智能教育背景下編程教學(xué)的困境、策略與趨勢分析

向程冠 王英 王東

關(guān)鍵詞：智能教育；編程教育；大規(guī)模個性化教學(xué)；混合增強智能；高等教育

1 引言

編程課程是高校計算機相關(guān)專業(yè)的重要核心課程之一，是學(xué)生學(xué)好專業(yè)技能的重要保障。國內(nèi)外多數(shù)計算機類專業(yè)選擇在學(xué)生入學(xué)的第一學(xué)期開始教授編程，如C語言程序設(shè)計。在編程入門課程中，學(xué)生可以習(xí)得解決問題的技能、編程的基本概念與編程語言的語法規(guī)則，并初步學(xué)會運用編程語言解決問題[1]。一直以來，教授新手學(xué)習(xí)編程被視為計算機教育的七大挑戰(zhàn)之一[2]。據(jù)Bennedsen等人的統(tǒng)計，編程入門課程的平均學(xué)習(xí)通過率僅為67.7%，失敗率高[3]。隨著社會的進步，蓬勃發(fā)展的人工智能技術(shù)在推動教育深層次變革的進程中促進了教育新形態(tài)的產(chǎn)生，教育信息化向高階應(yīng)用發(fā)展，加速了教育的結(jié)構(gòu)性變遷[4]。研究者們將程序自動測評與反饋技術(shù)應(yīng)用到編程教學(xué)中，雖然大大減輕了教師的工作量，但僅依賴于機器智能完成時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度及通過測試用例數(shù)目等方面的低階反饋，忽略了人類教師在推理、算法邏輯、語義理解及決策等方面的高階反饋?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展必然引領(lǐng)教育人工智能由“支持智能”階段向人機協(xié)同的“混合增強智能”階段發(fā)展[5]，人類智能與機器智能協(xié)同的混合增強教育模式將成為編程教育的一種新趨勢。同時，人工智能+教育的新形態(tài)將有助于促進大規(guī)模個性化教學(xué)，探索與實踐大規(guī)模個性化教學(xué)也將成為編程教育的另一種新趨勢。

2 高校編程入門課程教學(xué)的困境

在高等學(xué)校計算機專業(yè)的編程入門教學(xué)中，教師面對剛從中學(xué)階段轉(zhuǎn)入大學(xué)階段的大學(xué)生，如何了解學(xué)生的知識背景、激發(fā)與保持學(xué)生的編程積極性、平衡規(guī)?；c個性化教學(xué)的矛盾、組織編程知識點的教學(xué)順序等一直是教師亟須解決的問題。

1）學(xué)情困境：對學(xué)生學(xué)前基礎(chǔ)情況了解不足

眾所周知，問題解決能力、邏輯推理能力與數(shù)學(xué)能力是學(xué)習(xí)編程的重要保障。問題解決能力主要包括問題理解能力、關(guān)鍵信息識別能力和解決計劃制定能力[6]。良好的邏輯推理能力有助于促進學(xué)生學(xué)習(xí)編程的認知能力。盡管數(shù)學(xué)能力與編程學(xué)習(xí)之間并不存在因果關(guān)系，但研究表明數(shù)學(xué)能力對學(xué)習(xí)編程很重要，數(shù)學(xué)能力與問題解決能力密切相關(guān)[7-8]。教授編程的教師只有充分了解學(xué)生的知識與能力儲備情況，才能制訂出有積極意義的教學(xué)計劃。因此，如何快速評估學(xué)生已具備的問題解決能力、邏輯推理能力與數(shù)學(xué)能力，成為編程授課教師面臨的首要問題。

2）動機困境：持續(xù)調(diào)動學(xué)生的編程積極性困難

一方面，學(xué)生在高中階段有明確的“升學(xué)”學(xué)習(xí)目標，大學(xué)階段存在學(xué)習(xí)迷航問題，導(dǎo)致缺失學(xué)習(xí)動機與動力。另一方面，編程學(xué)習(xí)的成功需要不斷努力，但大學(xué)生初學(xué)編程的動機與積極性不足，在面對學(xué)習(xí)困難時顯得力所不及[9]。因此，為了持續(xù)調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)編程的動力與積極性，教師需要探索對應(yīng)的教學(xué)策略。

3）函矢困境：大規(guī)模教學(xué)與個性化教學(xué)的矛盾

夸美紐斯在《大學(xué)教學(xué)論》中提出的標準化課堂成為工業(yè)時代的主流課堂形態(tài)，全班上著一樣的課，學(xué)生做著一樣的練習(xí)[10]，這樣的課堂形態(tài)有利于組織大規(guī)模教學(xué)。在以“學(xué)生為中心”的現(xiàn)代化課堂中，需要融入“因材施教”的個性化教學(xué)，編程教學(xué)更是如此。然而，面對人數(shù)較多的班級群體，教師陷入了函矢相攻的困境：一方面要檢查評測學(xué)生提交的大量代碼；另一方面要完成個性化的學(xué)習(xí)反饋，工作任務(wù)量艱巨，難以解決學(xué)生的認知需求和個體困難。

4）循常困境：編程知識點教學(xué)順序組織的自主性弱

一般而言，通過改進教學(xué)內(nèi)容可提升教學(xué)效果[11]。大多數(shù)的編程教學(xué)教師對教學(xué)內(nèi)容的順序組織循常習(xí)故，按教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)順序組織教學(xué)活動，缺少革故鼎新的嘗試，自主性弱。在高校編程教育研究中，幾乎沒人提及知識點順序組織對教學(xué)效果的影響[12]。因此，在編程課程中如何組織知識點的教學(xué)順序，成為教師需要進一步探索與研究的問題。

3 高校編程入門課程教學(xué)的策略

教授新生學(xué)習(xí)編程并非易事，極具挑戰(zhàn)性[13]。在教學(xué)過程中，教師會嘗試采用多種教學(xué)方法與策略以期取得良好的教學(xué)效果，如干預(yù)策略、協(xié)作策略、游戲策略、做中學(xué)策略、智能輔助策略等。

1）干預(yù)策略

在編程入門課程教學(xué)中，翻轉(zhuǎn)課堂與混合式教學(xué)是常用的教學(xué)干預(yù)策略。翻轉(zhuǎn)課堂是基于傳統(tǒng)課堂結(jié)構(gòu)的一種教學(xué)新形式，有助于在編程教學(xué)中提高學(xué)生的成績，通常要求學(xué)生在課前完成視頻、文本或其他材料的學(xué)習(xí)，課上完成與知識點相關(guān)的作業(yè)、討論與質(zhì)疑解答[14-16]?；旌鲜浇虒W(xué)不僅注重線上教學(xué)與線下教學(xué)的混合，更強調(diào)在“以學(xué)生為中心”的教學(xué)情境下教輔混合[17]。因此，混合式教學(xué)符合編程課程的教學(xué)要求，能有效提高教學(xué)效果[18-19]。

2）協(xié)作策略

編程教學(xué)的協(xié)作策略有結(jié)對編程、小組協(xié)作與人機協(xié)作等。結(jié)對編程是指兩個學(xué)生一起協(xié)作完成編程設(shè)計、算法與編碼，通常在線下編程授課中使用，由編程能力強的學(xué)生主導(dǎo)，通過相互幫助以促進學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[20-22]，有助于減輕教師的工作量，是許多高校在編程入門課程教學(xué)中常采用的一種教學(xué)策略[23]。結(jié)對編程的成功率取決于合作伙伴的貢獻[24]，需要合理安排結(jié)對成員。小組協(xié)作是一種基于人口學(xué)理論（如社會建構(gòu)主義和社會認知理論）的相互協(xié)作方法，由兩名以上的學(xué)生一起完成編程任務(wù)。小組成員協(xié)作時，可以把規(guī)模較大的任務(wù)劃分為多個子任務(wù)派發(fā)給學(xué)生完成，也可自由分配編程任務(wù)[25]，從而促進學(xué)生積極參加小組活動[26]。人機協(xié)作主要指學(xué)習(xí)過程中學(xué)生與“弱人工智能”階段的機器之間的協(xié)作，由機器提供在線學(xué)習(xí)環(huán)境與智能輔導(dǎo)，為學(xué)生推送相關(guān)的數(shù)字化學(xué)習(xí)工具與資源，輔助學(xué)生完成自適應(yīng)學(xué)習(xí)活動[27]。

3）游戲策略

基于游戲的教學(xué)方式專注于非娛樂的有趣學(xué)習(xí)，有助于教師向初學(xué)編程的新生傳授編程基礎(chǔ)知識的概念，以保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動機[28]。在非游戲的教學(xué)情境中使用游戲元素，可增強學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗[29-31]。

4）做中學(xué)策略

“做中學(xué)”由約翰?杜威提出，也稱邊做邊學(xué)策略，強調(diào)以學(xué)生為中心，體現(xiàn)了現(xiàn)代化教學(xué)中的一種新型師生關(guān)系[32]。學(xué)生在收集信息、思考和解決問題的活動過程中保持身心的活躍狀態(tài)[33]。在編程教學(xué)中采用“做中學(xué)”，需要鼓勵學(xué)生積極參加編程活動，積極反思其想法來學(xué)習(xí)如何編程[34]。

5）智能輔助策略

目前，多數(shù)高校在編程教學(xué)中使用了智能輔助系統(tǒng)（也稱為智能編程導(dǎo)師），由系統(tǒng)提供編輯和運行代碼的環(huán)境，并自動完成語法錯誤提示[35]，大大減輕了教師的工作量。智能輔助系統(tǒng)提供了編程題目的靜態(tài)測評與動態(tài)測評兩種方式：靜態(tài)測評主要從軟件度量（復(fù)雜性、注釋、代碼行數(shù)、運算符數(shù)量、操作數(shù)數(shù)量、變量數(shù)量）、程序風(fēng)格、錯誤檢測、關(guān)鍵字檢測、抄襲檢測、代碼結(jié)構(gòu)相似性分析[36，37]，通過計算學(xué)生源程序與教師給出的程序模板之間的相似度給出評分，即使代碼有語法錯誤，也可獲得部分分數(shù)；動態(tài)測評主要根據(jù)教師提供的測試用例（輸入）來評估學(xué)生的代碼是否輸出了預(yù)期的結(jié)果，按通過的測試用例數(shù)目給出分數(shù)，當(dāng)存在編譯錯誤時，返回錯誤信息。

4 高校編程入門課程教學(xué)的趨勢

1）基于混合增強智能的“師-機-生”三元主體協(xié)同

察勢者明，趨勢者智。人工智能技術(shù)的發(fā)展必然促進社會的進步與發(fā)展，站在教育人工智能必然由“支持智能”階段向人機協(xié)同的“混合增強智能”階段發(fā)展的新趨勢下，機器智能在教育中地位逐漸凸顯，對教育產(chǎn)生了新的革命性影響，傳統(tǒng)教育活動中的“師-生”二元主體結(jié)構(gòu)必然向“師-機-生”三元主體結(jié)構(gòu)演化。人工智能+教育已經(jīng)成為高等教育改革創(chuàng)新的新趨勢，混合增強的“師-機-生”三元主體教學(xué)模式作為智能教育的新形態(tài)，也將成為高等學(xué)校教育改革創(chuàng)新的一個重要方向。在高校編程入門課程教學(xué)改革中，構(gòu)建新一代人機協(xié)同的“師-機-生”三元主體混合增強智能教學(xué)模式，融合機器在存儲、計算、搜索、優(yōu)化方面的智能與人類在直覺、推理、決策方面的智慧，有助于促進精準教學(xué)，提升編程學(xué)習(xí)體驗。

2）規(guī)?；虒W(xué)與個性化教學(xué)融合

以孔子為代表的儒家學(xué)說主張的“有教無類”“因材施教”，正是今天教育工作者們對實現(xiàn)教育均衡與培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的追求，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)依賴“因材施教”“以學(xué)生為中心”的個性化教學(xué)。當(dāng)下正處于后工業(yè)階段的規(guī)?；瘯r代，個性化教學(xué)在價值取向上與工業(yè)“標準化”相悖，在實施過程中與規(guī)?；瞬判枨笙嚆?，在教學(xué)建設(shè)中與統(tǒng)整性的資源供給系統(tǒng)相悖，在評價結(jié)果中與標準化測評相悖[38]。人工智能技術(shù)的發(fā)展，促進了規(guī)?；虒W(xué)與個性化教學(xué)的融合，也有學(xué)者將這種融合稱為大規(guī)模個性化教學(xué)[39]。智能教育技術(shù)為大規(guī)模個性化教學(xué)提供了數(shù)據(jù)支持、資源支持、教學(xué)組織支持與評價支持，教師可采用基于混合增強智能的教學(xué)模式，借助機器智能的優(yōu)勢，結(jié)合教師自身的教學(xué)智慧，在編程教學(xué)中探索大規(guī)模個性化教學(xué)的有效路徑。比如，在編程教學(xué)中采用翻轉(zhuǎn)課堂與混合式教學(xué)，線上完成知識點的教學(xué)，線下完成個性化的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)，從而實施個性化精準教學(xué)。

5 結(jié)束語

在高等教育中，教授大一新生學(xué)習(xí)第一門編程課程具有較大的挑戰(zhàn)性。在教學(xué)中，及時掌握學(xué)生的知識背景與相關(guān)技能，持續(xù)激發(fā)與保持學(xué)生的編程積極性，平衡規(guī)模化與個性化教學(xué)的矛盾，研究編程知識點的教學(xué)順序組織，關(guān)注智能教育背景下編程教學(xué)的新趨勢，有助于提升教學(xué)效果，促進高校教學(xué)改革創(chuàng)新。在后續(xù)的研究中，我們將持續(xù)探索“師-機-生”三元主體協(xié)同的編程教學(xué)模型，以期在數(shù)字化時代為編程教學(xué)的應(yīng)用研究提供參考。