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20P y t h o n语言与应用广东省深圳市罗湖区教育科学研究院 宗 艳【摘 要】随着人工智能技术的兴起，Python 逐渐成为最受欢迎的编程语言。在中小学人工智能教育中，Python 也以其独特的优越性日趋普及。文章对 Python 语言的特点进行了研究、概括；对支持 Python 以及 Micropython 语言的硬件开发板进行了分类归纳，并对各开发板的结构和功能进行了分析；对融合 Python 语言的科创教育应用案例进行了语言设计、功能设计、应用设计的总结展示；最后对新课标背景下 Python 的学习模式进行了探讨。【关键词】Python 语言 人工智能教育 软件应用一、什么是 PythonPython 由荷兰数学和计算机科学研究学会的吉多范罗苏姆于 1990 年初设计。吉多最初的设计理念是想设计出一款既简单又功能强大的语言，还能简单有效地面向对象编程。事实证明，Python 确实如此。Python 是解释型语言，兼容性好，能在多个平台使用，而且简单易学。近年来，随着版本的不断更新和语言新功能的添加，Python 逐渐被用于独立的、大型项目的开发。从权威的 Tiobe2022 年发布的最新编程排行榜可以看到，Python 在 2021 年、2022 年连续两年名列编程排行榜第一名，位列其后的是 C、Java、C+等。Python 已是目前最热门的编程语言。Python 现在如此受欢迎，但是过去多年却并非如此。通过 7 种受欢迎的编程语言近 25 年的排行数据统计，我们可以看到各大编程语言的起伏路径。编程语言历年排行统计如图 1 所示。图 1从图 1 可以看到，在 1997 年时 Python 排名是第 28位。那么，25 年时间跃升至排行榜第一位，原因是什么？为何会有如此大的反差呢？通过对 Python 的学习和使用，我们可以概括出两个原因。其一，Python为追求简单易用，隐藏了机器实现的细节，这使 Python 对电脑配置有很高的要求，这与当时的主流观点相违背。在资源有限的情况下，当时的程序员更加关注计算机资源利用的最大化，而不是语言是否易入门、易阅读，因此最初Python只是一种小众编程语言。其二，当今 AI 技术及其应用备受关注，迎来一波热潮，Python 的模块化使得 AI 的开发变得容易。2011年后人工智能进入蓬勃发展期，先进的机器学习技术逐渐成熟并应用于社会生活，Python 在人工智能领域大展拳脚。2021 年 SlashData 发布的调查显示，有 70%的机器学习开发者会使用 Python。在人工智能领域，开发者更需要集中精力在程序逻辑而不是语言实现，Python 的简单哲学、丰富的三方库和框架、不依赖平台的特性及庞大的社区人群构建了一个最适宜的高效开发环境，Python得以广泛应用。另外，创客文化的盛行也为 Python 的流行推波助澜。二、支持 Python 的硬件开发板软件需要靠硬件来实现其功能。随着 Python 的日渐普及，除了面向电脑的 Python 语言以外，针对单片机开发板的 Micropython 语言版本也被开发出来。Micropython 与 Python 的语法基本一致，而对应这两种语言的开发板也相继出现。（一）支持 Micropython 的开发板目前支持 Micropython 的开发板主要有以下几种：1.PyboardPyboard 由官方开发，是支持完整MicroPython软件功能的官方微控制器开发板。它通过 USB 连接到电脑，内置一个 USB 闪存来保存Python程序，接通电源即可运行。Pyboard 与Windows、Mac和Linux兼容，但国内21比较少见，使用的人较少。2.TpyboardTpyboard 是国内开发的一款支持 Micropython 的开发板，以遵照 MIT 许可为基础。它基于单片机，通过USB 接口进行数据传输。该开发板内置 4 个 LED 灯、一个加速传感器，可在 3V10V 之间的电压正常工作，有丰富的支持文档和开发环境，应用比较广泛。3.掌控板这是另一款国内开发的支持Micropython的开发板，板上集成了 Wi-Fi 模块、显示器、环境光感应器、音量感应器、喇叭等，不需外接多个器件就可以完成许多实验。掌控板在物联网应用上比较有优势。（二）支持 Python 的开发板直接支持 Python 的开发板主要有：1.树莓派树莓派（RaspberryPi），是为学习计算机编程教育而设计。树莓派是只有信用卡大小的微型电脑，其系统基于 Linux。树莓派接口丰富，特别适合用来开发与人工智能相关的产品。2.JetsonNanoJetsonNano 是英伟达公司研制的一款性能强大、体积小巧的智能芯片，其配备了四核处理芯片，能够运行多种算法和 AI 框架，支持多个神经网络并行实现图像分类、人脸识别、语音处理、目标检测及物体识别追踪等，适用于开发小结构、低成本、低能耗的设备。三、Python 语言应用案例基于 JetsonNano 的智能结算系统Python 语言目前在我国中小学人工智能教育中的运用已呈燎原之势。“基于 JetsonNano 的智能结算系统”由深圳市一所中学的学生设计制作完成，作品基于 Python 语言，是一款可用于食堂、超市等大型人流场所的智能结算设备。该项目在 2019 年获得广东省青少年科技创新大赛二等奖，是一项非常优秀的科技创新成果。（一）项目的语言设计该项目在参加省赛之前需要经过深圳市青少年科技创新大赛的选拔。参加市赛时作品用的是 ArduinoC 语言。在市赛阶段，作者就发现机器视觉识别率低，识别速度太慢且容易出错，导致结算效率低；所用硬件因为受到算力的限制，分辨率也低。因此在确定被推荐将参加省赛时，作者对硬件和软件都进行了升级硬件平台更换成 JetsonNano，软件更换成 Python。这样，Python的优越性就充分展示出来了：（1）使用 Python 加 JetsonNano 的组合后，运用了YOLOv4 的算法，支持的硬件更强大，识别率由原来的75%提升到 95%左右,而且识别速度得到提高，分辨的效率提高了 3 倍。（2）算力提升以后，系统的训练时间大幅度缩减。以前训练认识一个物体可能要 1 分钟，新设备大概只要20 秒，极大地节约了时间成本。（3）Python 支持更高分辨率的摄像头。原先的Arduino 只支持 320240 分辨率的设备，现在可以支持1280960 的设备，这样可采集的信息更多，对物品识别的正确率也得到提高。使用Python 完成项目功能后，项目的识别率、结算速度得到极大的提升，能够顺利、高效地完成智能结算工作。作品在参加省赛的现场展示中，表现优异。（二）项目的功能设计经过多次的项目方案分析及试验，“基于 JetsonNano 的智能结算系统”项目最终确定由放置物品、对比数据库、结算物品价格、识别人脸、对比数据库、扣费并播报、完成结算七个技术流程实现智能结算功能。其中，在放置物品、识别人脸两个程序判断中，如果得到否定的指令（no）,工作流程将转到深度学习、录入数据库阶段，然后再转为下一流程。“基于 JetsonNano 的智能结算系统”工作流程图如图 2 所示。图 2（三）项目的应用设计1.项目的应用作为人口大国的中国，在超市、食堂排长队结算的现象十分常见。排长队等候消耗了购买者以及工作人员的大量时间，其中消耗时间最多的就是结算环节。因此，迫切需要一个有效的设备改进结算慢的问题。作者在日常生活中通过汽车使用 ETC 通道的案例得到灵感：ETC 通道相比普通人工收费通道结算速度更快、通行效率更高。因此，学生产生了通过智能结算方式改善超市、食堂等结算慢这一情况的想法。“基于 JetsonNano 的智能结算系统”项目运用了多项先进技术，例如计算机图像识别、人脸识别、物联网通信技术。硬件使用了 Arduino 和 JetsonNano，传送带部分使用了光电传感器，控制传送带的运送与停止，同时避免过多用电。22“基于 JetsonNano 的智能结算系统”适合应用于超市、食堂等人流量较大的商户结算。机器在工作之前先对商品外观形态进行深度学习，在工作时对传送带上需要结算的流动商品逐一进行识别、计价，并且进行语音播报，最后通过人脸识别（或者其他付款方式）进行结算。2.项目的优势“基于 JetsonNano 的智能结算系统”对比现有的各类结算方式，具有明显的优势。与传统的人工结算相比，“基于 JetsonNano 的智能结算系统”的优点有：（1）结算速度快，不需要等待人工计算结果；（2）结算结果准确，不会出现错误，极大地保障了购买者和商家的利益；（3）支付方式多样，支持人脸识别。与现在已有的智能结算设备相比，“基于 JetsonNano 的智能结算系统”的优点：不需要寻找条形码，由系统通过计算机图像识别技术识别商品，方便视力不佳人士。3.项目的展望对于“基于 JetsonNano 的智能结算系统”，作者未来将继续开展研究，提高机器的识别准确率，持续完善设备，不断优化，迭代升级。“基于 JetsonNano 的智能结算系统”目前已经申请了专利，作者和辅导老师希望在对项目进一步改进完善后，能够推向市场，以探索基础教育阶段的“创新创业”教育实质，真正实现双创精神。四、新课标背景下 Python 的学习模式Python 语言与人工智能（AI）紧密联系。AI 技术已经渗透到生活的方方面面，从智能手机的语音助手到网上购物时的商品推荐，无一不用到人工智能技术。而Python 也已经逐步在网络爬虫、数据分析、机器学习、金融、测试等多个领域扎根壮大。（一）Python 学习体现新课标的核心素养新课标全面贯彻党的教育方针，落实立德树人的教育根本任务，注重素质教育。信息科技新课标明确了需要培养的核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个方面，期望通过信息科技课程学习让学生形成正确的价值观、必备品格及关键能力。（1）Python 学习能够培养学生的信息意识。学生通过 Python 学习，能具有一定的信息感知力，熟悉信息传递的内在逻辑；能根据目标导向找寻有效的数字平台与资源解决问题，并崇尚科学精神、原创精神。同时，能培养学生掌握核心技术的意识，以及依法合理应用信息的意识。（2）Python 学习有助于学生计算思维的养成。在学习 Python 的过程中，学生能够熟悉计算机科学领域的抽象、分解、算法设计等思维活动，在面对具体问题时，可以进行抽象、分解、建模并通过算法解决问题，同时培养反思、优化能力。（3）Python 学习提升学生数字化学习与创新能力。学生通过 Python 学习学会选用合适的数字设备、平台及资源，学会探究性学习；养成利用信息科技进行学习与生活的习惯，能够创造性地解决问题。（4）Python 学习能增强学生信息社会责任感。通过Python 学习，学生能理解信息科技给学习、生活带来的各种影响，学会负责任地共享信息和资源；领悟网络空间是人类活动空间的有机组成部分，网络空间活动必须遵守一定的秩序，继而形成良好的信息道德品质，增强信息社会责任感。（二）新课标背景下 Python 的学习模式新课标背景下 Python 的学习活动以素养提升为目标，以真实情境为基础，实现心智学习和实践的协同发展。为了体现新课标要求，项目式学习是 Python 学习活动的最适切形式。项目式学习是一种任务驱动的特定教学模式，它注重的不仅仅是项目的最终结果，也包括学生通过学习活动获取知识及技能的方法。新课标背景下 Python 项目式学习模式构建包括以下几个方面：1.Python 课程目标构建在 Python 项目式学习模式构建中，首先就是要对课程目标进行构建。明确了课程目标的要求，才能在教育工作中科学地实施对策，将新课程标准落实。2.Python 课程体系构建在 Python 项目式学习模式构建中，为了保证教学目标的顺利实现，应该进行有效的课程体系构建。及时有效地构建 Python 项目式学习课程体系，才能保障教育工作朝着预期目标发展。3.Python 课程评价体系构建在 Python 项目式学习模式构建中，应对课程评价体系进行科学有效的构建，使教学评价可以根据教学目标要求及时进行教学反馈，切实地为教育工作服务。注：本文系广东省教育科学规划 2023 年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“基于创新素养培育的科创教育区域协同推进机制实践研究”（项目编号：2023YQJK076）的阶段成果。