指向計(jì)算思維的初中Python編程課堂教學(xué)實(shí)踐研究

詹惠華 邢飛軍

【摘要】筆者以《大數(shù)據(jù)處理》這節(jié)課為例，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)了以下一套Python編程課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，有效開展教學(xué)，在日常Python編程課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生良好的問題求解思維以及抽象、認(rèn)知、構(gòu)造和遷移的能力，有效發(fā)展計(jì)算思維。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;Python編程;大數(shù)據(jù)處理

一、引言

培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維，是我們信息技術(shù)學(xué)科的重要關(guān)注點(diǎn)。Python編程語(yǔ)言作為廣州初二新教材的重要部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、抽象理解能力、設(shè)計(jì)思維都起著重要作用。筆者采用的教學(xué)案例是《大數(shù)據(jù)處理》這一節(jié)課，主要原因是這節(jié)課涉及人工智能領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析、KNN算法，對(duì)老師的教、學(xué)生的學(xué)都存在一定難度，因此筆者以本課作為案例，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來分析問題和解決問題，幫助學(xué)生增強(qiáng)學(xué)習(xí)Python編程的信心與決心。

二、教學(xué)案例分析

《大數(shù)據(jù)處理》這節(jié)課選自廣州市信息技術(shù)教科書初中第二冊(cè)第2章《程序設(shè)計(jì)初步》第6節(jié)，是一節(jié)Python的應(yīng)用課，主要內(nèi)容是分析大數(shù)據(jù)的一般過程、安裝第三方庫(kù)的方法、機(jī)器學(xué)習(xí)的KNN算法及其簡(jiǎn)單應(yīng)用。筆者以認(rèn)識(shí)水果為主線，借助英荔AI訓(xùn)練平臺(tái)，在具體的體驗(yàn)和實(shí)踐中去解決問題。

（一）教學(xué)目標(biāo)、重難點(diǎn)

1.通過補(bǔ)充、優(yōu)化、完善程序，自學(xué)學(xué)習(xí)任務(wù)單、教材、動(dòng)畫、視頻等學(xué)習(xí)資源，知道從sklearn導(dǎo)入KNN分析模型的命令以及第三方庫(kù)安裝的方法，了解KNN算法及其簡(jiǎn)單應(yīng)用，感受編程解決問題的樂趣。

2.通過體驗(yàn)AI訓(xùn)練平臺(tái)，小組合作探究大數(shù)據(jù)分析的一般過程，感受人工智能的價(jià)值。

教學(xué)重點(diǎn)：分析大數(shù)據(jù)的一般過程、從sklearn導(dǎo)入KNN分析模型的命令。

教學(xué)難點(diǎn)：KNN算法的工作原理。

（二）教學(xué)過程

第一個(gè)環(huán)節(jié)是創(chuàng)設(shè)情境，明確問題。首先我以亞馬遜水果分揀平臺(tái)為情境提出問題：機(jī)器如何認(rèn)識(shí)水果？引發(fā)學(xué)生思考。接著展示AI訓(xùn)練平臺(tái)，為每個(gè)小組提供真實(shí)的蘋果和橙子，邀請(qǐng)同學(xué)們借助平臺(tái)去體驗(yàn)機(jī)器認(rèn)識(shí)水果的過程。通過借助平臺(tái)界定問題，明確大數(shù)據(jù)分析的三大步驟。

第二個(gè)環(huán)節(jié)是搭建支架，分析問題。

筆者使用希沃平臺(tái)“知識(shí)配對(duì)”為學(xué)生搭建支架，邀請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)梳理分析大數(shù)據(jù)的一般過程：采集數(shù)據(jù)——訓(xùn)練數(shù)據(jù)形成模型——使用模型判斷新數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，并引出學(xué)習(xí)任務(wù)：編寫Python程序，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的蘋果和橙子分類功能。同時(shí)組織小組對(duì)程序的算法進(jìn)行討論，結(jié)合學(xué)生已有的知識(shí)體系，明確本課要解決的關(guān)鍵問題是：如何訓(xùn)練數(shù)據(jù)形成模型？幫助學(xué)生將自然語(yǔ)言梳理形成算法，引出KNN算法和第三方庫(kù)，形成初步解決方案。

第三個(gè)環(huán)節(jié)是建立模型，解決問題。通過編寫從sklearn導(dǎo)入KNN分析模型的命令，補(bǔ)充程序，建立模型，突出重點(diǎn)。通過修改K值，優(yōu)化程序，加深對(duì)程序的理解，突破難點(diǎn)。

在任務(wù)設(shè)計(jì)上，筆者通過“問題描述-分析問題——補(bǔ)充程序——命名要求”的步驟分解任務(wù)，采用程序挖空的形式讓學(xué)生補(bǔ)充從sklearn導(dǎo)入KNN分析模型的命令，將問題聚焦在本課的重點(diǎn)上。

學(xué)生自主學(xué)習(xí)后，為了幫助學(xué)生理解程序，筆者結(jié)合大數(shù)據(jù)分析的流程圖幫助學(xué)生建立大數(shù)據(jù)分析和程序直接的關(guān)系，進(jìn)一步深化重點(diǎn)。并提出疑問：我們年級(jí)有個(gè)同學(xué)對(duì)這個(gè)程序特別感興趣，在家里運(yùn)行程序發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這樣的問題：程序出現(xiàn)錯(cuò)誤提示：No module named scikit-learn，這是為什么呢？

明確本課所學(xué)的是第三方庫(kù)，在導(dǎo)入使用第三方庫(kù)之前我們需要安裝第三方庫(kù)，這里筆者會(huì)提供安裝體驗(yàn)動(dòng)畫，讓學(xué)生了解第三方庫(kù)的安裝方法，并明確使用第三方庫(kù)的一般過程是：明確算法——安裝第三方庫(kù)——導(dǎo)入第三方庫(kù)，通常情況下第三方庫(kù)都有提供官方文檔。根據(jù)第三方庫(kù)官方文檔說明，完成自己的需求。通過建立模型，幫助學(xué)生解決使用第三方庫(kù)的基本問題，為后續(xù)靈活使用第三方庫(kù)做好鋪墊。

接著筆者引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)探究任務(wù)上的問題：不管怎么修改判斷的數(shù)據(jù)，結(jié)果都顯示為1。引發(fā)學(xué)生討論，并布置鞏固任務(wù)：嘗試修改K值，結(jié)合KNN算法的相關(guān)視頻，小組合作探究KNN算法的工作原理。學(xué)生在不斷調(diào)試中評(píng)估算法，優(yōu)化算法與程序。

這里筆者會(huì)引導(dǎo)學(xué)生觀察結(jié)果，分析相同的數(shù)據(jù)（145，0），不同的K值會(huì)有不同的結(jié)果，啟發(fā)學(xué)生大膽思考、表達(dá)想法。

在任務(wù)一中數(shù)據(jù)記錄為5條，由于k值默認(rèn)為5，因此判斷的依據(jù)就是離得最近的5個(gè)鄰居，也就是當(dāng)前所有的數(shù)據(jù)，根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)的原則，橙子多于蘋果，所以任務(wù)一中不管你修改什么數(shù)據(jù)都判斷為橙子。同理在任務(wù)2中，k值修改為3，找到離的最近的是這3個(gè)樣本，按少數(shù)服從多數(shù)的原則，結(jié)果判斷為蘋果。借用第三方庫(kù)，我們也要用好第三方庫(kù)，反復(fù)調(diào)試、測(cè)試，使程序自動(dòng)化效果更好，實(shí)現(xiàn)程序優(yōu)化。我們既可以通過調(diào)整K值，也可以通過增大訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，使訓(xùn)練的模型更加成熟，預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

第四個(gè)環(huán)節(jié)是啟迪思維，學(xué)以致用。這里筆者會(huì)先演示程序：將判斷結(jié)果用圖片顯示的效果來完善程序，并介紹使用的算法和第三方庫(kù)pillow，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)可行的問題解決方案，并能夠遷移運(yùn)用到這個(gè)相似的編程問題解決中，進(jìn)一步完善程序。

最后一個(gè)環(huán)節(jié)是提煉總結(jié)，感悟本質(zhì)。通過小測(cè)鞏固新知，以評(píng)促學(xué);結(jié)合流程圖歸納要點(diǎn)，提煉使用第三方庫(kù)的一般方法。

三、總結(jié)

在Python編程課堂教學(xué)中，筆者將計(jì)算思維滲透在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，幫助學(xué)生提高用計(jì)算思維的相關(guān)特征點(diǎn)去解決復(fù)雜問題情境的能力，引導(dǎo)學(xué)生解決問題，通過長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練與實(shí)踐，內(nèi)化學(xué)生的思維，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力。當(dāng)然，計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，需要不斷探索，努力實(shí)踐。

（責(zé)任編輯：鄧羽婷）