Python 程序設計課程數字化教學探索

摘要：當前，醫藥類院校面向非計算機專業學生開設Python程序設計課程仍然面臨醫學專業課業繁重、無法激發學生學習興趣等問題。針對上述問題提出了包含“課堂數字化”“學情數字化”“資源數字化”在內的數字化教學改革方案。在整合雨課堂、超星學習通、Python123平臺等數字技術的基礎上全方位優化教學內容、教學手段等核心要素，重視學情數據并借助數字技術實現自動化收集和分析，在實現學情數據來源于數字化教學又服務于數字化教學的基礎上，支持教師通過靈活的教學來實現教學主體從“教師”到“學生”的轉變。自實施數字化轉型以來學生參加計算機二級考試通過率近三年保持穩步增長，數字技術融入教學的有效性得到驗證。

關鍵詞：Python程序設計；Python教學；數字化轉型；學情；數字課堂；混合式教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）31-0043-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

進入21世紀以來，人工智能、大數據等先進技術蓬勃發展并呈加速向社會各領域全面融合，數字化的知識和信息已成為一種關鍵生產要素。在加速數字社會發展之余，上述技術也推動了高等教育數字化的進程。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）》提出要加強優質教育資源開發與應用和網絡教學資源庫建設，開發網絡學習課程，建立開放靈活的教育資源公共服務平臺，促進優質教育資源普及共享[1]。《教育部2022年工作要點》明確提出實施教育數字化戰略行動，教育數字轉型、智能升級、融合創新駛入快車道。為了深入探索高等教育數字化發展規律，2020年成立的世界慕課與在線教育聯盟在教育部大力支持下出臺了《無限的可能：世界高等教育數字化發展報告》，將高等教育數字化發展劃分為三個階段：

1） 轉化階段：數字技術融入融合到高等教育體系之中。教學突破時間和空間的限制，教學目標、內容、活動、評價、環境等核心要素在物理及網絡融合的空間里重新優化和組合。

2） 轉型階段：高等教育實現自我轉型與提升，高校內部各項業務流程實現再造。教育各要素、各環節全面數字化轉型，大學教學與人才培養過程各類場景得到數字化的構建，大學組織形式、教學形式、服務形式、治理形式等發生深刻變化。

3） 智慧階段：高等教育將完成再造，與社會之間的界限進一步打破。以人工智能為代表的新一輪信息技術在高等教育領域的深度應用促使高等教育更加以人為本、更加精準、更加公平、更加開放、更加個性化。

1 傳統教學的主要問題

伴隨著社會信息化程度的提高，計算機技術愈發廣泛應用在醫學領域如醫學圖像處理、計算機輔助診斷等。因此，醫學生除了掌握專業知識外，還需要具備一定的計算機知識和能力。考慮到Python語言具有廣泛的應用領域[2]并且有利于為后續課程的開設奠定基礎，廣東醫科大學開設了信息技術基礎課程并選擇講授Python語言程序設計。在前期教學過程中廣東醫科大學教師主要圍繞“計算思維培養”和“線上線下混合式教學”開展了大量教學研究并取得了一定成效[3]。然而總結現階段的教學成效，不難發現盡管教學體系日益成熟，并且學生在完成課程學習后往往能通過計算機等級考試或者在學科競賽中斬獲佳績，但對于絕大多數醫學生而言，醫學專業課業繁重以及程序設計過于抽象仍然是兩座大山，現階段的教學仍存在以下有待改進之處：

1） 無法激發學習興趣，學生主觀能動性低。醫學生計算思維相對薄弱，很容易陷入上一周教學內容還沒理解透徹又要學習下一周教學內容的境地，進而滋生消極怠學的情緒。

2） 教學手段不夠靈活。在線教學只是簡單把課堂教學移植到網絡上，教學手段相比傳統線下教學并沒有取得重大突破，學生參與課堂互動的熱情沒能得到提高，教師仍然很難實時獲知教學效果。

以上教學問題無疑對教師提出了更高的能力要求，即教師首先要在基本功層面熟練掌握多樣化的教學手段，其次還要在教學過程中及時掌握學生的學習情況從而做到有的放矢地調整教學。建構主義認為新型教學模式應當是以學生為中心，教師起到組織者、指導者、幫助者和促進者的作用[4]，充分發揮學生的主動性和積極性，最終達到學習的目的。顯然，不管是線下教學、線上教學還是混合教學，一旦缺乏對學生群體的認識，教師的作用也就成了無源之水無本之木。基于“以學生為中心”的育人理念[5]以及對數字技術融入高等教育的認識，本文認為開展數字化教學轉型有望全方位提升教學質量，尤其是克服學情的短板效應。

2 數字化教學設計

數字化教學不是簡單地將傳統課堂搬到網絡上，而是在整合數字技術的基礎上全方位優化教學目標、內容、活動、評價、環境等核心要素。針對傳統教學的不足之處，本文提出了包含“課堂數字化”“學情數字化”“資源數字化”在內的數字化教學改革方案。

2.1 課堂數字化

課堂數字化最大的特色和作用在于構建無邊界的在線課堂，學生在任何時間連接網絡即可進入課堂開展學習。借助數字技術，現實中40分鐘的線下課堂將被數字化并最終成為數字課堂的重要組成部分。據此，數字課堂可進一步劃分為課前、課中（對應線下課堂）和課后三部分。

有效的課前預習被公認為是提高學習效率的重要因素。作為非計算機專業學生的一門必修課，程序設計課程主要培養學生使用計算機分析問題和解決問題的思維能力[6]，具有較強的實踐性。因此，為了幫助學生更好地理解知識點，教師有必要在課前預習環節構建相應的應用場景，把抽象的代碼轉化為具體的問題，幫助學生更好地理解即將要學習的知識點，以及對完成學習后能掌握何種解決問題的能力形成具體的印象。例如，可以在第一次課前預習中使用雞兔同籠的例子，鼓勵學生在完成預習之后嘗試根據數學公式寫出相應的代碼。這樣的預習活動顯然有助于學生理解程序設計中變量等概念，以及體會人指導計算機進行問題求解的過程。還可以在學習Numpy的課前預習中使用高血壓患者平均年齡的例子，鼓勵學生分別寫出使用列表和數組完成計算的代碼并對比耗時情況。通過這樣的預習活動學生會直觀認識到Numpy實現了更高效的數據組織和運算。目前廣東醫科大學主要使用超星學習通平臺發布課前習任務。

課中學習是教師和學生在同一時間共同參與教學的環節，也是借助數字技術提升教學質量的主戰場。以往的教學改革經驗表明必須堅持“教學以學生為主，教師以引導為主”，數字技術正好有利于教師更好地引導學生主動學習，以及培養學生學習信心和興趣。廣東醫科大學主要使用雨課堂等教學軟件來搭建數字課堂。首先安裝雨課堂，然后將前期建設好的教學案例和課堂互動題目集成到PPT課件里。如圖1 （a）所示，雨課堂支持單選題、多選題、填空題和主觀題等多種題型。點擊“開啟雨課堂授課”后創建課程和班級即可生成如圖1（b）所示的課程邀請碼，最后學生使用手機掃碼進入數字課堂。

通過強化課前預習，教師可以進一步壓縮教師講課時間增加師生互動時間，探索通過結合具體案例和師生互動來完成知識點教學，在教師引導到位的情況下，學生通過解決一系列疑難問題可以不斷收獲信心，逐步培養出學習興趣。基于雨課堂的數字課堂支持以下幾種常用的互動：

1） PPT課件會自動同步推送到學生的手機上，手機上的課件和教師投影的課件同步播放。如果某頁PPT上的內容講解有聽不懂的地方，學生可以直接在手機上標注該頁，教師可以實時接收到反饋并做出調整。

2） 在教師提前開啟實時飄彈幕的前提下，學生有不懂的地方還可以直接發送彈幕，彈幕內容會在PPT 課件播放過程中實時出現并被教師和所有學生看到。

3） 在完成知識點講解后推送互動題目給學生作答以實現進一步鞏固。如果是選擇題可以立刻獲知學生作答情況，還可以抽取學生就所選答案做出解釋。如果是主觀題可以要求學生在紙上作答然后拍照提交，最后教師將收集到的圖片投影到屏幕上進行講解。

實驗教學主要采用了Python123在線平臺。該平臺是北京理工大學搭建的面向新工科教學需求的計算機類基礎課程輔助平臺。除了提供在線編程環境，該平臺還提供了在線題庫和用來在線檢測程序源代碼正確性的Online Judge系統。教師首先要在該平臺上建立習題庫，然后圍繞相關知識點開發一系列練習題目，題型包括單項選擇題、多項選擇題、判斷題、程序填空題、程序設計題、代碼補全題、程序改錯題等。以上題型全部支持自動評分，省去了人工評閱的過程，大大減少了教師評閱題目和統計分析的工作量。其次，教師需要在該平臺上創建課程并上傳課程學生名單，然后把課程邀請碼發送給學生，學生掃碼即可完成注冊和加入課程。最后，在完成每一周的理論教學之后，教師需要從習題庫中精心挑選若干題目組成本周的實驗教學內容并設置好開放時間。這種“資源+平臺”式的新型實驗教學模式具有以下特點：

1） 明確學生在教學中的主體地位，鼓勵討論交流和學生指導學生，淡化教師角色。

2） 提供多層次、階梯式的題目資源，滿足對不同能力層次的學生群體的教學。

3） 以平臺為主教師為輔的方式引導學生主動分析思考問題并得到求解方案，然后編寫出代碼并提交到Online Judge系統進行正確性驗證。

4） 如果存在錯誤，鼓勵學生根據平臺給出的提示通過獨立思考或小組討論交流對代碼進行改正，然后重新提交并驗證。

課后復習主要幫助學生做到查漏補缺，能借助思維導圖等手段形成知識脈絡，鞏固加深對知識點的理解。根據學生前面的學習情況，在這一環節會借助超星學習通平臺發布40分鐘課堂的錄制視頻供學生回顧學習，針對暴露出來的疑難點，還會有針對性地選取相應的習題錄制講解視頻并發布到平臺上，同時發布復習任務，要求學生觀看完視頻后緊接著完成若干練習題。

2.2 學情數字化

教師充分發揮引導作用做到因材施教，首先，要做到及時且全面地掌握學生的學習情況。傳統教學過程中教師收集學情數據的場景和手段都是極其有限的，數字技術徹底顛覆了這一現狀。超星學習通平臺、雨課堂等教學軟件會產生大量反映學生學習情況的學情數據。例如，教師在授課前可查看課前預習任務完成情況，并據此判斷知識點難易程度進而有針對性地調整后續教學。學情數據還包括課堂上推送題目給學生作答所產生的作答耗時和正確率、彈幕內容等。基于雨課堂的數字課堂結束后教師會立即接收到如圖2所示的課堂報告。報告里記錄了完整的課堂節奏，包括教師講解、題目互動等環節所占時長。報告還記錄了哪頁PPT被多少學生標注不懂、題目作答參與人數和作答情況如正確率、哪些學生在什么時間發送了彈幕等。實驗教學部分Python123平臺同樣會產生諸多學情數據，具體包括成績分布圖、及格率、習題提交次數等。

對于收集所得的學情數據更重要的是采用關聯規則、聚類分析等大數據分析方法進行數據分析，挖掘學情數據中蘊含的規律，然后根據數據分析結果不斷優化數字化教學的各個方面。例如將數字課堂互動題目數量、互動時長、實驗題目難易程度等數據與學生實驗得分組合形成樣本數據并進行關聯分析，找出密切影響學生實驗得分的因素，然后在接下來的數字化教學中有針對性地進行適當調整。

2.3 資源數字化

為了完美支持數字化教學，需要大力建設多方面的教學資源，例如課前預習任務、數字課堂所使用的教學案例和互動題目、部署在Python123平臺上的實驗題目以及課后復習所用的講解視頻等。截至目前已經結合數字技術構建了一批能有效啟發學生思維、加強學生綜合訓練的課程資源。有別于傳統課程資源，題目講解短視頻備受學生歡迎。

圖3給出了本次數字化教學改革的整個研究框架。為了推動數字化教學轉型還需要相應地調整課程考核方式，例如降低期末考試成績占比，增加課前預習、課中學習和課后復習環節的參與得分。

3 結論

本次教學改革的一大特色是重視學情數據并借助數字技術實現自動化收集和分析。教師只有在細致掌握學生學習情況的基礎上才能借助靈活的教學手段實現教學主體從“教師”到“學生”的轉變，真正做到因材施教。改革實踐驗證了數字技術融入教學的有效性，數字課堂、短視頻等手段確實有助于引導學生主動學習以及培養學生學習信心和興趣。據統計，自實施數字化教學以來，廣東醫科大學學生近三年計算機二級考試通過率分別為63.1%、69.7%和74.8%，保持穩步增長。學生參加廣東省計算機設計大賽近三年獲獎總數量分別為5項、5項和15項，其中獲一等獎二等獎三等獎比例分別為2∶1∶2、3∶0∶2和3∶5∶7，獲獎數量和級別雙雙呈上升趨勢。展望后續的教學改革工作，將致力于維持“學情數據來源于數字化教學又服務于數字化教學”的良性循環并不斷探索更豐富、更高效的數字化教學手段。

參考文獻：

[1] 徐定華，彭慧.建設數字化課程 開展高校課程教學模式創新[J].中國大學教學，2012（8）：23-25.

[2] 吳曉璇，張新，郭昌建，等.基于Python123的Python程序設計混合式教學模式的探索[J]. 電腦知識與技術，2022，18（24）：172-173.

[3] 何文廣，周珂，熊剛強.程序設計課程實驗教學改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2016，35（6）：163-165，169.

[4] 劉祖萍.建構主義學習在VB程序設計教學中的應用[J].中國教育學刊，2013（S3）：62-63.

[5] 徐曉飛，張策.我國高等教育數字化改革的要素與途徑[J].中國高教研究，2022（7）：31-35.

[6] 王吉平，王宇洋.基于“雨課堂” 的Python語言程序設計課程混合式教學的研究[J].現代信息科技，2023，7（24）：170-174.

【通聯編輯：王力】

基金項目：本文得到廣東醫科大學高等教育教學研究課題（No.2JY23028、No.2JY22024） ；廣東醫科大學本科教學質量與教學改革工程項目（No.1JG23131、No.1JG22168） ；全國高等院校計算機基礎教育研究會2023 年度計算機基礎教育教學研究項目（2023-AFCEC-021） 資助