT、知識圖譜問答系統和益智小游戲等前沿技術或企業實際項目。具體案例資源包含教學課件、教學設計、案例指導書或說明書以及演示源代碼，便于教師教學與學生操作，有利于打破不同教師授課間的信息壁壘，實現課程教學團隊資源共享。

2.3 實踐教學改革實施

以青島黃海學院為例，2023年，對2021級人工智能本科班級開展了一學期的“Python語言編程”實踐案例教學試點，形成了初步的基礎、專業和創新應用3層體系。從基礎應用來看，學院依托校級在線課程平臺，結合全國計算機等級考試大綱知識點錄制和完善線上視頻內容與題庫，將二級真題融入線上視頻、課堂講授、上機實驗以及課后作業各個階段。期末考試將傳統的“教師出題—學生筆試”調整為從Python二級題庫中隨機抽題模擬機考，積極開展學校“以證代考”政策，將計算機等級證書與課程學分置換政策落到實地。從專業應用來看，青島黃海學院取消傳統的筆試章節測驗，利用翻轉課堂、團隊項目和頭腦風暴等手段，從實踐教學案例庫中引入豐富的項目，加強編程語言與專業或跨學科的有機融合。在上機實驗環節，青島黃海學院引入基于Python的綜合項目，同步接入相應的專業學科競賽賽題，如針對“電工杯”全國大學生數學建模競賽B題為例，開展有關人工智能對大學生學習影響的主題討論、搶答、分組任務等活動。在創新應用方面，青島黃海學院在期中考核中融入醫療領域“視網膜OCT分割”案例，對學生PPT制作能力、演講能力和編程能力進行綜合訓練。在授課過程中，從基礎到專業應用，再到創新應用，從Python語言的理論到數據挖掘和數據可視化等專業課程的思考，再到金融、交通、醫療和游戲等不同場景的應用，授課教師不斷啟迪學生的發散思維和創新意識。

3 實踐教學改革效果

在實施“Python語言編程”實踐教學改革后，授課效果較以往有顯著提升。從成果產出來看，學生基于實踐內容掌握編程技能，了解學科專業知識與前沿信息后，產出多項優秀成果。首先，實踐班級學生在2023年9月全國計算機等級考試中獲取了Python二級合格證書，在青島黃海學院中取得了歷史突破，驗證了“以證代考”政策的有效性。其次，學生在大學生創新訓練項目的申報積極性方面有了明顯提高，尤其是在選題方面更注重應用，致力開展跨學科融合的前沿問題探索，服務當地經濟發展，如井蓋問題分類、眼表疾病檢測和儀器儀表安全識別等。2023年，教師指導學生申報大學生創新訓練項目，獲批國家級1項、省級2項、校級20余項，基于項目基礎進一步指導學生作為第一作者發表學術論文2篇。另外，同年，教師指導學生積極報名參加“藍橋杯”程序設計大賽、數學建模競賽、數據分析技能比賽和數字媒體科技作品及創意競賽等專業學科競賽，取得10余項國家級獎項。

4 結語

本文通過對新工科背景下“Python語言編程”課程教學存在問題進行分析，構建以能力成果為導向、以案例為載體的實踐教學改革方案，在青島黃海學院人工智能專業進行實踐。實踐結果表明，該改革模式能夠有效促進學生學習效果和能力達成，基于OBE理念逆向構建基礎應用、專業應用和創新應用實踐教學內容3層體系，從實際項目背景、多學科多領域問題和前沿信息技術3個層面不斷構建、完善和優化多維度案例庫，既滿足了學生能力達成與成果產出需求，又適應新工科背景下實踐教學建設的根本要求。

參考文獻

[1]張雷，李洪安，李霞，等.新工科背景下Python程序設計“一中心兩互動六途徑”教學改革[J].計算機教育，2023（8）：86-90.

[2]王素云，陳海勇.基于OBE的《Python程序設計》課程教學改革[J].中國新通信，2022（22）：93-95.

[3]劉盈，谷建濤，閆海波，等.基于OBE理念的Python程序設計課程實踐案例教學[J].計算機教育，2023（1）：21-27.

[4]馮志紅，何澎，李鳳榮，等.案例驅動的“精理論+強實踐”Python通識課程教學探索[J].計算機教育，2023（3）：199-202.

[5]黃俊蓮，呂博學，段雪麗.基于OBE理念的教學改革與實踐——以“Python編程與實踐”課程為例[J].教育教學論壇，2021（13）：71-74.

（編輯 王雪芬編輯）

Practical teaching of Python course based on OBE concept under background of new engineering

Chen? Rong

（Qingdao Huanghai University， Qingdao 266427， China）

Abstract： In response to the insufficient comprehensiveness of the practical teaching content of the “Python Language Programming” course， the low integration with the actual projects of the discipline， and the decoupling from cutting-edge knowledge and advanced technology， this article designs a teaching reform plan for the course based on the OBE concept. This plan starts from the results and constructs a three-layer system of practical teaching content， establishing a Python case resource library that includes practical application background， multidisciplinary and multi domain problems， and cutting-edge information technology. Through practice， the proposed course reform scheme has improved students computational thinking， comprehensive application and innovation abilities， and improved learning outcomes.

Key words： Python programming; OBE concept; new engineering; practical teaching