生成式AI輔助“數(shù)據(jù)結(jié)構”教學研究

摘要：生成式AI作為新興的人工智能模型，可生成諸如文本、圖像等新數(shù)據(jù)，引發(fā)教育界的關注。本文探討了如何利用CodeGeeX這一專門輔助軟件開發(fā)的生成式AI產(chǎn)品，助力數(shù)據(jù)結(jié)構教學，提升教學效果。借助CodeGeeX的智能生成算法代碼、自動添加代碼注釋、智能解釋代碼、分析修復代碼Bug以及實時智能問答等功能，教師可以更有效地引導學生深入理解基本數(shù)據(jù)結(jié)構的概念，熟練掌握其應用，解決實際問題，有助于提高教學質(zhì)量和學生的學習效果。

關鍵詞：生成式AI；CodeGeeX；數(shù)據(jù)結(jié)構；輔助教學

引言

“數(shù)據(jù)結(jié)構”是計算機類相關專業(yè)的核心基礎課程，為后續(xù)學習操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫技術等專業(yè)課程奠定基礎。課程重點在于培養(yǎng)學生的計算思維和數(shù)據(jù)抽象能力，要求學生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構基本知識后，在實際問題中靈活選用數(shù)據(jù)結(jié)構，設計高效的算法和存儲結(jié)構，并準確分析算法的時間和空間復雜度。該課程不僅是學生進一步學習計算機領域其他課程前必備的基礎，更是其從事大型信息工程開發(fā)的基礎[1]。

生成式AI是一類新興的人工智能模型，不僅可以理解和處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還能創(chuàng)造全新的數(shù)據(jù)，包括文本、圖像、音頻、視頻等。ChatGPT作為其代表產(chǎn)品，能以對話的方式接收輸入，并生成連貫、合乎語境的文本回復，模擬人類對話。隨后，文心一言、盤古、Bard等通用生成式AI產(chǎn)品以及Github Copilot、CodeGeeX等專門輔助軟件開發(fā)的生成式AI產(chǎn)品相繼問世。生成式AI不僅可以直接生成問題答案，甚至可以撰寫課程論文和參加線上考試，在教育界引發(fā)了一場是否應在教育教學中應用生成式AI的討論。雖然當前觀點不一，但在高等教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢下，如何有效利用生成式AI助力高等教育更快更好發(fā)展，是未來的主流研究方向[2]。

當前已有研究人員開展如何運用ChatGPT促進以知識點為核心的教學模式變革研究[3]、如何將ChatGPT用于計算機輔助教學[4]、如何將文心一言應用于數(shù)據(jù)結(jié)構教學的探討[5]，但對如何將專門輔助軟件開發(fā)的生成式AI應用于教學還未有相關研究。本文以“數(shù)據(jù)結(jié)構”課程為例，探討如何利用CodeGeeX輔助教學，提高教學效果。

1. “數(shù)據(jù)結(jié)構”課程教學現(xiàn)狀

“數(shù)據(jù)結(jié)構”課程的教學目標主要是引導學生掌握數(shù)據(jù)結(jié)構的基本概念及其實現(xiàn)，并培養(yǎng)他們的計算思維和解決問題的能力，為未來的學習和職業(yè)發(fā)展打下堅實基礎。然而，在教學實踐中仍存在以下問題：

（1）課程內(nèi)容繁多。數(shù)據(jù)結(jié)構涉及的知識點非常多，包括線性表、棧和隊列、樹和二叉樹、圖等結(jié)構的原理和實現(xiàn)，以及查找和排序等應用，學生在有限的課時內(nèi)掌握這些知識面臨較大挑戰(zhàn)。

（2）抽象思維理解難度大。數(shù)據(jù)結(jié)構是一種抽象的概念，需要學生具備一定的抽象思維能力。在教學實踐中，雖然通過交互性課件、可視化算法執(zhí)行過程等多種方式幫助學生理解，但對很多學生來說理解算法仍然很有難度。

（3）編碼基礎薄弱。數(shù)據(jù)結(jié)構是一門很注重實踐的課程，學生需要具備較好的編程能力來實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)結(jié)構和算法。然而，在教學實踐中，雖然學生已經(jīng)在前置課程中學習過C語言，但對于數(shù)據(jù)結(jié)構中需要用到的指針、結(jié)構體、遞歸等內(nèi)容普遍掌握較差，不能獨立編寫完整的算法，不會通過Debug解決代碼錯誤。

如何提高教學效果，提升學生實際學習成效，為后續(xù)專業(yè)課程學習做好準備，是“數(shù)據(jù)結(jié)構”課程教學改革亟須解決的問題。

2. CodeGeeX概念

CodeGeeX是一款基于ChatGLM2-6B模型的智能編程助手，經(jīng)過600B代碼數(shù)據(jù)的預訓練，能夠自動生成和補全代碼、添加注釋、進行代碼翻譯以及提供智能問答服務[6]。

CodeGeeX支持C/C++、Python、Java等主流編程語言，并采用插件形式集成到VSCode、HBuilderX、IntelliJ IDEA等多種IDE。安裝過程非常便捷，以VSCode為例，只需在擴展界面中搜索并安裝即可使用，無須進行復雜配置。

3. CodeGeex輔助教學實例

3.1 智能生成并優(yōu)化算法代碼，降低課程編碼能力要求

在算法實踐時，部分編碼能力較弱的學生需要花費大量時間在編碼上，導致他們不能對算法進行深入分析，影響了教學目標的實現(xiàn)。CodeGeeX可以一鍵生成常見的算法代碼，極大縮短編碼時間，讓編碼能力較弱的學生也能將精力聚焦在算法理解和分析上，提高教學效果。例如，在CodeGeeX對話框中輸入：“使用C語言編寫一個冒泡排序算法”，CodeGeeX自動用C語言生成了對應的算法代碼，并給出了冒泡排序的基本原理，如圖1所示。

CodeGeeX還具備算法優(yōu)化能力，繼續(xù)與CodeGeeX對話，輸入“優(yōu)化這個算法效率”，CodeGeeX會分析原始冒泡排序算法效率不高的原因，并提供優(yōu)化思路和優(yōu)化后的算法代碼，幫助學生深入理解算法，掌握如何提高算法效率的技巧。

3.2 自動添加代碼注釋，輔助算法學習

在教學實踐中，大多數(shù)學生只有基本的編程能力，不能獨立分析課程的示例代碼。教師需要花費很多時間逐行解釋代碼，甚至一節(jié)課只能講解1個算法，導致教學效率低下。

CodeGeeX可以自動為每行代碼添加注釋，通過詳細說明每個變量、每行代碼的作用，既能提高教師課堂講解算法代碼的速度，也可以提升學生自學效果。

3.3 智能解釋代碼，高效掌握算法實現(xiàn)

在學習復雜算法時，盡管教師已使用偽代碼和交互性動畫來講解算法原理及執(zhí)行過程，但部分學生仍然難以將算法代碼與算法原理建立聯(lián)系，學生產(chǎn)生了較強的畏難情緒，導致教學效果不佳。

CodeGeeX可以智能解釋代碼段在算法中的作用并說明執(zhí)行過程，就像有一位經(jīng)驗豐富的軟件工程師在實時解釋代碼。該功能可有效降低學習復雜算法的難度，消減學生的畏難情緒，提高教學效果。例如，在學習八皇后算法的時候，學生對于解決沖突的while循環(huán)代碼段的作用不理解，只需將該代碼段選中，然后在CodeGeeX對話框中輸入：“代碼含義”，CodeGeeX智能分析整個算法后給出了該代碼段的作用，如圖2所示。

3.4 智能分析修復代碼Bug，提高實驗效率

數(shù)據(jù)結(jié)構是一門理論性和實踐性并重的課程，在教學過程中需要進行多次實驗。學生雖然已經(jīng)學習過C語言，但對C語言的掌握普遍比較薄弱，對于實驗過程中出現(xiàn)的編譯錯誤、運行時錯誤等Bug往往摸不著頭緒，不知如何解決，解決代碼Bug占用了實驗課的大量時間，導致學生在實驗課中往往無法按時完成實驗，影響了實驗教學目標的達成。

CodeGeeX能智能分析代碼Bug，并給出修改建議。如圖3所示，在代碼段中，有一個教學中常見的代碼錯誤：if條件中的==被誤寫成了=，該問題在語法上沒有錯誤，程序可以正常編譯，但運行結(jié)果不正確。對于這類邏輯Bug，學生往往需要耗費大量的時間才能修復。而使用CodeGeeX分析這段代碼，CodeGeeX會直接指出有邏輯錯誤的代碼行，并詳細給出原因分析和修改建議。此時繼續(xù)輸入“修復bug”，CodeGeeX會自動生成修復后的代碼。如此可快速修復代碼Bug，有效提高實驗課效率。

3.5 智能問答，實時伴隨學習

數(shù)據(jù)結(jié)構課程內(nèi)容多，思維抽象，學生在學習過程中，經(jīng)常會碰到難理解的知識點。由于課時有限，學生不一定能及時得到教師幫助，而在網(wǎng)絡上搜索，又很難直接找到答案，往往需要耗費大量的時間才能解決疑問。CodeGeeX基于大模型提供的智能問答功能可以實時生成準確的回答，有效提高學習效率。例如，在學習排序算法時，學生不理解為什么快速排序的時間效率比較高，此時就可以向CodeGeeX提問：“快速排序算法為什么快”，如圖4所示，CodeGeeX實時生成的答案正確回答了該算法效率高的原因。此場景下，CodeGeeX就像一位知識淵博的老師在陪伴著學生學習，能夠有效提高學生學習效果。

結(jié)語

CodeGeeX展現(xiàn)出了在“數(shù)據(jù)結(jié)構”課程輔助教學中巨大的應用潛力，作為一種專門針對軟件開發(fā)的智能編程助手，既是教師備課的助手，又是學生學習的伙伴。通過CodeGeeX可以快速生成和補全算法代碼，提高編程效率，幫助學生更好地理解和掌握編程語言和編程技巧。CodeGeeX還可以智能生成算法代碼，減少手動編寫代碼的時間，將有限的實驗課時聚焦在對算法的理解和分析上。CodeGeeX還可以自動添加注釋、分析代碼和修復代碼Bug，能有效幫助學生理解代碼，提供個性化學習支持和自適應教學。

生成式AI以其獨特的創(chuàng)造性和想象力，能夠生成新穎且有價值的內(nèi)容，為教育領域注入新活力。其輔助教學的優(yōu)勢：（1）快速生成文本、圖片、視頻等教學資源，提供多樣化學習方式；（2）根據(jù)學習情況提供輔導和學習資源推薦，進行個性化教學；（3）自動完成整理資料、批改作業(yè)等重復性工作，減輕教師工作負擔。同時，也要關注生成式AI輔助教學的挑戰(zhàn)：（1）生成式AI的引入改變了教師的角色和工作方式，需要教師積極適應變革；（2）需要引導學生正確使用生成式AI輔助學習，避免過度依賴AI技術；（3）當前生成式AI技術仍在發(fā)展，其生成內(nèi)容的準確性和質(zhì)量還有待提高；（4）生成式AI需要大量數(shù)據(jù)來訓練和優(yōu)化，如何保障教師、學生的數(shù)據(jù)隱私和安全是一個不容忽視的問題?？傊墒紸I輔助教學潛力巨大，未來需繼續(xù)探索其優(yōu)勢，解決問題和挑戰(zhàn)，為教育進步作出更大貢獻。

參考文獻：

[1]董薇，張淑麗.持續(xù)改進中的數(shù)據(jù)結(jié)構實驗教學探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2023（19）：137-139.

[2]董艷，夏亮亮，李心怡，等.ChatGPT賦能學生學習的路徑探析[J].電化教育研究，2023，44（12）：14-20，34.

[3]陳靜遠，胡麗雅，吳飛.ChatGPT/生成式人工智能促進以知識點為核心的教學模式變革研究[J].華東師范大學學報（教育科學版），2023，41（7）：177-186.

[4]于剛，賈志娟.關于ChatGPT用于計算機輔助教學的探討[J].互聯(lián)網(wǎng)周刊，2023（18）：58-60.

[5]郭乃瑄，董琴，徐秀芳，等.基于文心一言的數(shù)據(jù)結(jié)構課程教學方法初探[J].科教文匯，2023（21）：95-100.

[6]CodeGeeX.CodeGeeX：Tab一下，代碼生成！[EB/OL].（2022-11-17）[2024-02-17].https：//codegeex.cn/zh-CN/bloginfo/2b34c45370a34c80a27244004f259510.

作者簡介：張華鋒，碩士研究生，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術、AIGC。