《面向对象编程初探：Python中的类与对象》-高中信息技术教学设计

《面向对象编程初探：Python中的类与对象》——高中信息技术教学设计一、教学内容分析从《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》审视，本课隶属于“选择性必修模块1：数据与数据结构”中关于运用程序设计语言解决实际问题的核心范畴。课标强调在解决复杂问题时，能采用模块化与面向对象的思想进行程序设计，这为本课提供了明确的素养坐标。知识技能图谱上，类与对象是Python从结构化编程迈向面向对象编程（OOP）的关键枢纽，其核心概念包括“类”作为抽象蓝图、“对象”作为具体实例，以及“属性”与“方法”的封装。理解这一对关系，是从“使用工具”到“设计模具”的认知跃迁，为后续学习继承、多态等高级特性奠定基石。过程方法路径体现为“计算思维”中的抽象与建模：将现实世界的事物及其行为，抽象为计算机可处理的类，并通过实例化对象来模拟和解决问题。这一过程本身就是一个强大的思维训练。素养价值渗透在于，通过面向对象的设计，引导学生体会软件工程中“高内聚、低耦合”的设计美学，培养其系统化、工程化的解决问题的思维习惯，这正是数字化学习与创新素养的生动体现。基于“以学定教”原则进行学情研判：学生已熟练掌握变量、函数、列表、字典等基础语法，具备用结构化思维编写脚本解决问题的能力，这是学习OOP的有利基础。然而，主要障碍在于思维模式的转变——学生习惯于面向过程的线性思考，难以理解“先定义模具，再生产产品”的抽象逻辑，容易将类与对象、类属性与实例属性混淆。因此，教学的关键在于架设具体到抽象的桥梁。过程评估设计将贯穿课堂：通过导入情境的讨论、定义类时的模仿与纠错、实例化对象时的动手实践，以及分层练习的完成情况，动态诊断学生的理解层次。教学调适策略上，为理解缓慢的学生提供“代码填空”式脚手架和更丰富的现实类比（如“班级”是类，“张三”是对象）；为学有余力的学生准备“方法扩展”挑战任务，鼓励其尝试为类添加更多行为，实现差异化支持。二、教学目标知识目标：学生能够准确阐述类与对象的概念及其关系，理解类作为创建对象模板的本质；能规范地使用class关键字定义包含__init__初始化方法和至少一个实例方法的类，并能独立完成对象的创建与基本使用（如访问属性、调用方法），从而建构起面向对象编程的初步知识框架。能力目标：学生能够从具体的现实问题中（如管理学生信息、模拟简单游戏角色），识别出可被抽象为“类”的实体及其特征与行为，并尝试将其转化为Python类定义，初步发展运用抽象与建模这一核心计算思维解决实际问题的能力。情感态度与价值观目标：在小组协作设计类的过程中，学生能乐于分享自己的设计思路，积极倾听同伴建议，体验将复杂问题模块化、结构化的工程思维乐趣，感受代码组织的秩序与美感。科学（学科）思维目标：重点发展“计算思维”中的抽象思维与建模思想。通过“任务驱动，层层抽象”的问题链，引导学生完成从具体事物中剥离出共性特征（定义属性）、概括共同行为（定义方法）的思维过程，理解如何使用代码模型来模拟和映射现实世界。评价与元认知目标：学生能够依据给定的简单量规（如：类定义是否包含必要的属性和方法、实例化过程是否正确），对同伴或自己的代码进行初步评价；并能在课堂小结时，反思从面向过程到面向对象的思维转换难点及自己的掌握情况。三、教学重点与难点教学重点在于类的基本定义与对象的实例化过程。此重点的确立，源于其在面向对象知识体系中的基石地位。课标将“掌握一种程序设计语言的基本知识，使用对象等组织数据”作为关键能力点。从学业评价看，能否正确定义类并创建可用的对象，是考查学生是否理解OOP抽象本质的直接体现，是后续一切高级特性应用的前提。掌握此重点，意味着学生打通了OOP入门的最关键环节。教学难点在于理解“类”与“对象”的抽象关系及self关键字的含义。难点成因在于其高度的抽象性。学生容易将类视为一个“存储容器”，而非“生成模板”；对于self代表实例自身这一动态绑定概念，更感困惑，常出现调用方法时漏写self参数或访问属性时分不清类属性与实例属性的典型错误。突破方向在于采用“现实世界类比+可视化代码执行”的双轨策略，用“图纸与房子”、“饼干模具与饼干”等类比建立直观印象，同时通过调试工具单步执行，让学生清晰看到self在内存中如何具体指向不同的对象。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：交互式多媒体课件（内含类与对象关系的动态图解、代码逐步生成动画）、Python集成开发环境（如PyCharm或VSCode，并安装代码实时共享插件）、预设的分层练习题库。1.2学习资料：“探索任务单”（引导性问题与代码框架）、课堂小结思维导图模板（半结构化）。2.学生准备2.1知识准备：复习函数定义与字典类型的使用。2.2环境准备：个人计算机已运行Python开发环境。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：1.2.“同学们，假设我们现在要编写一个程序来管理我们班每一位同学的信息，比如姓名、学号、Python课程成绩。用我们之前学过的知识，你们会怎么存储‘张三’这位同学的信息？”（预设回答：用字典{‘name’:‘张三’，‘id’:‘001’，‘score’:95}）2.3.“很好！那么，李四同学呢？”（另一个字典）。大家想想，如果我们班有50位同学，就需要创建50个这样的字典，代码会不会显得有点重复和臃肿？更重要的是，如果我们想给每个同学增加一个‘打印个人信息’的功能，是不是要在50个地方修改？4.提出核心驱动问题：1.5.“有没有一种方法，能像‘盖章’一样，一次性定义好‘学生’应该有哪些信息和功能，然后快速‘生成’每一个具体的同学呢？今天，我们就来学习一种更强大、更优雅的编程范式——面向对象编程，破解这个难题。”6.明晰学习路径：1.7.“本节课，我们将化身‘软件设计师’，第一步，学习绘制‘设计图纸’（定义类）；第二步，学习按图纸‘生产具体产品’（创建对象）；第三步，让产品‘活’起来，执行各种操作。让我们从第一个挑战开始。”第二、新授环节任务一：从具体到抽象——认识类与对象教师活动：首先展示“学生张三”和“学生李四”的两个独立字典，引导学生找出二者的共性（都有name，id，score键）。然后抛出问题：“这些共性，是不是就像生产‘学生’这个产品的标准配方？”接着，引入“类（Class）”这个术语，将其比喻为产品的“设计图纸”或“模具”。再展示一个“圆”的例子：“世界上有无数个具体的圆，但‘圆’这个概念，定义了所有圆都有的共性：圆心和半径。这个‘圆的概念’就是类，而黑板上画的那个具体的圆，就是对象。”最后，用图示清晰对比：类（抽象）：学生（图纸）；对象（具体）：张三、李四（实物）。学生活动：观察教师提供的例子，参与讨论，识别现实事物中的“类”与“对象”（如：“汽车”是类，老师的“那辆白色轿车”是对象）。尝试用自己的语言向同桌解释类与对象的区别。即时评价标准：1.能否从给出的多个具体实例中准确归纳出共性概念。2.在用现实例子类比时，是否能清晰区分“抽象类别”与“具体个体”。形成知识、思维、方法清单：1.★核心概念1：类（Class）：对一类具有相同属性（特征）和方法（行为）的事物的抽象描述。它是创建对象的“蓝图”或“模板”。（教学提示：强调‘一类’和‘抽象’，可问‘水果’是类还是对象？）2.★核心概念2：对象（Object）/实例（Instance）：根据类创建出来的具体实体，拥有类中定义的属性和方法。（教学提示：对象是‘活’的，数据可以不同。）3.▲关键关系：类是抽象的模板，对象是具体的实例。一个类可以创建出无数个对象。任务二：绘制蓝图——定义第一个类教师活动：“现在，我们来把‘学生’这张图纸用Python语言画出来。”演示使用classStudent:语句开始定义。重点讲解__init__方法：“这是对象的‘出生证明’和‘初始化车间’，每个对象诞生时都会自动调用它。”详细解释__init__(self，name，id，score)中的参数：self代表即将创建的那个具体对象自己，name，id，score是外部传入的数据。通过动画演示，当执行stu1=Student(‘张三’，‘001’，95)时，self如何与为等属性。“看，self就像给这个新生儿贴上了专属标签。”学生活动：跟随教师讲解，在IDE中逐行输入代码，定义Student类。重点理解__init__方法的结构和self的用法。尝试修改参数，创建另一个Student对象stu2。即时评价标准：1.定义类时语法是否规范（冒号、缩进）。2.能否正确书写__init__方法头。3.在理解self的含义时，是否能将其与具体创建的对象联系起来。形成知识、思维、方法清单：1.★语法要点1：定义类classClassName:，类名通常采用大驼峰命名法。2.★核心方法：__init__(self，…)：初始化方法，在对象被创建时自动执行，用于设置对象的初始状态（属性）。（教学提示：前后双下划线是特殊方法的标志。）3.★关键参数self：代表类的实例对象自身。在类的方法定义中，第一个参数必须是self，通过它来访问和操作实例的属性与方法。（认知难点：调用时无需手动传递，Python自动处理。）4.▲属性绑定：在__init__方法内部，使用self.attribute=value将数据绑定到实例上，形成对象的属性。任务三：让对象行动——添加实例方法教师活动：“光有属性，学生还是个‘静物’。我们得让他能‘说话’，比如打印自己的信息。”演示在Student类中定义第一个实例方法defprint_info(self):。强调方法定义时第一个参数必须是self，方法内部通过来访问该对象自己的属性。“大家注意，self确保了每个对象调用这个方法时，打印的都是自己的信息，不会串台。”然后演示调用：stu1.print_info()，并与普通函数调用print_info(stu1)进行对比，突出面向对象“对象.行为()”的调用方式更自然、更封装。学生活动：在已定义的Student类中添加print_info方法并成功调用。思考并尝试添加另一个方法，如update_score(self，new_score)，用于修改学生成绩。即时评价标准：1.定义实例方法时，是否能正确使用self参数。2.调用对象方法时，语法是否正确（对象.方法名()，无需为self传参）。3.能否独立为类添加一个新的、有实际功能的方法。形成知识、思维、方法清单：1.★实例方法定义：在类内部定义的函数，第一个参数为self，用于定义对象的行为。2.★方法调用：使用对象.方法名()的格式进行调用。（易错点：不要忘记括号，且调用时无需也不能传入self对应的实参。）3.▲封装思想：将数据（属性）和操作数据的方法捆绑在一起，隐藏内部细节，仅通过公开的方法与对象交互。这是OOP的一大优势。（可以问：直接修改stu1.score和通过update_score方法修改，哪种更好？为什么？）任务四：综合应用——设计一个“圆”类教师活动：发布挑战：“请各位软件设计师，独立设计一个Circle类。”提出明确要求：1.属性包含半径radius。2.方法至少包含：计算面积get_area()、计算周长get_perimeter()。教师巡视，针对共性问题进行点拨，例如：在方法中如何使用math.pi，面积公式是pir²。对完成快的学生，提出拓展问题：“如何确保创建的圆半径不为负数？能否在__init__中增加检查？”学生活动：独立或结对完成Circle类的定义。实现要求的方法并进行测试。学有余力者尝试实现拓展要求。即时评价标准：1.能否根据需求独立完成类的完整定义（__init__，方法）。2.方法内部逻辑是否正确，能否正确使用对象的属性。3.是否具备初步的健壮性编程意识（如对输入数据的简单检查）。形成知识、思维、方法清单：1.★知识整合应用：综合运用类定义、__init__、实例方法完成一个完整的小型类设计。2.▲数学与编程结合：在方法中嵌入数学公式，体现跨学科应用。（提示：记得导入math模块。）3.▲初步的健壮性考虑：在__init__方法中增加数据验证逻辑（如ifradius<0:），是提升程序鲁棒性的良好开端。第三、当堂巩固训练本环节设计分层任务，学生可根据自身情况选择完成：1.基础层（全体必做）：完善Student类。添加一个introduce()方法，返回一句完整的自我介绍，如“我叫张三，学号是001，我的Python成绩是95分。”并创建两个不同的学生对象进行测试。2.综合层（鼓励完成）：设计一个Book类。属性包括书名(title)、作者(author)、价格(price)。方法包括：discount(self，percent)，表示打percent折（如9折传入0.9），并返回折后价格；show_info(self)，打印书籍信息。思考：discount方法应该直接修改原价还是返回新价格？哪种设计更合理？3.挑战层（学有余力选做）：尝试模拟一个简单的“银行账户”BankAccount类。属性：账户名(owner)、余额(balance)。方法：存款(deposit(amount))、取款(withdraw(amount)，需检查余额是否充足)、查询(check_balance())。注意：余额的初始化与变动。反馈机制：学生完成后，首先进行同伴互评，依据教师提供的简易量规（类定义完整、方法功能正确、调用无误）交换检查。随后教师进行集中讲评，通过屏幕共享展示具有代表性的代码（包括典型错误和优秀实现），重点剖析self的误用、方法调用错误等共性问题。对挑战层任务，邀请完成的学生简要分享其设计思路，特别是如何处理取款时余额不足的逻辑。第四、课堂小结“同学们，今天我们共同迈入了面向对象编程的大门。现在，给大家3分钟时间，请以小组为单位，用一句话总结‘类是什么？对象是什么？它们的关系是什么？’，并回顾定义类和创建对象的关键步骤。”随后邀请小组分享，教师用结构化板书（思维导图形式）进行最终梳理，核心枝干包括：类（模板/图纸）、对象（实例/产品）、__init__（初始化）、self（实例自身）、实例方法（行为）。“作业布置：必做作业：整理课堂笔记，完成基础层和综合层的代码，并写下运行结果。选做作业（二选一）：1.完善挑战层的‘银行账户’类，并编写一个小故事（多次存、取款）来测试它。2.思考：我们之前学过的‘列表’、‘字符串’，它们是不是也是‘类’？我们使用的list.append()、str.upper()是不是就是‘方法’？尝试查阅资料验证你的猜想，这将是下节课我们探讨的起点。”六、作业设计基础性作业：1.书面回答：简述类与对象的关系，并举例说明。2.编程实践：在编程环境中完整重现本节课定义的Student类和Circle类，并确保能成功创建对象和调用方法。将运行成功的截图附在作业文档中。拓展性作业：设计一个“智能手机”(SmartPhone)类。属性至少包括品牌(brand)、型号(model)、电量(battery_level，初始为100)。方法需包括：play_game(self，minutes)（每分钟消耗2%电量，并检查电量是否耗尽）、charge(self，minutes)（每分钟充入5%电量，不超过100%）、display_info(self)（显示手机当前状态）。编写一段小程序，模拟手机玩游戏、充电的过程并输出状态变化。探究性/创造性作业：以面向对象的思想，为你感兴趣的任何事物（如：一款游戏中的角色、一种生态系统中的生物、图书馆里的一本书）设计一个类。要求：1.至少定义3个有意义的属性和2个有功能的方法。2.为你设计的类编写一个简短的使用说明，描述它模拟了什么，以及如何创建对象和使用其功能。3.（可选）如果你有多个相关联的类想法（如“学生”和“课程”），可以尝试思考它们之间可能会有怎样的交互，用文字描述出来。七、本节知识清单及拓展1.★1.面向对象编程（OOP）：一种以“对象”为核心的编程范式，将程序组织为相互协作的对象集合，每个对象代表现实世界中的一个实体。其核心优势在于提升代码的复用性、可维护性和可扩展性。2.★2.类（Class）：具有相同属性和方法的对象的抽象模板或蓝图。定义类使用class关键字，类名通常采用大驼峰命名法（如MyClass）。（提示：类是静态的定义，存在于代码中。）3.★3.对象（Object）/实例（Instance）：根据类创建出来的具体实体。对象拥有其类所定义的属性和方法的具体数据。创建对象的过程称为“实例化”，语法为对象名=类名(参数)。4.★4.属性（Attribute）：对象所具有的特征或数据，在类中通常通过在__init__方法内为self赋值来定义（如=name）。分为实例属性（属于每个对象）和类属性（属于类本身，后续课程会学）。5.★5.方法（Method）：对象可执行的操作或行为，即定义在类内部的函数。实例方法的第一个参数必须是self，用于访问调用该方法的对象自身。6.★6.__init__(self，…)方法：类的特殊方法，称为构造方法或初始化方法。在创建一个新对象时自动调用，用于初始化对象的属性。self参数指向新创建的对象实例。7.★7.self参数：在类的方法定义中，self是一个指向当前对象实例的引用。通过self可以访问该实例的属性和其他方法。（核心理解：self不是关键字，但约定俗成；调用方法时由Python自动传入。）8.★8.封装（Encapsulation）：OOP三大特性之一。指将数据（属性）和操作数据的方法捆绑在一起，并对外部隐藏对象内部的具体实现细节，仅通过公开的接口（方法）进行交互。这提高了代码的安全性和易用性。9.▲9.类与对象的关系（比喻）：类好比“饼干模具”或“汽车设计图纸”，对象则是用模具压出的“每一块饼干”或按图纸生产的“每一辆具体的汽车”。类是抽象的、通用的；对象是具体的、唯一的。10.▲10.方法与普通函数的区别：方法定义在类内部，与特定的对象相关联，第一个参数为self；函数是独立的。方法调用格式为对象.方法()，函数为函数名()。11.▲11.点号（.）运算符：用于访问对象的属性或调用对象的方法，如obj.attribute，obj.method()。它表示“的”关系。12.▲12.现实世界建模：OOP鼓励程序员从问题域中识别出关键实体（类）、它们的特征（属性）和行为（方法），从而用代码构建一个映射现实世界的模型。这是计算思维中“抽象”与“建模”的直接体现。八、教学反思（一）教学目标达成度分析从课堂观察和巩固练习的完成情况看，知识目标基本达成。绝大多数学生能正确定义包含__init__和实例方法的类，并能实例化对象。核心障碍点self的理解，通过动态演示和反复强调“self就是对象自己”，大部分学生能在调用时形成正确习惯，但在自己定义新方法时，仍有约20%的学生会漏写self参数，需在后续课程中持续强化。能力与思维目标上，学生在“设计圆类”任务中表现出初步的抽象建模能力，但将复杂现实问题自主转化为类结构的能力仍有欠缺，这符合初学阶段的认知规律，需要在项目式学习中进一步锤炼。情感与元认知目标通过小组讨论和互评环节有所渗透，学生兴趣浓厚，尤其在挑战层任务展示时，看到了学生眼中的成就感。（二）教学环节有效性评估导入环节以班级管理为情境，成功制造了认知冲突，激发了从“重复字典”到“寻找模板”的探究欲望，驱动性问题明确有效。新授环节的四个任务构成了螺旋上升的脚手架：任务一建立感性认知；任务二聚焦语法难点(__init__和self)，此处放慢节奏、辅以动画是关键成功点；任务三从静到动，完成封装概念的初步植入；任务四独立应用，实现知识迁移。这个序列符合“感知理解应用”的认知规律。巩固与小结环节的分层设计照顾了差异，但课堂时间有限，对挑战层任务的讨论不够深入，部分学生可能停留在完成基础任务的舒适区。（三）学生表现深度剖析课堂中明显呈现出三类学习状态：第一类（约30%）能快速理解抽象关系，不仅完成所有任务，还能提出有价值的问题（如“类属性是什么？”），他们是课堂深度讨论的引领者。第二类（约60%）是跟随者，在清晰的步骤指引和同伴帮助下能掌握核心操作，但对self的深层原理和OOP的设计哲学仍感模糊，需要更多具体例子来固化理解。第三类（约10%）在面对抽象概念时表现出明显困难，定义类时语法错误频出，需要教师一对一或通过“代码填空”式学案进行手把手辅导。这提醒我，差异化不仅体现在任务难度，更体现在认知支持的密度和方式上。（四）教学策略得失与理论归因本次教学成功运用了“支架式教学”理论，通过任务分解和可视化工具（动画演示self），有效降低了抽象概念的认知负荷。类比策略（图纸与产品）符合奥苏贝尔的“先行组织者”理论，帮助学生在旧知（具体事物）与新知（抽象类）间建立实质联系。不足之处在于，学生“主动发现”的过程可以更强。例如，self参数