人工智能視域下程序設計課程的創新教學實踐

朱凌

（浙江財經大學 信息管理與人工智能學院，浙江 杭州）

在財經類高校中，如何讓程序設計此類技術類課程變得生動、有趣，而且還能讓學生感受到時代的發展，是一個非常值得研究的問題。根據我們課前的調研，傳統觀念上，學生在財經背景下往往傾向于學校其他管理類強勢學科的學習。即使本身是人工智能專業、計算機專業、信息系統與信息管理專業、軟件工程專業或其他理工類專業的學生，和其他理工類院校相同專業的學生相比，其具備的理工類學科的敏感度和抽象思維能力相對較弱，與人工智能時代的發展相距甚遠。但是，從國務院在 2017年印發的《新一代人工智能發展規劃》和教育部2018年提出的《教育信息化》文件中我們獲知，要全面提高全社會對人工智能的整體認知和應用水平，就必須加大人工智能的科普與推廣的輻射力度，而開展形式多樣的人工智能科普活動則顯得尤為必要[1]。

由于程序設計課程的授課對象是信息技術類專業低年級學生，一般是學生進入大學后最為基礎和骨干的專業課程。由于學科的特殊性，其知識構造往往十分的抽象。由于沒有前期知識鋪墊，對于長篇累牘的代碼設計，學生常常感覺抽象晦澀，抱怨吃力難懂，導致課堂氣氛沉悶。此外，本課程的學習難度又比同時期的其他課程都更大，而所承擔的教學任務和教學考核手段，相對于同校的其他學科來說則更為嚴謹與嚴格。所以，在本課程的講授過程中，無論是在教師教的環節，還是學生學的環節中，都很容易陷入枯燥乏味的境地[2]。

因此，如何在人工智能背景下改革傳統的程序設計課程是目前亟待解決的問題。

一 創新教學方法的提出

所謂“人工智能+教育”，其重要載體是智能軟硬件程序設計教育。針對目前人工智能教育現狀，結合人工智能的發展趨勢，在程序設計教學中嵌入人工智能普及教育勢在必行。眾所周知，在現實生產生活中，計算機和信息技術在許多工程領域得到了廣泛的應用。但由于受到教學場地限制，或實際設備費用昂貴的約束，無法在教學實驗中讓學生得到較好的體驗。

為了緩解以上困境，并幫助學生更加切實地體會與理解實際工程應用問題，編寫程序設計與操控實際工程系統，并更好適應于人工智能時代的發展，我們針對程序設計課程提出了一套人工智能視域下的創新教學方法：（1）采用線上線下混合式教學模式，通過相應的在線資源網站和可視化平臺，線上引導學生自主學習，線下指導學生完成項目設計；（2）搭建虛擬空間，適時融入人工智能與物聯網的科技元素，設計虛擬仿真實驗項目進行實踐分析；（3）精心設計項目內容，大膽改革，合理設計，設置生動的場景教學，運用情景案例講授法、教具演示法、實驗體驗法、陶冶法、和游戲化的方式，改變以往傳統教學的死板；（4）注重課堂內容與節奏的編排，通過啟發式、合作式、研究式等方式循序漸進地組織教學，改變傳統課程的單調乏味感；（5）教學形式多樣化，以班級整體授課、小組合作討論，個體獨立研究等形式靈活穿插，將學生從被動變成主動，拋棄

以往配角的形式，改變為程序設計課中的主角，提升其自主性學習的理念，以平等的身份共同參與進整個教學過程中；（6）在教學實驗考核中，采用多元化的評價方式，將實驗程序代碼、實驗效果、分析結論、和小組討論相結合，并綜合平時的操作表現、與在線程序評判系統的實驗與測試成績以及平時作業成績進行權重比例分配組合考核[3]。

二 教學實踐對象

（一） 專業與年級

在《程序設計基礎》等必修課程中進行教學實踐時，主要面向信息管理與信息系統、計算機、人工智能、軟件工程、電子商務專業的低年級本科生；在《智能時代》等通識課程中教學實踐時，面向對象為全校選修人工智能課程群的各專業學生，不分年級，涵蓋了會計、財稅、工商、金融、經濟、公共管理、數據科學、人文、藝術、法學、外語、信息與人工智能等全校各學院的文理科學生[4]。

（二） 基本知識和能力

本創新教學實踐主要用于專業必修課程《程序設計基礎》和通識課程《智能時代》的程序設計實踐教學環節，也可用于《面向對象程序設計》《數據結構》等課程的實踐教學環節。在針對信息技術類專業的低年級本科生實施教學時，要求學生掌握程序設計的基本原理和方法，能夠運用相關編程知識去設計實際工程應用問題的解決方案；在單元操作實驗基礎上，具備綜合性實驗技能和分析能力。在針對其他專業的本科生實施教學時，要求學生理解程序設計的思想和設計流程，體驗程序設計實踐案例，對人工智能等前沿信息技術有初步的認識。

三 教學案例與分析

（一） 分支結構程序設計

“分支結構程序設計”是面向過程結構化程序設計三大控制結構的第二大結構，具有重要承前啟后的作用。由于順序結構的程序只能實現計算和輸入輸出等簡單功能，但是，大多數應用問題都是有條件限定的，順序結構則無法完成判斷并選擇，所以，學習分支結構非常有必要。分支結構不同于順序結構，它并非嚴格根據物理順序自上而下地執行編程語句，而是按照一定的條件判斷去選擇執行哪一個分支。分支結構程序設計的核心在于如何正確地分析程序流程，并構造表達清晰邏輯合理的判斷條件，再根據不同的條件設置適當的分支路徑。分支結構的出現讓學生真正意義上接觸到程序設計，也為后續學習分支結構打下基礎[5]。

為了幫助學生更好地對工程應用問題有感性直觀地認識，我們在教學中采用虛擬仿真實驗，指導學生上臺現場操作，利用各個傳感器控制彩色燈的操作，進行親身實踐，不僅增強了學生對工程應用的體驗，而且能夠激發學生的好奇心。

圖1 分支結構程序設計虛擬仿真實驗

（二） 循環結構程序設計

“循環結構程序設計”是本課程非常重要的部分。面向過程的程序設計有三大結構，循環結構的程序設計是其中最復雜也是最核心的部分。循環結構程序設計思想貫穿于本課程其他章節，如函數、數組、指針等方面的應用，掌握好循環結構的程序設計技術對學好本課程至關重要。在教學中，我們模擬生活中大家熟悉的場景案例，將應用問題簡化，吸引學生的注意力，采用演示為主、板書演示為輔的教學手段，設計實驗，指導學生引導學生設計方案，寫出相應的程序，并上臺現場操作演示實際應用中霓虹燈帶的反復亮滅，親身實踐循環往復的過程，增強了學生對物理世界的理解，和對簡單工程應用問題程序設計方法的運用能力[6]。

圖2 循環結構程序設計虛擬仿真實驗

（三） 人工智能綜合應用實驗設計

本知識點“人工智能綜合應用實驗”在了解基本程序設計思想的基礎上進行的程序設計提高實踐，指導學生學習如何利用人工智能、物聯網等前沿技術設計一系列人臉識別、機器翻譯、物聯網控制等大約相關拓展實驗，為學生更加形象與深入理解智能時代的相關信息技術提供虛擬仿真的體驗，并激發出學生綜合運用和創新設計的能力。

在此綜合實驗的實踐教學中，我們利用樹莓派虛擬仿真平臺，引導學生利用傳感器、攝像頭、顯示器等物理設備以及相關計算機元器件進行交互式實踐，有助于學生在程序設計課程學習之外，對電子學、自動控制論、信息論、系統論、仿生學、語言學等多種學科有基礎的認知與了解，幫助學生在人工智能視域下更加系統全面地掌握信息技術知識、提高編程實戰技能，并為后續人工智能課程的進階學習打下堅實的基礎[7-8]。

圖3 人工智能綜合應用（人臉識別）虛擬仿真實驗

四 結語

本文提出的人工智能視域下程序設計課程的創新教學實踐方法注重使學生在知識和能力方面有一定的掌握與內化提升，其課程評價理念聚焦多元目標體系，突出享受學習，符合新工科教育理念中使學習成為一種生活方式的要求，也順應了人工智能時代人才培養的發展需求。

本方法結合人工智能等先進前沿信息技術，采用計算機元器件以及網絡通信設備等多媒體設計人工智能、物聯網等信息技術類課堂實驗，支持課程多樣化的呈現，激發學生對前沿科技的探索，培養學生的創新能力和創新思維。將人工智能與物聯網的科技元素融入教學實踐中是本創新教學方法中最有特色的地方，讓學生在學習中獲得饒有趣味的體驗，親身感受程序設計在各個領域的重要作用，不斷鼓勵學生與時俱進，積極學習前沿科學技術，激發學生在人工智能視域下產生工程研究的興趣。通過多輪教學實踐表明，本創新教學方法設對于程序設計類課程的改革與完善具有重要的現實意義。