教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下ChatGPT在計算機(jī)算法課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目的是提升教育的質(zhì)量和效果，滿足學(xué)生和教師的個性化需求，促進(jìn)教育的公平和可持續(xù)發(fā)展。計算機(jī)算法是一種理論與實踐緊密結(jié)合的課程，對學(xué)習(xí)者有較高的邏輯思維能力要求。當(dāng)前，該課程教學(xué)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中面臨不少困難。利用生成式人工智能應(yīng)用程序ChatGPT構(gòu)造個性化的學(xué)習(xí)情境，能夠有效地推動計算機(jī)算法課程數(shù)字化教學(xué)改革。ChatGPT構(gòu)造啟發(fā)式擴(kuò)展學(xué)習(xí)資源、情境理解式問題解答與輔導(dǎo)、專業(yè)化程序解析和項目評估與反饋等功能，實現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同式的教學(xué)轉(zhuǎn)變，為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新方案。ChatGPT針對計算機(jī)算法課程獨有的特點，打造個性化的教學(xué)情境，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得較好的學(xué)習(xí)效果，但是這種模式也面臨一些挑戰(zhàn)，包括知識準(zhǔn)確性限制、上下文理解能力、數(shù)據(jù)偏見和隱私安全等問題。因此，必須采用必要治理手段，才能發(fā)揮ChatGPT的效能。

關(guān)鍵詞 教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型；ChatGPT；計算機(jī)算法課程；生成式人工智能

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）19-00-05

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、人工智能技術(shù)等迅速普及，為教育提供了更多的數(shù)字化教學(xué)工具和平臺，使教育的方式和內(nèi)容發(fā)生了巨大變革，傳統(tǒng)的教育模式已經(jīng)無法滿足個性化、全球化、終身學(xué)習(xí)等多樣化的需求，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以更好地滿足學(xué)生和教師的個性化需求，提供更靈活、高效的學(xué)習(xí)方式。線上線下混合式教學(xué)模式日漸興起，在高校計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的核心課程教學(xué)中率先得到推廣與應(yīng)用[1]。生成式人工智能是一種人工智能技術(shù)，它能夠生成新的內(nèi)容，如文本、圖像、音頻、視頻等多模態(tài)數(shù)據(jù)[2]。與傳統(tǒng)的人工智能模型只能根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測或分類不同，生成式人工智能可以自主地創(chuàng)造新的數(shù)據(jù)，具有一定的創(chuàng)造力。作為生成式人工智能的典型應(yīng)用，ChatGPT一誕生就引起了人們的關(guān)注，激發(fā)了大眾利用其進(jìn)行創(chuàng)作的熱情，在教育領(lǐng)域則掀起了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大討論[3]。以ChatGPT為代表的生成式人工智能相比于傳統(tǒng)的人工智能具有擴(kuò)展性、復(fù)合性以及涌現(xiàn)性等特征，其運用于教育領(lǐng)域?qū)碇T多機(jī)遇[4]。

計算機(jī)算法課程的特點是邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抽象概念較多，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和抽象思維能力。除此之外，課程還需要學(xué)生進(jìn)行大量的上機(jī)實訓(xùn)，通過編碼來解決各種問題。如果學(xué)生得不到及時的輔導(dǎo)答疑，那么問題就會積少成多，會嚴(yán)重挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。再加上任課教師沒有太多的輔導(dǎo)時間，因此，學(xué)生普遍覺得該課程太難。ChatGPT的出現(xiàn)帶來了一種全新的教學(xué)模式，學(xué)生通過人機(jī)對話獲得了沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，通過交互問答，學(xué)生找到了一個隨時隨地解決其問題的“導(dǎo)師”，這種模式實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學(xué)的跨越式發(fā)展，創(chuàng)建了智慧學(xué)習(xí)模式，完成了課程教學(xué)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 ChatGPT如何賦能計算機(jī)算法課程教學(xué)

ChatGPT本質(zhì)上是利用大語言模型訓(xùn)練的自然語言處理工具。ChatGPT通過大規(guī)模的預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和Transformer架構(gòu)來學(xué)習(xí)自然語言的語法、語義和上下文信息。它可以理解用戶的輸入，并生成相應(yīng)的回復(fù)[5]。在計算機(jī)算法課程教學(xué)中，將ChatGPT集成到在線教學(xué)平臺中，學(xué)生通過與它進(jìn)行對話來尋求問題的解答，從而探索算法的工作原理和應(yīng)用場景。ChatGPT教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式對比如圖1所示。

1.1 提供個性化學(xué)習(xí)資源

通過問答式對話，ChatGPT挖掘?qū)W生的需求，自身龐大的知識庫為學(xué)生生成個性化的學(xué)習(xí)材料。除此之外，ChatGPT還能對網(wǎng)絡(luò)上的知識進(jìn)行聚合，如編算法教程、案例分析等。ChatGPT根據(jù)學(xué)生的請求提供算法的示例代碼，學(xué)生可以向ChatGPT描述他們想要實現(xiàn)的功能或要解決的問題，ChatGPT生成相應(yīng)的示例代碼，供學(xué)生參考和學(xué)習(xí)。ChatGPT還能生成編程教學(xué)資料和教案，包括概念解釋、案例分析、實驗設(shè)計等，幫助教師準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容。ChatGPT根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和進(jìn)展情況，提供個性化的學(xué)習(xí)路徑指導(dǎo)，學(xué)生向ChatGPT咨詢?nèi)绾蜗到y(tǒng)地學(xué)習(xí)算法，ChatGPT根據(jù)學(xué)生的需求和能力提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源和建議。

1.2 構(gòu)造學(xué)習(xí)情境，理解學(xué)生需求

在課堂上，教師使用ChatGPT引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法討論和思考，通過與ChatGPT對話，學(xué)生可以提出問題、提供自己的理解和觀點，并與ChatGPT進(jìn)行交流和辯論，從而鍛煉學(xué)生的思維和創(chuàng)造力。對于課程項目或編程練習(xí)，ChatGPT充當(dāng)練習(xí)指導(dǎo)的輔助工具，學(xué)生通過與ChatGPT進(jìn)行對話，提出問題、尋求建議和指導(dǎo)，以解決練習(xí)中的難題或優(yōu)化算法實現(xiàn)。ChatGPT能夠理解對話中的上下文信息，包括對話中的問題、陳述、指令等，并根據(jù)之前的對話內(nèi)容進(jìn)行回應(yīng)。ChatGPT會分析用戶之前的對話歷史，包括問題、回答和其他相關(guān)信息，以理解當(dāng)前對話的背景和語境，從而更好地理解學(xué)生的需求，并根據(jù)先前提供的信息進(jìn)行回答。ChatGPT會對用戶提出的問題進(jìn)行解析，識別關(guān)鍵詞和主題，并嘗試?yán)斫鈫栴}的意圖，從而更準(zhǔn)確地回答問題，并提供與學(xué)生需求相關(guān)的信息。ChatGPT利用其訓(xùn)練過程中學(xué)到的知識和推理能力，結(jié)合用戶提供的信息，推導(dǎo)出可能的答案和解決方案。ChatGPT根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和編程水平，生成具體的編程項目和實踐任務(wù)。這些任務(wù)可以涵蓋不同的難度級別和主題，幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識，并提供實際應(yīng)用的機(jī)會。

1.3 解析算法原理，促進(jìn)編碼實現(xiàn)

計算機(jī)算法課程注重學(xué)生的邏輯思維能力培養(yǎng)，并通過程序語言，用最巧妙的代碼對算法進(jìn)行實現(xiàn)。ChatGPT通過解釋算法的基本概念和原理，幫助學(xué)生理解算法的工作原理和核心思想，它提供簡潔明了的解釋，幫助學(xué)生建立對算法的基本理解。ChatGPT通過提供算法的示例和案例分析，幫助學(xué)生更好地理解算法的應(yīng)用和實現(xiàn)過程，它解釋示例中每個步驟的目的和實現(xiàn)方法，以及如何將算法應(yīng)用于具體問題。ChatGPT根據(jù)學(xué)生的編碼問題，提供實現(xiàn)算法的建議和提示。它解釋算法的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇、時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度等方面的考慮，幫助用戶編寫有效且正確的代碼。當(dāng)學(xué)生在編碼實現(xiàn)中遇到問題時，ChatGPT能夠提供解答和調(diào)試支持。它分析學(xué)生編寫的代碼，并提供可能的錯誤原因和解決方案，幫助學(xué)生克服編碼難題。

ChatGPT除了為算法實現(xiàn)提供思路之外，還能幫助學(xué)生理解程序語言的語法、語義和常見編程概念。它可以解釋程序語言的語法規(guī)則，包括關(guān)鍵字、運算符、變量、函數(shù)等的使用方法和語法結(jié)構(gòu)。ChatGPT可以解釋程序語言中常見的概念和技術(shù)，如變量賦值、條件語句、循環(huán)結(jié)構(gòu)、函數(shù)定義等。它能夠幫助學(xué)生理解這些概念的作用和用法，以及如何在編程中應(yīng)用它們。

1.4 合理利用算法解決實際問題

在計算機(jī)算法課程中，學(xué)生通常需要利用不同的算法解決不同的問題。ChatGPT根據(jù)實際問題的性質(zhì)和要求，選擇適合的算法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。例如，對于分類問題，ChatGPT可以選擇使用決策樹、支持向量機(jī)或深度學(xué)習(xí)模型等算法進(jìn)行建模。在使用算法解決實際問題之前，數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征工程是非常重要的步驟。ChatGPT通過解釋和提供建議，幫助學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、特征選擇、特征提取等預(yù)處理步驟，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和適應(yīng)算法的要求。ChatGPT通過解釋不同算法的參數(shù)含義和調(diào)優(yōu)方法，幫助學(xué)生選擇合適的參數(shù)值和模型配置。它可以提供建議和指導(dǎo)，以優(yōu)化模型的性能和效果。ChatGPT能夠解釋不同算法的原理和優(yōu)缺點，幫助學(xué)生理解每種算法的適用范圍和局限性。它可以提供算法的基本概念、核心思想和數(shù)學(xué)原理，幫助學(xué)生理解算法的工作原理。ChatGPT通過提供實際案例和應(yīng)用，展示不同算法在解決實際問題中的應(yīng)用。它解釋案例中的數(shù)學(xué)建模過程、算法選擇和實現(xiàn)方法，幫助學(xué)生理解如何將算法應(yīng)用于具體問題。

2 ChatGPT構(gòu)建個性化教學(xué)流程

ChatGPT建構(gòu)了訓(xùn)練—學(xué)習(xí)—交互的教學(xué)范式，教師需要通過提示詞“投喂”ChatGPT，使之學(xué)會如何思考，然后在與學(xué)生的交互過程中，ChatGPT不斷地增強(qiáng)自己的智能。基于ChatGPT的個性化學(xué)習(xí)流程如圖2所示。

2.1 確定教學(xué)目標(biāo)，編寫教學(xué)材料

ChatGPT通過與學(xué)生進(jìn)行對話，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和背景。通過與學(xué)生的交互，ChatGPT首先明確計算機(jī)算法課程的基本概念和知識點，然后根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，制定一個詳細(xì)的教學(xué)大綱，列出每個主題或模塊的內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)。為了確保教學(xué)材料的組織結(jié)構(gòu)清晰，并按照邏輯順序呈現(xiàn)，ChatGPT為每個主題或模塊編寫一系列問題。ChatGPT通過與學(xué)生交互，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和背景，并詢問學(xué)生對算法課程的期望和目標(biāo)。通過與學(xué)生的對話，ChatGPT確定課程的重點內(nèi)容，如基本算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計和分析等。ChatGPT再根據(jù)課程的重點內(nèi)容，設(shè)計教學(xué)目標(biāo)。例如，幫助學(xué)生理解算法的基本概念和原理，掌握常見的算法設(shè)計和分析技巧，能夠應(yīng)用算法解決實際問題等。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，ChatGPT編寫相應(yīng)的教學(xué)材料，包括理論知識的講解、示例算法的實現(xiàn)和分析、編程練習(xí)題等。ChatGPT根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和理解程度，提供適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)材料，并向?qū)W生推薦相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，如經(jīng)典算法教材、在線學(xué)習(xí)平臺、算法競賽網(wǎng)站等。它可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和水平，提供個性化的學(xué)習(xí)推薦。

2.2 構(gòu)建ChatGPT智慧教學(xué)平臺

首先，通過收集和整理與計算機(jī)算法相關(guān)的教學(xué)數(shù)據(jù)，包括教材、習(xí)題、案例、學(xué)生問題和答案等，為構(gòu)建ChatGPT智慧教學(xué)平臺做好準(zhǔn)備。其次，利用現(xiàn)有的語言模型訓(xùn)練框架，如OpenAI的GPT或Hugging Face的Transformers庫搭建ChatGPT核心架構(gòu)，并利用上述數(shù)據(jù)對ChatGPT模型進(jìn)行訓(xùn)練。基于訓(xùn)練好的ChatGPT模型，構(gòu)建一個對話系統(tǒng)，使其能夠與學(xué)生進(jìn)行交互。可以使用現(xiàn)有的對話系統(tǒng)框架，如Django、Flask或Node.js等，來處理學(xué)生輸入和生成回復(fù)。再次，設(shè)計一個用戶友好的界面，使學(xué)生可以方便地與ChatGPT進(jìn)行對話，界面包括輸入框、對話歷史記錄、教學(xué)材料展示等功能。編寫教學(xué)材料，包括理論知識的講解、示例算法的實現(xiàn)和分析、編程練習(xí)題等。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和進(jìn)度，提供個性化的教學(xué)材料。最后，實現(xiàn)用戶管理功能，包括用戶注冊、登錄、學(xué)習(xí)進(jìn)度跟蹤等。還可以通過用戶反饋和評估來不斷改進(jìn)ChatGPT模型和教學(xué)內(nèi)容，將構(gòu)建好的ChatGPT智慧教學(xué)平臺部署到服務(wù)器上，并進(jìn)行維護(hù)和更新。可以使用云服務(wù)提供商來進(jìn)行部署和擴(kuò)展。

2.3 設(shè)計個性化學(xué)習(xí)任務(wù)

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和能力水平，設(shè)計個性化的學(xué)習(xí)任務(wù)。通過與ChatGPT進(jìn)行對話，學(xué)生可以獲取相應(yīng)的學(xué)習(xí)材料和指導(dǎo)，提高學(xué)習(xí)效果和編程能力。

2.3.1 學(xué)生興趣與需求

通過問卷調(diào)查、學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)定或與學(xué)生對話了解學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)需求。根據(jù)學(xué)生的興趣和需求設(shè)計相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，以提升學(xué)生的主動參與和學(xué)習(xí)動力。

2.3.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)與水平

了解學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和當(dāng)前的學(xué)習(xí)水平，根據(jù)學(xué)生的目標(biāo)和水平設(shè)定合適的學(xué)習(xí)任務(wù)。例如，對于初學(xué)者，可以設(shè)計基礎(chǔ)概念和算法實現(xiàn)的練習(xí)題；對于進(jìn)階學(xué)生，可以設(shè)計復(fù)雜算法應(yīng)用的案例研究。

2.3.3 學(xué)習(xí)路徑與進(jìn)度

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑和進(jìn)度，設(shè)計逐步深入的學(xué)習(xí)任務(wù)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄和評估結(jié)果，調(diào)整學(xué)習(xí)任務(wù)的難度和順序，以幫助學(xué)生循序漸進(jìn)地提高。

2.3.4 反饋與評估

為學(xué)生提供及時的反饋和評估，幫助他們了解自己的學(xué)習(xí)進(jìn)展和問題所在。設(shè)計智能化的評估系統(tǒng)，對學(xué)生的答案和代碼進(jìn)行評估，并給出相應(yīng)的反饋和建議。

2.3.5 多樣化的學(xué)習(xí)任務(wù)

設(shè)計多樣化的學(xué)習(xí)任務(wù)，包括理論知識學(xué)習(xí)、實例算法的實現(xiàn)和分析、編程練習(xí)題等。多樣化的任務(wù)可以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)風(fēng)格。

2.3.6 個性化推薦與引導(dǎo)

根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄和評估結(jié)果，為他們推薦適合的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)路徑。利用ChatGPT的推薦功能，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和水平，提供個性化的學(xué)習(xí)推薦和引導(dǎo)。

3 ChatGPT賦能課程教學(xué)的缺陷及應(yīng)對

3.1 知識和準(zhǔn)確性限制

ChatGPT是基于大規(guī)模語言模型訓(xùn)練的，它的回答是基于已有的數(shù)據(jù)和模式。這意味著它可能會缺乏計算機(jī)算法領(lǐng)域的前沿知識，并且可能會給出不準(zhǔn)確或模棱兩可的答案。為了解決這個問題，可以通過對ChatGPT進(jìn)行領(lǐng)域特定的訓(xùn)練，或者與領(lǐng)域?qū)＜液献鳎峁?zhǔn)確的知識和解答。

3.2 對話理解和上下文理解能力不足

盡管ChatGPT在處理自然語言對話方面表現(xiàn)出色，但它仍然存在理解復(fù)雜上下文和語義的挑戰(zhàn)。這可能導(dǎo)致它在處理復(fù)雜問題或多輪對話時出現(xiàn)困難。為了解決這個問題，可以設(shè)計特定的對話模式和提示，幫助ChatGPT更好地理解上下文，并提供準(zhǔn)確的回答。

3.3 缺乏人類教師的互動和反饋

ChatGPT是一個自動化的對話系統(tǒng)，它無法提供與人類教師相同的互動和個性化反饋。這可能會限制學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和進(jìn)步。為了彌補(bǔ)這個缺陷，可以結(jié)合人類教師的角色，通過ChatGPT提供基礎(chǔ)知識的講解和練習(xí)，而由教師提供更深入的解釋和個性化的指導(dǎo)。

3.4 數(shù)據(jù)偏見和不當(dāng)內(nèi)容

由于ChatGPT是基于大數(shù)據(jù)訓(xùn)練的，它可能會受到數(shù)據(jù)偏見和不當(dāng)內(nèi)容的影響，導(dǎo)致給出不恰當(dāng)或有偏見的回答。為了應(yīng)對這個問題，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和清洗，確保訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量和多樣性。同時，還可以通過監(jiān)督和審核機(jī)制，對ChatGPT的回答進(jìn)行監(jiān)控和改進(jìn)。

3.5 隱私和安全問題

ChatGPT在處理對話時需要獲取用戶的輸入信息和上下文信息，這可能涉及隱私和安全問題。為了解決這個問題，可以采取數(shù)434205d1bd5edbcb5b096e2ac1a81cccfb9bf14a833cb5427114c46caae3a987據(jù)加密和匿名化的措施，確保用戶的隱私得到保護(hù)。此外，還可以建立安全和可信賴的系統(tǒng)架構(gòu)，確保對話數(shù)據(jù)的安全和保密。

4 結(jié)束語

ChatGPT促進(jìn)了教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過提供個性化學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)建學(xué)習(xí)情境，解析算法原理，解決實際算法問題等方式，構(gòu)建個性化教學(xué)流程，革新了計算機(jī)算法課程的教學(xué)模式。然而，由于ChatGPT基于已有知識進(jìn)行推理，對前沿知識預(yù)測的準(zhǔn)確性會受到限制，上下文理解能力也會受到語義復(fù)雜度的影響。除此之外，對于數(shù)據(jù)偏見和數(shù)據(jù)隱私安全問題仍然沒有很好的解決辦法，且無法提供與人類教師相同的互動和個性化反饋。因此，必須通過一些治理手段解決這些問題，才能更好地運用到計算機(jī)算法課程的教學(xué)中，實現(xiàn)教育數(shù)字化改革的目標(biāo)。

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DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.19.0

*項目來源：河南中醫(yī)藥大學(xué)研究生“課程思政”示范課程項目《大數(shù)據(jù)治理》（項目編號：YJSKCSZ-2020-13）；河南中醫(yī)藥大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實踐項目“智慧教育背景下大學(xué)生學(xué)習(xí)模式創(chuàng)新路徑研究”（項目編號：2021JX33）；河南中醫(yī)藥大學(xué)“推進(jìn)治理體系和治理能力現(xiàn)代化 促進(jìn)學(xué)校高質(zhì)量發(fā)展”研究項目“大數(shù)據(jù)背景下基于知識循環(huán)的智慧校園建設(shè)研究”（項目編號：2020-ZLYB-013）；河南中醫(yī)藥大學(xué)博士科研基金“基于大數(shù)據(jù)決策的衛(wèi)生健康突發(fā)事件管理機(jī)制研究”（項目編號：BSJJ2020-11）。

作者簡介：楊楓，博士，副教授。