人工智能技術應用背景下程序設計基礎課程教學改革探索

劉林東 鄔依林 張謙

摘要：針對程序設計基礎課程教學過程中存在的問題，以“字符數(shù)組”章節(jié)內(nèi)容為例，從教學目標、教學內(nèi)容、教學方法、教學評價等方面探索人工智能技術應用背景下程序設計基礎課程教學改革策略。通過對教學視頻學習數(shù)據(jù)的采集，利用人工智能技術對教學視頻學習數(shù)據(jù)進行挖掘，通過教學實踐應用，形成一套有效的課程教學模式，有效促進了人工智能技術在課程教學改革中的應用，為推動人工智能技術應用背景下程序設計基礎課程改革奠定了基礎。

關鍵詞：人工智能；混合式教學；教學評價

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0143-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

程序設計基礎是一門實踐性很強的專業(yè)基礎課程，培養(yǎng)學生的實踐能力是其核心目標。僅僅依靠教師課堂講授難以讓學生完成課程學習目標，需要通過大量的實驗和實踐，訓練學生程序設計、程序調(diào)試和綜合解決問題的能力。隨著人工智能技術的發(fā)展和應用，需要對程序設計基礎課程傳統(tǒng)教學模式進行分析，針對傳統(tǒng)課程教學模式中存在的問題，對教學目標、教學方法、教學內(nèi)容和教學評價等方面進行改革[1]，在課程教學模式中融入人工智能技術[2-3]，提高學生程序設計基礎綜合實踐能力，培養(yǎng)工科創(chuàng)新型人才。

文中以程序設計基礎課程第六章“字符數(shù)組”章節(jié)內(nèi)容為例，探索人工智能技術應用背景下的程序設計基礎課程教學模式[4]，為適應大數(shù)據(jù)時代發(fā)展趨勢及專業(yè)人才培養(yǎng)導向，提高“程序設計基礎”課程教學質(zhì)量，提升軟件工程專業(yè)學生解決復雜實際工程問題的能力，從而更好地適應新工科建設人才培養(yǎng)目標。

1 課程教學現(xiàn)狀及存在問題

1.1 思維模式

程序設計基礎課程面向軟件工程專業(yè)大一新生，開課時間在第一學年第一學期，對于大一新生而言，由于在中學階段沒有過多接觸計算機編程，不熟悉高級程序設計語言。而程序設計基礎課程與專業(yè)基礎課程的教學同步進行，加上沒有足夠社會實踐，學生無法快速完成從傳統(tǒng)思維模式向計算機編程思維模式的轉變，部分學生跟不上教學進度，甚至對計算機編程會產(chǎn)生厭學心理，不利于后續(xù)專業(yè)課程的學習。

1.2 教學模式

傳統(tǒng)的教學模式以教師的“教”為中心，學生在課堂上被動地接受知識，學生沒有參與整個教學過程，教師與學生以及學生之間的互動和討論環(huán)節(jié)較少。教學環(huán)節(jié)比較單一，一般沒有課前學習環(huán)節(jié)，課堂教學結束后，沒有課后鞏固環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)教學方法以教師講授為主，無法發(fā)揮學生的自主學習能力，也無法對學生的學習情況進行過程性評價，以文中探討的字符串處理函數(shù)為例，單純講解函數(shù)和例題難以讓學生掌握函數(shù)的綜合應用，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

1.3 教學內(nèi)容

學生對知識點理解和掌握情況存在差異，僅靠一對多傳統(tǒng)的教學模式不利于教學內(nèi)容的講解，無法有效安排教學時間和教學內(nèi)容，課堂上沒有足夠的時間對重、難點教學內(nèi)容進行講解，學生不能主動參與到教學內(nèi)容的自主學習中去。實驗教學中，一般的做法是發(fā)布實驗教學內(nèi)容，大部分學生在沒有提示的情況下無法順利完成實驗報告的撰寫，學生缺乏工程化思想，不利于培養(yǎng)應用型人才。

因此，提高學生自主學習程序設計基礎課程的積極性，增強學生動手和編程能力[5-7]，是程序設計基礎課程教學過程中急需解決的問題。文中從教學目標改革、教學內(nèi)容改革、教學方法改革以及教學評價改革４個方面開展研究，程序設計基礎課程改革模式如圖1所示。

2 課程教學改革探索

2.1 教學目標改革

2.1.1 課程思政改革

在“字符數(shù)組”章節(jié)教學過程中，融入課程思政教學改革內(nèi)容[8-9]，注重知識傳授與價值引領相統(tǒng)一，具體課程思政改革內(nèi)容包括以下幾點：

① 通過字符數(shù)組定義的講解，引導學生對集體主義精神的思考。

② 根據(jù)字符串‘＼0結束標志，引導學生進行底線意識的思考。做任何事情都應該有底線，有原則。

③ 針對字符串輸入、輸出函數(shù)gets（）和puts（）兩個函數(shù)的使用格式，對輸入輸出函數(shù)的優(yōu)劣勢進行比較，引導學生理解尺有所短，寸有所長，正確地認識和評價自己，發(fā)揮自身優(yōu)勢為社會做貢獻。

④ 通過對字符串中查找特定字符算法的講解，引導學生遵守國家相關規(guī)定，規(guī)范網(wǎng)絡言論，避免發(fā)表違反互聯(lián)網(wǎng)規(guī)定的言論。

2.1.2 一流課程建設

對照一流課程建設標準，在“字符數(shù)組”章節(jié)教學設計和教學實施過程中，通過以下幾方面進行教學改革，促進程序設計基礎一流課程建設。

① 注重學生綜合能力培養(yǎng)

教學過程中，教師不能只關注學生靜態(tài)知識量的增長和知識復制能力的訓練，在課程評價時只關注學生對知識點記憶、理解和淺層次的應用。需要從以教師為中心的“教”過渡到以學生為中心的“學”，強調(diào)對學生分析、評價、創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，注重學生綜合能力的培養(yǎng)。

② 注重教學內(nèi)容改革

融合線上教學平臺、MOOC教學資源、線上教學資源、開放課程、在線課程等資源，課程教學過程中與學生分享學科發(fā)展前沿，教學設計中注重對知識凝結過程、科學發(fā)現(xiàn)過程的探究。

③ 加強過程性評價

針對學生學習評價，從傳統(tǒng)的終結性評價方式過渡到過程性評價與終結性評價相結合的形式[10-11]。改變“一考定終身”的評價方式，加強過程性評價，圍繞學生從課前學習、課堂教學以及課后鞏固３個階段，針對各個學習階段的學習任務和學習活動，設計相應的評價指標和權重，跟蹤和記錄學生每個學習活動的學習狀態(tài)和完成情況，綜合評價學生學習效果。

2.2 教學內(nèi)容改革

2.2.1 數(shù)字化教學資源

基于小雅課程平臺，建立程序設計基礎課程教學平臺，建立相應的數(shù)字化教學資源并導入小雅課程平臺，數(shù)字化教學資源如圖2所示。

數(shù)字化教學資源主要包括課程大綱和教案、多媒體課件、SPOC教學視頻、教學輔助動畫、題庫系統(tǒng)以及教學論壇等資源。在教學活動中，圍繞教師的“教”和學生的“學”所產(chǎn)生的學習數(shù)據(jù)，借助小雅AI教學平臺對數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，為后續(xù)的教學內(nèi)容和教學方法改革提供支撐。

2.2.2 實驗教學平臺

搭建程序設計基礎課程通用實驗環(huán)境，既可以方便學生練習，又便于教師對學生實驗情況進行在線檢查，在“字符數(shù)組”教學過程中，采用PTA-程序設計類實驗輔助教學平臺開展實驗輔助教學，如圖3所示，學生直接在PTA平臺中完成函數(shù)題和編程題的練習，通過在線編緝、編譯、運行，并提交測試成績；教師可以查看班級學生實驗完成情況。

2.3 教學方法改革

在“字符數(shù)組”章節(jié)教學過程中，利用混合式教學設計圍繞課前準備、課堂教學以及課后鞏固３個階段進行，３個階段共需時長90分鐘左右，其中課堂教學時長為40分鐘，融入混合式教學策略的教學設計如圖4所示。

2.3.1 課前準備階段

① 教師通過課程平臺設計和布置“字符數(shù)組”課堂教學學習資源、課前測驗題等內(nèi)容，以任務單的形式發(fā)布給學生。學生完成“字符數(shù)組（20分鐘）”任務單中的教學視頻知識點學習內(nèi)容。

② 學生完成課前測驗內(nèi)容、調(diào)查問卷和論壇（10分鐘）。

③ 教師通過收集學生課前測驗情況、調(diào)查問卷情況數(shù)據(jù)，利用人工智能和大數(shù)據(jù)等工具進行分析和處理，獲取學生課前學習情況。

2.3.2 課堂教學階段

① 課堂導入。通過思維導圖導入課堂教學內(nèi)容，基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析結論，分析和小結課前學習情況。

② 重、難點內(nèi)容講解。基于課前學習分析報告，對字符串、字符數(shù)組輸入和輸出進行重點講解。

③ 小組學習。分小組對課堂教學內(nèi)容，特別是重難點內(nèi)容進行討論和匯報。

④ AI互動與答疑。探索線上AI助教和任課教師虛實結合，互動與答疑的導學助學模式，在課堂上對教學內(nèi)容進行討論和答疑。

⑤ 課堂評價。通過考勤、問卷、課堂答題、課堂測驗、互動與交流情況等指標進行課堂學習的自評、互評和教師評價。

2.3.3 課后鞏固階段

① 課后反思（5分鐘）。通過生活中的類和對象的概念，思考和探索生活中應用字符數(shù)組的現(xiàn)象。

② 課后測試（5分鐘）。在課堂教學的基礎上教師布置課后測試題，學生完成課后測試。

③ 實踐應用（10分鐘上）。教師通過任務單布置課后實踐應用任務，學生實現(xiàn)一個統(tǒng)計大小寫字母的程序。

2.4 教學評價改革

在混合式教學設計的基礎上，利用形成性評價和終結性評價對“字符數(shù)組”章節(jié)課堂教學效果進行評價。混合式教學模式評價體系方案[12]如表1所示。

區(qū)別于傳統(tǒng)單一評價標準，程序設計基礎課程教學評價改革增加形成性評價內(nèi)容，重點針對學生學習過程中的各個環(huán)節(jié)進行過程性評價。教學評價總體上包括形成性評價和終結性評價，其中形成性評價占70%，終結性評價占30%。形成性評價包括課前、課中和課后3個階段，分別對應教學設計中的課前準備、課堂教學和課后鞏固3個階段。

3 融合人工智能的教學改革

以“字符數(shù)組”課前準備階段的教學視頻學習為例，基于人工智能技術對學生課前教學視頻學習產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析，為后續(xù)的教學內(nèi)容、教學活動以及教學設計提供支撐，更好地促進以學生為中心的教學，提升課程教學質(zhì)量。融入人工智能技術的課前準備階段主要分析過程如下：

為了方便數(shù)據(jù)分析，設單個教學視頻時長在30分鐘以內(nèi)，將學生課前學習教學視頻時長（單位：分鐘）劃分為4個區(qū)間并分別作相應的標記t1，t2，t3和t4，各個標記的含義分別為：t1：[0，3），t2：[3，10），t3：[10，20），t4：[20，30]。表2中表示學生u1～u7學習各個教學視頻資源（v1，v2，v3）的時長所對應分類標記的部分數(shù)據(jù)，其中tij表示學習教學視頻i（i=1，2，3）的時長標記為j（j=1，2，3，4），若學生沒有學習教學視頻vi，則相應的分類標識記為ti1，其中i為教學視頻編號。

利用關聯(lián)規(guī)則Apriori算法對表2中的事務數(shù)據(jù)進行分類挖掘，設最小支持度計數(shù)min_sup=2，得到相應的頻繁模式為{，，}；設置最小置信度min_conf=65%，產(chǎn)生對應的分類規(guī)則如t12∧t33=>u1∧u3，t23∧t32=>u2∧u5，t13∧t22=>u2∧u6。從而可以得到諸如學生u1和u3學習教學視頻v1的時長在3到10分鐘，學習教學視頻v3的時長在10到20分鐘等這樣的分類規(guī)則。利用得到的分類知識，有針對性地進行分組教學、教學內(nèi)容調(diào)整、教學任務布置以及重難點講解，有效改進后續(xù)課程教學內(nèi)容和教學方法，提升課程教學質(zhì)量。

4 結論

文中對程序設計基礎課程傳統(tǒng)教學模式中課程教學現(xiàn)狀及存在的問題進行了分析，以課程中“字符數(shù)組”教學內(nèi)容為例，分別從教學目標改革、教學內(nèi)容改革、教學方法改革以及教學評價改革4個方面開展研究，重點闡述了相應的教學改革措施和方法。以課前準備階段中的教學視頻學習為例，將人工智能技術融入教學視頻的分析和挖掘，形成一套比較有效的教學模式，有效促進了人工智能技術在課程教學改革中的應用。

在后續(xù)的課程教學實施過程中，需要深入將人工智能技術與課程教學融合起來，進一步挖掘教師的“教”和學生的“學”過程中的數(shù)據(jù)，基于學生學習數(shù)據(jù)和學習行為，挖掘適合教學對象和教學內(nèi)容的有效教學模式，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：王 力】