智能聊天機(jī)器人在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

楊 曄 張廷東 蔣雪君

（浙江警官職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)進(jìn)入教學(xué)領(lǐng)域，課程教學(xué)和學(xué)習(xí)理論、教學(xué)模式等發(fā)生了巨大變化，以學(xué)生為中心、以教師為主體的建構(gòu)主義的教學(xué)模式開始興起，也為探討新的學(xué)習(xí)途徑提供了可能。聊天機(jī)器人（Chatbot）是一個(gè)利用人工智能技術(shù)開發(fā)的、旨在與人交流對(duì)話的計(jì)算機(jī)程序，它可以不受時(shí)間、空間等因素的限制，不知疲倦地與人聊天[1]。目前在全球范圍內(nèi)，聊天機(jī)器人應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域比較成功的Chatbot，有喬治亞理工學(xué)院推出的助教Jill Watson、英國(guó)的Whiz Education平臺(tái)、美國(guó)教育科技公司K12 Insight推出的Let’s Talk助理等，這些產(chǎn)品很好地扮演了老師的角色，解答學(xué)生的問題，成為助推學(xué)生自主學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

2 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的困境

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是第一學(xué)期的編程入門課程，也是學(xué)習(xí)軟件開發(fā)和信息安全等專業(yè)課程的先修課，這門課程是否能學(xué)好，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能十分重要，也對(duì)于學(xué)生建立專業(yè)學(xué)習(xí)的信心和興趣至關(guān)重要。

對(duì)于新生來說，僅憑一周4學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)，學(xué)好C語(yǔ)言并不容易。根據(jù)筆者多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高職學(xué)生來說，有些學(xué)生覺得這門課很難，有些學(xué)生覺得這門課沒有用，有些學(xué)生缺少獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，有些學(xué)生甚至因?yàn)檫@門課沒有學(xué)好而失去了從事專業(yè)方面工作的信心。為什么在老師看來簡(jiǎn)單的入門課程，會(huì)對(duì)高職學(xué)生造成如此大的困惑，我們又該如何走出困境？

仔細(xì)分析原因，我們發(fā)現(xiàn)并不是所有的學(xué)生都聽不懂，而是學(xué)習(xí)能力差距比較大。我們嘗試過兩種解決方案，方案1是教師將授課進(jìn)度放得非常慢，大家能夠跟上節(jié)奏。方案2是教師使用微信、釘釘、qq等即時(shí)通訊工具，在課外對(duì)沒有所有聽懂的學(xué)生進(jìn)行大量個(gè)別解答和輔導(dǎo)。這兩種做法都可以使課程內(nèi)容的接受度是得到大幅提升。然而選擇方案1放慢節(jié)奏，明顯會(huì)影響到課程的整體教學(xué)效果，吸收能力好的學(xué)生感覺吃不飽，也不能達(dá)到C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程標(biāo)準(zhǔn)里的要求。選擇方案2，需要耗費(fèi)老師極大的精力和時(shí)間，而其中學(xué)生的問題有大部分是類似的，比如對(duì)于某個(gè)概念的不理解，抑或是某道題不會(huì)做等，不同班級(jí)之間學(xué)生提問的內(nèi)容也會(huì)出現(xiàn)大部分重復(fù)，教師容易陷入重復(fù)勞動(dòng)的漩渦。

3 在學(xué)習(xí)中使用聊天機(jī)器人的教學(xué)方法

英國(guó)開放大學(xué)《創(chuàng)新教學(xué)報(bào)告》是全球教育創(chuàng)新的重要綱領(lǐng)性文件，以創(chuàng)新和未來展望為主題，根據(jù)各種教學(xué)方法在現(xiàn)階段的影響力進(jìn)行排名。在2021年的報(bào)告中，“在學(xué)習(xí)中使用聊天機(jī)器人的教學(xué)方法”排在第四位，這為本項(xiàng)目的研究提供了理論依據(jù)，增強(qiáng)了研究的信心[2]。

聊天機(jī)器人改變世界的方式，將比我們想象的更多。它以客戶為中心，可以完成一系列不同的任務(wù)。在學(xué)習(xí)中使用聊天機(jī)器人的教學(xué)方法，恰巧符合以學(xué)生為中心的教育理念，可以讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)上的助推力。它使用文本或語(yǔ)音與學(xué)生進(jìn)行交流，既可以回答學(xué)生提出的問題，幫助其解決問題，也可以提出問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深層次的學(xué)習(xí)。特別是當(dāng)老師不在場(chǎng)或不能提供幫助時(shí)，學(xué)生仍然能夠自主學(xué)習(xí)。這種方法有利于構(gòu)建沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生會(huì)更自由地借助聊天機(jī)器人輔助學(xué)習(xí)。聊天機(jī)器人在解決大規(guī)模學(xué)習(xí)和高質(zhì)量學(xué)習(xí)之間的矛盾時(shí)帶來了機(jī)遇，通過從聊天對(duì)話中收集數(shù)據(jù)，分析學(xué)生行為，提供有針對(duì)性的幫助與引導(dǎo)，這樣有助于減少教育者的工作量，從而更好地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。

4 聊天機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目通過聊天機(jī)器人的應(yīng)用構(gòu)建了一種智能對(duì)話服務(wù)，幫助教師簡(jiǎn)化面向?qū)W生的服務(wù)，改變學(xué)生獲取信息和見解的方式，重塑學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供保障。在聊天機(jī)器人的助力下，讓教師從重復(fù)機(jī)械的答疑等工作中解放出來，專注于更具創(chuàng)造力的工作，成為課程教學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者和指導(dǎo)者。同時(shí)使用機(jī)器學(xué)習(xí)理論對(duì)聊天獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以形成教學(xué)決策輔助，幫助教師從宏觀層面上準(zhǔn)確把握課程進(jìn)度，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。本項(xiàng)目選取了教學(xué)中比較常見的提問和回答場(chǎng)景，將OJ（Online Judger）平臺(tái)與Chatbot這兩個(gè)應(yīng)用相結(jié)合。

4.1 OJ平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

OJ平臺(tái)是一種在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)，用戶可以在線提交多種程序代碼，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)代碼進(jìn)行編譯，并利用事先系統(tǒng)設(shè)計(jì)好的測(cè)試用例執(zhí)行程序，對(duì)程序進(jìn)行自動(dòng)評(píng)測(cè)，是各種計(jì)算機(jī)程序大賽的主要平臺(tái)，也常用于各類程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言類課程的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，賽教融合，提升教學(xué)效果[3]。

本項(xiàng)目的OJ平臺(tái)模塊，采用了Hcode Online Judge，實(shí)現(xiàn)基于springcloud+vue前后端分離，分布式架構(gòu)的在線測(cè)評(píng)系統(tǒng)。該平臺(tái)網(wǎng)站權(quán)限控制完善，判題使用cgroup隔離用戶程序，支持分布式判題，判題速度快，支持手機(jī)端響應(yīng)式布局。我們?cè)贠J平臺(tái)上，發(fā)布每章必做和選做習(xí)題，并為學(xué)有余力的同學(xué)準(zhǔn)備了ACM程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目。我們按照知識(shí)點(diǎn)分類設(shè)置了數(shù)據(jù)類型與表達(dá)式、分支控制、循環(huán)控制等7個(gè)類型的題目，通過設(shè)置標(biāo)簽說明題目的類別，顏色為綠色。同時(shí)為了將ACM程序設(shè)計(jì)比賽融合到教學(xué)中，以賽促學(xué)，設(shè)置了二分查找、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等類型的題目，該類別顏色為藍(lán)色。題庫(kù)中按照類別設(shè)置，已經(jīng)存有14個(gè)類別、約100道題目，為課程實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。OJ平臺(tái)的題目首頁(yè)效果圖如圖1所示，答題界面如圖2所示。

圖1 本項(xiàng)目OJ平臺(tái)的題目首頁(yè)

圖2 本項(xiàng)目OJ平臺(tái)的答題頁(yè)面

OJ平臺(tái)可以自動(dòng)批改程序，學(xué)生能夠立刻得到反饋，大大提高了學(xué)生的參與度，并且提供了充分的測(cè)試用例去校驗(yàn)，學(xué)生能夠通過實(shí)踐掌握程序設(shè)計(jì)的通用性、時(shí)空性能的訓(xùn)練，系統(tǒng)地提高了學(xué)生C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的能力。通過將提問的范圍固定在習(xí)題練習(xí)上，更好地保障了智能聊天機(jī)器人的答題質(zhì)量和個(gè)性化輔導(dǎo)的準(zhǔn)確率。

4.2 Chatbot的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目的聊天機(jī)器人模塊，采用了開源聊天機(jī)器人框架Chatterbot。它是一個(gè)完全用Python編寫的基于一系列規(guī)則和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的聊天機(jī)器人框架。它會(huì)從保存的對(duì)話語(yǔ)料中找出與輸入句子最匹配的句子，并把匹配到的句子的下一句作為回答返回。通過開發(fā)核心工作流程、訓(xùn)練器、邏輯適配器，實(shí)現(xiàn)了能夠針對(duì)學(xué)生提出的問題進(jìn)行回答的功能。Chatterbot的處理流程圖如圖3所示。

圖3 Chatterbot處理流程圖

一個(gè)Chatterbot實(shí)例可以綁定多個(gè)邏輯適配器，用于根據(jù)輸入產(chǎn)生輸出。Chatterbot中沒有獨(dú)立的用于選擇對(duì)話邏輯的意圖識(shí)別模塊，它將意圖識(shí)別的功能放到了各個(gè)邏輯適配器中。接收到輸入之后，Chatterbot會(huì)將其傳遞給各個(gè)邏輯適配器，由它們自己判斷是否適合對(duì)輸入的文本進(jìn)行回答。如果邏輯適配器認(rèn)為不能對(duì)輸入進(jìn)行回答，則會(huì)跳過，否則就輸出回答。用戶與聊天機(jī)器人對(duì)話的效果如圖4所示。

圖4 本項(xiàng)目Chatbot的交互界面

在前期的研究實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)如果聊天機(jī)器人回復(fù)的質(zhì)量太低，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會(huì)顯著下降。如果不設(shè)范圍，讓學(xué)生隨便提問，往往聊天機(jī)器人的回復(fù)不是想要的答案。所以我們將Chatbot與OJ平臺(tái)結(jié)合起來，讓學(xué)生針對(duì)OJ平臺(tái)上的某一題目進(jìn)行提問，同時(shí)還設(shè)置了機(jī)器人菜單，讓學(xué)生進(jìn)行選擇功能，菜單不能匹配的，Chatbot程序會(huì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)語(yǔ)料庫(kù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，找到比較接近的答案。機(jī)器人菜單中的選項(xiàng)設(shè)計(jì)順序剛好符合學(xué)生產(chǎn)生問題的過程，分別是想打開OJ網(wǎng)站（詢問網(wǎng)址）->做不出要提示->出錯(cuò)找問題->參考別人的代碼->做不出需要激勵(lì)->最后放棄看答案->選擇下一道題目。通過一系列的優(yōu)化，聊天機(jī)器人較好的滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。

5 聊天機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景分析

本項(xiàng)目的目標(biāo)是通過智能聊天機(jī)器人，為教師增加一個(gè)增強(qiáng)教學(xué)、學(xué)習(xí)和評(píng)估的虛擬助手。它可以隨時(shí)隨地回答學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的疑問，幫助學(xué)生鞏固各階段的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的自信心和趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)編程的熱情，同時(shí)也大幅減輕教師的答疑工作量，提升了教學(xué)質(zhì)量。我們選取了三個(gè)場(chǎng)景測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，具體的應(yīng)用效果分析結(jié)果如下[5]：

（1）課堂上，老師使用OJ平臺(tái)布置課堂練習(xí)。學(xué)生有問題舉手問老師，如果舉手人數(shù)較多，部分學(xué)生會(huì)選擇聊天機(jī)器人進(jìn)行詢問。但是一旦聊天機(jī)器人不能提供高質(zhì)量的回答，學(xué)生就會(huì)立刻放棄使用Chatbot，選擇問老師或同學(xué)。在課堂上，Chatbot應(yīng)用效果一般。

（2）在課外，老師使用OJ平臺(tái)布置課外作業(yè)。當(dāng)學(xué)生遇到不能解決的問題時(shí)，會(huì)選擇通過微信等方式問老師。如果老師無法及時(shí)回復(fù)，多數(shù)學(xué)生會(huì)選擇詢問聊天機(jī)器人或查找資料。在課外作業(yè)中的應(yīng)用效果比課堂應(yīng)用效果要好。

（3）在ACM競(jìng)賽輔導(dǎo)中，競(jìng)賽小組的學(xué)生使用OJ平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)練習(xí)。老師根據(jù)學(xué)生的刷題排名，確定學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。此時(shí)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過程中，一般會(huì)首先選擇靠自己解決問題，因此使用聊天機(jī)器人解決疑問的熱情比較高，應(yīng)用效果最好。

因此，我們可以看出聊天機(jī)器人的應(yīng)用效果與學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情成正比。從已有的數(shù)據(jù)分析看，目前階段設(shè)計(jì)的聊天機(jī)器人比較適合競(jìng)賽輔導(dǎo)訓(xùn)練場(chǎng)景。

人工智能給教育者和學(xué)習(xí)者都帶來了巨大的好處。聊天機(jī)器人代表了新一代認(rèn)知技術(shù)，我們可以直接使用自然語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)交互，得到準(zhǔn)確精練的回答。相較于目前搜索得到的成千上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)頁(yè)，無疑Chatbot能夠讓用戶更快地獲取有用信息，更有效地減輕人工工作量。把聊天機(jī)器人引入到課程教學(xué)中，在學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)技能時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生逐步深入地學(xué)習(xí)并掌握該技能，將是一次非常有意義的嘗試。