人工智能技術(shù)應(yīng)用背景下程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

劉林東 鄔依林 張謙

摘要：針對程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)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(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評價等方面探索人工智能技術(shù)應(yīng)用背景下程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)改革策略。通過對教學(xué)視頻學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的采集，利用人工智能技術(shù)對教學(xué)視頻學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，通過教學(xué)實踐應(yīng)用，形成一套有效的課程教學(xué)模式，有效促進(jìn)了人工智能技術(shù)在課程教學(xué)改革中的應(yīng)用，為推動人工智能技術(shù)應(yīng)用背景下程序設(shè)計基礎(chǔ)課程改革奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：人工智能；混合式教學(xué)；教學(xué)評價

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0143-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

程序設(shè)計基礎(chǔ)是一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力是其核心目標(biāo)。僅僅依靠教師課堂講授難以讓學(xué)生完成課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，需要通過大量的實驗和實踐，訓(xùn)練學(xué)生程序設(shè)計、程序調(diào)試和綜合解決問題的能力。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，需要對程序設(shè)計基礎(chǔ)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行分析，針對傳統(tǒng)課程教學(xué)模式中存在的問題，對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評價等方面進(jìn)行改革[1]，在課程教學(xué)模式中融入人工智能技術(shù)[2-3]，提高學(xué)生程序設(shè)計基礎(chǔ)綜合實踐能力，培養(yǎng)工科創(chuàng)新型人才。

文中以程序設(shè)計基礎(chǔ)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(shù)應(yīng)用背景下的程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)模式[4]，為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代發(fā)展趨勢及專業(yè)人才培養(yǎng)導(dǎo)向，提高“程序設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)質(zhì)量，提升軟件工程專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜實際工程問題的能力，從而更好地適應(yīng)新工科建設(shè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 思維模式

程序設(shè)計基礎(chǔ)課程面向軟件工程專業(yè)大一新生，開課時間在第一學(xué)年第一學(xué)期，對于大一新生而言，由于在中學(xué)階段沒有過多接觸計算機(jī)編程，不熟悉高級程序設(shè)計語言。而程序設(shè)計基礎(chǔ)課程與專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)同步進(jìn)行，加上沒有足夠社會實踐，學(xué)生無法快速完成從傳統(tǒng)思維模式向計算機(jī)編程思維模式的轉(zhuǎn)變，部分學(xué)生跟不上教學(xué)進(jìn)度，甚至對計算機(jī)編程會產(chǎn)生厭學(xué)心理，不利于后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

1.2 教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師的“教”為中心，學(xué)生在課堂上被動地接受知識，學(xué)生沒有參與整個教學(xué)過程，教師與學(xué)生以及學(xué)生之間的互動和討論環(huán)節(jié)較少。教學(xué)環(huán)節(jié)比較單一，一般沒有課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)結(jié)束后，沒有課后鞏固環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師講授為主，無法發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也無法對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)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(xué)生掌握函數(shù)的綜合應(yīng)用，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

1.3 教學(xué)內(nèi)容

學(xué)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(xué)模式不利于教學(xué)內(nèi)容的講解，無法有效安排教學(xué)時間和教學(xué)內(nèi)容，課堂上沒有足夠的時間對重、難點教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解，學(xué)生不能主動參與到教學(xué)內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)中去。實驗教學(xué)中，一般的做法是發(fā)布實驗教學(xué)內(nèi)容，大部分學(xué)生在沒有提示的情況下無法順利完成實驗報告的撰寫，學(xué)生缺乏工程化思想，不利于培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

因此，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)程序設(shè)計基礎(chǔ)課程的積極性，增強(qiáng)學(xué)生動手和編程能力[5-7]，是程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中急需解決的問題。文中從教學(xué)目標(biāo)改革、教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法改革以及教學(xué)評價改革４個方面開展研究，程序設(shè)計基礎(chǔ)課程改革模式如圖1所示。

2 課程教學(xué)改革探索

2.1 教學(xué)目標(biāo)改革

2.1.1 課程思政改革

在“字符數(shù)組”章節(jié)教學(xué)過程中，融入課程思政教學(xué)改革內(nèi)容[8-9]，注重知識傳授與價值引領(lǐng)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(dǎo)學(xué)生對集體主義精神的思考。

② 根據(jù)字符串‘＼0結(jié)束標(biāo)志，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行底線意識的思考。做任何事情都應(yīng)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(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生理解尺有所短，寸有所長，正確地認(rèn)識和評價自己，發(fā)揮自身優(yōu)勢為社會做貢獻(xiàn)。

④ 通過對字符串中查找特定字符算法的講解，引導(dǎo)學(xué)生遵守國家相關(guān)規(guī)定，規(guī)范網(wǎng)絡(luò)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(shè)

對照一流課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在“字符數(shù)組”章節(jié)教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施過程中，通過以下幾方面進(jìn)行教學(xué)改革，促進(jìn)程序設(shè)計基礎(chǔ)一流課程建設(shè)。

① 注重學(xué)生綜合能力培養(yǎng)

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

② 注重教學(xué)內(nèi)容改革

融合線上教學(xué)平臺、MOOC教學(xué)資源、線上教學(xué)資源、開放課程、在線課程等資源，課程教學(xué)過程中與學(xué)生分享學(xué)科發(fā)展前沿，教學(xué)設(shè)計中注重對知識凝結(jié)過程、科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的探究。

③ 加強(qiáng)過程性評價

針對學(xué)生學(xué)習(xí)評價，從傳統(tǒng)的終結(jié)性評價方式過渡到過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的形式[10-11]。改變“一考定終身”的評價方式，加強(qiáng)過程性評價，圍繞學(xué)生從課前學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)以及課后鞏固３個階段，針對各個學(xué)習(xí)階段的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動，設(shè)計相應(yīng)的評價指標(biāo)和權(quán)重，跟蹤和記錄學(xué)生每個學(xué)習(xí)活動的學(xué)習(xí)狀態(tài)和完成情況，綜合評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

2.2 教學(xué)內(nèi)容改革

2.2.1 數(shù)字化教學(xué)資源

基于小雅課程平臺，建立程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)平臺，建立相應(yīng)的數(shù)字化教學(xué)資源并導(dǎo)入小雅課程平臺，數(shù)字化教學(xué)資源如圖2所示。

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

2.2.2 實驗教學(xué)平臺

搭建程序設(shè)計基礎(chǔ)課程通用實驗環(huán)境，既可以方便學(xué)生練習(xí)，又便于教師對學(xué)生實驗情況進(jìn)行在線檢查，在“字符數(shù)組”教學(xué)過程中，采用PTA-程序設(shè)計類實驗輔助教學(xué)平臺開展實驗輔助教學(xué)，如圖3所示，學(xué)生直接在PTA平臺中完成函數(shù)題和編程題的練習(xí)，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(xué)生實驗完成情況。

2.3 教學(xué)方法改革

在“字符數(shù)組”章節(jié)教學(xué)過程中，利用混合式教學(xué)設(shè)計圍繞課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)以及課后鞏固３個階段進(jìn)行，３個階段共需時長90分鐘左右，其中課堂教學(xué)時長為40分鐘，融入混合式教學(xué)策略的教學(xué)設(shè)計如圖4所示。

2.3.1 課前準(zhǔn)備階段

① 教師通過課程平臺設(shè)計和布置“字符數(shù)組”課堂教學(xué)學(xué)習(xí)資源、課前測驗題等內(nèi)容，以任務(wù)單的形式發(fā)布給學(xué)生。學(xué)生完成“字符數(shù)組（20分鐘）”任務(wù)單中的教學(xué)視頻知識點學(xué)習(xí)內(nèi)容。

② 學(xué)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(xué)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(jìn)行分析和處理，獲取學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況。

2.3.2 課堂教學(xué)階段

① 課堂導(dǎo)入。通過思維導(dǎo)圖導(dǎo)入課堂教學(xué)內(nèi)容，基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析結(jié)論，分析和小結(jié)課前學(xué)習(xí)情況。

② 重、難點內(nèi)容講解?；谡n前學(xué)習(xí)分析報告，對字符串、字符數(shù)組輸入和輸出進(jìn)行重點講解。

③ 小組學(xué)習(xí)。分小組對課堂教學(xué)內(nèi)容，特別是重難點內(nèi)容進(jìn)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(jié)合，互動與答疑的導(dǎo)學(xué)助學(xué)模式，在課堂上對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(biāo)進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)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(yīng)用字符數(shù)組的現(xiàn)象。

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

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

2.4 教學(xué)評價改革

在混合式教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用形成性評價和終結(jié)性評價對“字符數(shù)組”章節(jié)課堂教學(xué)效果進(jìn)行評價?；旌鲜浇虒W(xué)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(biāo)準(zhǔn)，程序設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)評價改革增加形成性評價內(nèi)容，重點針對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行過程性評價。教學(xué)評價總體上包括形成性評價和終結(jié)性評價，其中形成性評價占70%，終結(jié)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(yīng)教學(xué)設(shè)計中的課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)和課后鞏固3個階段。

3 融合人工智能的教學(xué)改革

以“字符數(shù)組”課前準(zhǔn)備階段的教學(xué)視頻學(xué)習(xí)為例，基于人工智能技術(shù)對學(xué)生課前教學(xué)視頻學(xué)習(xí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)活動以及教學(xué)設(shè)計提供支撐，更好地促進(jìn)以學(xué)生為中心的教學(xué)，提升課程教學(xué)質(zhì)量。融入人工智能技術(shù)的課前準(zhǔn)備階段主要分析過程如下：

為了方便數(shù)據(jù)分析，設(shè)單個教學(xué)視頻時長在30分鐘以內(nèi)，將學(xué)生課前學(xué)習(xí)教學(xué)視頻時長（單位：分鐘）劃分為4個區(qū)間并分別作相應(yīng)的標(biāo)記t1，t2，t3和t4，各個標(biāo)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(xué)生u1～u7學(xué)習(xí)各個教學(xué)視頻資源（v1，v2，v3）的時長所對應(yīng)分類標(biāo)記的部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中tij表示學(xué)習(xí)教學(xué)視頻i（i=1，2，3）的時長標(biāo)記為j（j=1，2，3，4），若學(xué)生沒有學(xué)習(xí)教學(xué)視頻vi，則相應(yīng)的分類標(biāo)識記為ti1，其中i為教學(xué)視頻編號。

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則Apriori算法對表2中的事務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類挖掘，設(shè)最小支持度計數(shù)min_sup=2，得到相應(yīng)的頻繁模式為{，，}；設(shè)置最小置信度min_conf=65%，產(chǎn)生對應(yīng)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(xué)生u1和u3學(xué)習(xí)教學(xué)視頻v1的時長在3到10分鐘，學(xué)習(xí)教學(xué)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(jìn)行分組教學(xué)、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)任務(wù)布置以及重難點講解，有效改進(jìn)后續(xù)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提升課程教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)論

文中對程序設(shè)計基礎(chǔ)課程傳統(tǒng)教學(xué)模式中課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了分析，以課程中“字符數(shù)組”教學(xué)內(nèi)容為例，分別從教學(xué)目標(biāo)改革、教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方法改革以及教學(xué)評價改革4個方面開展研究，重點闡述了相應(yīng)的教學(xué)改革措施和方法。以課前準(zhǔn)備階段中的教學(xué)視頻學(xué)習(xí)為例，將人工智能技術(shù)融入教學(xué)視頻的分析和挖掘，形成一套比較有效的教學(xué)模式，有效促進(jìn)了人工智能技術(shù)在課程教學(xué)改革中的應(yīng)用。

在后續(xù)的課程教學(xué)實施過程中，需要深入將人工智能技術(shù)與課程教學(xué)融合起來，進(jìn)一步挖掘教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”過程中的數(shù)據(jù)，基于學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)行為，挖掘適合教學(xué)對象和教學(xué)內(nèi)容的有效教學(xué)模式，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：王 力】