Python 程序设计课程数字化教学探索

摘要：当前，医药类院校面向非计算机专业学生开设Python程序设计课程仍然面临医学专业课业繁重、无法激发学生学习兴趣等问题。针对上述问题提出了包含“课堂数字化”“学情数字化”“资源数字化”在内的数字化教学改革方案。在整合雨课堂、超星学习通、Python123平台等数字技术的基础上全方位优化教学内容、教学手段等核心要素，重视学情数据并借助数字技术实现自动化收集和分析，在实现学情数据来源于数字化教学又服务于数字化教学的基础上，支持教师通过灵活的教学来实现教学主体从“教师”到“学生”的转变。自实施数字化转型以来学生参加计算机二级考试通过率近三年保持稳步增长，数字技术融入教学的有效性得到验证。

关键词：Python程序设计；Python教学；数字化转型；学情；数字课堂；混合式教学

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）31-0043-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

进入21世纪以来，人工智能、大数据等先进技术蓬勃发展并呈加速向社会各领域全面融合，数字化的知识和信息已成为一种关键生产要素。在加速数字社会发展之余，上述技术也推动了高等教育数字化的进程。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》提出要加强优质教育资源开发与应用和网络教学资源库建设，开发网络学习课程，建立开放灵活的教育资源公共服务平台，促进优质教育资源普及共享[1]。《教育部2022年工作要点》明确提出实施教育数字化战略行动，教育数字转型、智能升级、融合创新驶入快车道。为了深入探索高等教育数字化发展规律，2020年成立的世界慕课与在线教育联盟在教育部大力支持下出台了《无限的可能：世界高等教育数字化发展报告》，将高等教育数字化发展划分为三个阶段：

1） 转化阶段：数字技术融入融合到高等教育体系之中。教学突破时间和空间的限制，教学目标、内容、活动、评价、环境等核心要素在物理及网络融合的空间里重新优化和组合。

2） 转型阶段：高等教育实现自我转型与提升，高校内部各项业务流程实现再造。教育各要素、各环节全面数字化转型，大学教学与人才培养过程各类场景得到数字化的构建，大学组织形式、教学形式、服务形式、治理形式等发生深刻变化。

3） 智慧阶段：高等教育将完成再造，与社会之间的界限进一步打破。以人工智能为代表的新一轮信息技术在高等教育领域的深度应用促使高等教育更加以人为本、更加精准、更加公平、更加开放、更加个性化。

1 传统教学的主要问题

伴随着社会信息化程度的提高，计算机技术愈发广泛应用在医学领域如医学图像处理、计算机辅助诊断等。因此，医学生除了掌握专业知识外，还需要具备一定的计算机知识和能力。考虑到Python语言具有广泛的应用领域[2]并且有利于为后续课程的开设奠定基础，广东医科大学开设了信息技术基础课程并选择讲授Python语言程序设计。在前期教学过程中广东医科大学教师主要围绕“计算思维培养”和“线上线下混合式教学”开展了大量教学研究并取得了一定成效[3]。然而总结现阶段的教学成效，不难发现尽管教学体系日益成熟，并且学生在完成课程学习后往往能通过计算机等级考试或者在学科竞赛中斩获佳绩，但对于绝大多数医学生而言，医学专业课业繁重以及程序设计过于抽象仍然是两座大山，现阶段的教学仍存在以下有待改进之处：

1） 无法激发学习兴趣，学生主观能动性低。医学生计算思维相对薄弱，很容易陷入上一周教学内容还没理解透彻又要学习下一周教学内容的境地，进而滋生消极怠学的情绪。

2） 教学手段不够灵活。在线教学只是简单把课堂教学移植到网络上，教学手段相比传统线下教学并没有取得重大突破，学生参与课堂互动的热情没能得到提高，教师仍然很难实时获知教学效果。

以上教学问题无疑对教师提出了更高的能力要求，即教师首先要在基本功层面熟练掌握多样化的教学手段，其次还要在教学过程中及时掌握学生的学习情况从而做到有的放矢地调整教学。建构主义认为新型教学模式应当是以学生为中心，教师起到组织者、指导者、帮助者和促进者的作用[4]，充分发挥学生的主动性和积极性，最终达到学习的目的。显然，不管是线下教学、线上教学还是混合教学，一旦缺乏对学生群体的认识，教师的作用也就成了无源之水无本之木。基于“以学生为中心”的育人理念[5]以及对数字技术融入高等教育的认识，本文认为开展数字化教学转型有望全方位提升教学质量，尤其是克服学情的短板效应。

2 数字化教学设计

数字化教学不是简单地将传统课堂搬到网络上，而是在整合数字技术的基础上全方位优化教学目标、内容、活动、评价、环境等核心要素。针对传统教学的不足之处，本文提出了包含“课堂数字化”“学情数字化”“资源数字化”在内的数字化教学改革方案。

2.1 课堂数字化

课堂数字化最大的特色和作用在于构建无边界的在线课堂，学生在任何时间连接网络即可进入课堂开展学习。借助数字技术，现实中40分钟的线下课堂将被数字化并最终成为数字课堂的重要组成部分。据此，数字课堂可进一步划分为课前、课中（对应线下课堂）和课后三部分。

有效的课前预习被公认为是提高学习效率的重要因素。作为非计算机专业学生的一门必修课，程序设计课程主要培养学生使用计算机分析问题和解决问题的思维能力[6]，具有较强的实践性。因此，为了帮助学生更好地理解知识点，教师有必要在课前预习环节构建相应的应用场景，把抽象的代码转化为具体的问题，帮助学生更好地理解即将要学习的知识点，以及对完成学习后能掌握何种解决问题的能力形成具体的印象。例如，可以在第一次课前预习中使用鸡兔同笼的例子，鼓励学生在完成预习之后尝试根据数学公式写出相应的代码。这样的预习活动显然有助于学生理解程序设计中变量等概念，以及体会人指导计算机进行问题求解的过程。还可以在学习Numpy的课前预习中使用高血压患者平均年龄的例子，鼓励学生分别写出使用列表和数组完成计算的代码并对比耗时情况。通过这样的预习活动学生会直观认识到Numpy实现了更高效的数据组织和运算。目前广东医科大学主要使用超星学习通平台发布课前习任务。

课中学习是教师和学生在同一时间共同参与教学的环节，也是借助数字技术提升教学质量的主战场。以往的教学改革经验表明必须坚持“教学以学生为主，教师以引导为主”，数字技术正好有利于教师更好地引导学生主动学习，以及培养学生学习信心和兴趣。广东医科大学主要使用雨课堂等教学软件来搭建数字课堂。首先安装雨课堂，然后将前期建设好的教学案例和课堂互动题目集成到PPT课件里。如图1 （a）所示，雨课堂支持单选题、多选题、填空题和主观题等多种题型。点击“开启雨课堂授课”后创建课程和班级即可生成如图1（b）所示的课程邀请码，最后学生使用手机扫码进入数字课堂。

通过强化课前预习，教师可以进一步压缩教师讲课时间增加师生互动时间，探索通过结合具体案例和师生互动来完成知识点教学，在教师引导到位的情况下，学生通过解决一系列疑难问题可以不断收获信心，逐步培养出学习兴趣。基于雨课堂的数字课堂支持以下几种常用的互动：

1） PPT课件会自动同步推送到学生的手机上，手机上的课件和教师投影的课件同步播放。如果某页PPT上的内容讲解有听不懂的地方，学生可以直接在手机上标注该页，教师可以实时接收到反馈并做出调整。

2） 在教师提前开启实时飘弹幕的前提下，学生有不懂的地方还可以直接发送弹幕，弹幕内容会在PPT 课件播放过程中实时出现并被教师和所有学生看到。

3） 在完成知识点讲解后推送互动题目给学生作答以实现进一步巩固。如果是选择题可以立刻获知学生作答情况，还可以抽取学生就所选答案做出解释。如果是主观题可以要求学生在纸上作答然后拍照提交，最后教师将收集到的图片投影到屏幕上进行讲解。

实验教学主要采用了Python123在线平台。该平台是北京理工大学搭建的面向新工科教学需求的计算机类基础课程辅助平台。除了提供在线编程环境，该平台还提供了在线题库和用来在线检测程序源代码正确性的Online Judge系统。教师首先要在该平台上建立习题库，然后围绕相关知识点开发一系列练习题目，题型包括单项选择题、多项选择题、判断题、程序填空题、程序设计题、代码补全题、程序改错题等。以上题型全部支持自动评分，省去了人工评阅的过程，大大减少了教师评阅题目和统计分析的工作量。其次，教师需要在该平台上创建课程并上传课程学生名单，然后把课程邀请码发送给学生，学生扫码即可完成注册和加入课程。最后，在完成每一周的理论教学之后，教师需要从习题库中精心挑选若干题目组成本周的实验教学内容并设置好开放时间。这种“资源+平台”式的新型实验教学模式具有以下特点：

1） 明确学生在教学中的主体地位，鼓励讨论交流和学生指导学生，淡化教师角色。

2） 提供多层次、阶梯式的题目资源，满足对不同能力层次的学生群体的教学。

3） 以平台为主教师为辅的方式引导学生主动分析思考问题并得到求解方案，然后编写出代码并提交到Online Judge系统进行正确性验证。

4） 如果存在错误，鼓励学生根据平台给出的提示通过独立思考或小组讨论交流对代码进行改正，然后重新提交并验证。

课后复习主要帮助学生做到查漏补缺，能借助思维导图等手段形成知识脉络，巩固加深对知识点的理解。根据学生前面的学习情况，在这一环节会借助超星学习通平台发布40分钟课堂的录制视频供学生回顾学习，针对暴露出来的疑难点，还会有针对性地选取相应的习题录制讲解视频并发布到平台上，同时发布复习任务，要求学生观看完视频后紧接着完成若干练习题。

2.2 学情数字化

教师充分发挥引导作用做到因材施教，首先，要做到及时且全面地掌握学生的学习情况。传统教学过程中教师收集学情数据的场景和手段都是极其有限的，数字技术彻底颠覆了这一现状。超星学习通平台、雨课堂等教学软件会产生大量反映学生学习情况的学情数据。例如，教师在授课前可查看课前预习任务完成情况，并据此判断知识点难易程度进而有针对性地调整后续教学。学情数据还包括课堂上推送题目给学生作答所产生的作答耗时和正确率、弹幕内容等。基于雨课堂的数字课堂结束后教师会立即接收到如图2所示的课堂报告。报告里记录了完整的课堂节奏，包括教师讲解、题目互动等环节所占时长。报告还记录了哪页PPT被多少学生标注不懂、题目作答参与人数和作答情况如正确率、哪些学生在什么时间发送了弹幕等。实验教学部分Python123平台同样会产生诸多学情数据，具体包括成绩分布图、及格率、习题提交次数等。

对于收集所得的学情数据更重要的是采用关联规则、聚类分析等大数据分析方法进行数据分析，挖掘学情数据中蕴含的规律，然后根据数据分析结果不断优化数字化教学的各个方面。例如将数字课堂互动题目数量、互动时长、实验题目难易程度等数据与学生实验得分组合形成样本数据并进行关联分析，找出密切影响学生实验得分的因素，然后在接下来的数字化教学中有针对性地进行适当调整。

2.3 资源数字化

为了完美支持数字化教学，需要大力建设多方面的教学资源，例如课前预习任务、数字课堂所使用的教学案例和互动题目、部署在Python123平台上的实验题目以及课后复习所用的讲解视频等。截至目前已经结合数字技术构建了一批能有效启发学生思维、加强学生综合训练的课程资源。有别于传统课程资源，题目讲解短视频备受学生欢迎。

图3给出了本次数字化教学改革的整个研究框架。为了推动数字化教学转型还需要相应地调整课程考核方式，例如降低期末考试成绩占比，增加课前预习、课中学习和课后复习环节的参与得分。

3 结论

本次教学改革的一大特色是重视学情数据并借助数字技术实现自动化收集和分析。教师只有在细致掌握学生学习情况的基础上才能借助灵活的教学手段实现教学主体从“教师”到“学生”的转变，真正做到因材施教。改革实践验证了数字技术融入教学的有效性，数字课堂、短视频等手段确实有助于引导学生主动学习以及培养学生学习信心和兴趣。据统计，自实施数字化教学以来，广东医科大学学生近三年计算机二级考试通过率分别为63.1%、69.7%和74.8%，保持稳步增长。学生参加广东省计算机设计大赛近三年获奖总数量分别为5项、5项和15项，其中获一等奖二等奖三等奖比例分别为2∶1∶2、3∶0∶2和3∶5∶7，获奖数量和级别双双呈上升趋势。展望后续的教学改革工作，将致力于维持“学情数据来源于数字化教学又服务于数字化教学”的良性循环并不断探索更丰富、更高效的数字化教学手段。

参考文献：

[1] 徐定华，彭慧.建设数字化课程 开展高校课程教学模式创新[J].中国大学教学，2012（8）：23-25.

[2] 吴晓璇，张新，郭昌建，等.基于Python123的Python程序设计混合式教学模式的探索[J]. 电脑知识与技术，2022，18（24）：172-173.

[3] 何文广，周珂，熊刚强.程序设计课程实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索，2016，35（6）：163-165，169.

[4] 刘祖萍.建构主义学习在VB程序设计教学中的应用[J].中国教育学刊，2013（S3）：62-63.

[5] 徐晓飞，张策.我国高等教育数字化改革的要素与途径[J].中国高教研究，2022（7）：31-35.

[6] 王吉平，王宇洋.基于“雨课堂” 的Python语言程序设计课程混合式教学的研究[J].现代信息科技，2023，7（24）：170-174.

【通联编辑：王力】

基金项目：本文得到广东医科大学高等教育教学研究课题（No.2JY23028、No.2JY22024） ；广东医科大学本科教学质量与教学改革工程项目（No.1JG23131、No.1JG22168） ；全国高等院校计算机基础教育研究会2023 年度计算机基础教育教学研究项目（2023-AFCEC-021） 资助