生成式AI工具協(xié)同高中編程教學(xué)的應(yīng)用研究

【摘" 要】 生成式AI具有智能性、交互性、實(shí)時(shí)性、高效性等特點(diǎn)，在促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)理解、建構(gòu)以及個(gè)性化學(xué)習(xí)方面具有重要意義，但在教學(xué)中如何有效應(yīng)用生成式AI工具亟待進(jìn)一步探索。文章選取高一信息技術(shù)教材必修一中“周而復(fù)始的循環(huán)”課為例，做出文心一言生成式AI協(xié)同編程教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。通過(guò)H高中的兩個(gè)班級(jí)學(xué)生作為研究對(duì)象的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究表明，相較傳統(tǒng)編程教學(xué)，使用生成式AI工具的協(xié)同編程教學(xué)在提升學(xué)習(xí)興趣、降低認(rèn)知負(fù)荷方面具有明顯幫助。

【關(guān)鍵詞】 生成式AI;高中編程教學(xué);文心一言

本文以任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法為支撐，選取教科版高中信息技術(shù)必修一“周而復(fù)始的循環(huán)”一課，圍繞“用循環(huán)編程方法解決兔子數(shù)量問(wèn)題”這一核心任務(wù)，進(jìn)行詳細(xì)的生成式AI協(xié)同編程教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，為教師利用生成式AI進(jìn)行輔助教學(xué)提供一定的借鑒。

一、生成式AI工具在編程教學(xué)中的可行性分析

在中學(xué)編程教育中，運(yùn)用新一代人工智能技術(shù)的生成式AI具有重要的教育意義，它能營(yíng)造智能課堂環(huán)境，搭建智能教學(xué)平臺(tái)，互動(dòng)式、體驗(yàn)式特征明顯，讓學(xué)生沉浸在AI的知識(shí)海洋里。第一，生成式AI工具能為教師和學(xué)生提供編程教學(xué)的教學(xué)和學(xué)習(xí)資源支持，將生成式AI工具融入教育教學(xué)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。Farrokhnia認(rèn)為ChatGPT可以減少學(xué)生訪問(wèn)時(shí)間，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)和批判性思維，ChatGPT在生成教學(xué)設(shè)計(jì)、問(wèn)答題目、提供反饋信息等方面也有輔助作用。第二，從技術(shù)條件看，國(guó)內(nèi)生成式AI使用門(mén)檻低，已經(jīng)能夠?yàn)槿藗兯@取和注冊(cè)，且生成式AI工具的使用功能較為通俗易懂，教師和學(xué)生可以較為便利地使用，并與之進(jìn)行真實(shí)的對(duì)話(huà)交流?？紤]到現(xiàn)實(shí)因素，本文選取國(guó)內(nèi)生成式AI文心一言進(jìn)行輔助教學(xué)研究。第三，已有學(xué)者將生成式AI工具運(yùn)用到實(shí)際的教學(xué)中進(jìn)行具體的研究，國(guó)外學(xué)者Rudolph提出的ChatGPT實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，證明能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，目前生成式AI工具與編程教學(xué)融合具有一定的可行性和明顯的發(fā)展?jié)摿?，需要在具體的課堂教學(xué)實(shí)踐和研究中不斷探索其應(yīng)用價(jià)值。

二、基于文心一言的高中“for循環(huán)”python編程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)目標(biāo)

1. 知識(shí)目標(biāo)：使學(xué)生能了解“for循環(huán)”的概念，掌握“for循環(huán)”的基本格式和原理，了解文心一言的使用方法和常用功能。

2. 技能目標(biāo)：讓學(xué)生能夠利用“for循環(huán)”的思想進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，完成問(wèn)題的分解，進(jìn)而提高問(wèn)題解決能力和編程水平。

3. 學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)：信息意識(shí)目標(biāo)是讓學(xué)生在面臨基礎(chǔ)知識(shí)和編程問(wèn)題時(shí)，能自覺(jué)利用生成式AI工具進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)和解決;計(jì)算思維目標(biāo)是學(xué)生能根據(jù)文心一言工具生成的學(xué)習(xí)資源進(jìn)一步理解和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)，對(duì)編程問(wèn)題形成合理的算法和解決方案;數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新目標(biāo)是學(xué)生能夠運(yùn)用生成式AI工具自主學(xué)習(xí)，完成教師布置的任務(wù);信息社會(huì)責(zé)任目標(biāo)是學(xué)生能夠合理規(guī)范地使用生成式AI工具。

（二）學(xué)情分析

本研究選取黃岡市H高中的高二年級(jí)學(xué)生為教學(xué)對(duì)象，高二學(xué)生具有一定的抽象邏輯思維和自主學(xué)習(xí)的能力，對(duì)編程解決問(wèn)題有一定的好奇心，但缺乏自制力，需要教師進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)。學(xué)生已經(jīng)了解了常量、變量等基本概念，掌握了賦值語(yǔ)句、輸入輸出等基本語(yǔ)句，同時(shí)對(duì)順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)代碼段的編寫(xiě)有了初步的認(rèn)識(shí)和了解，會(huì)編程解決一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題。因此，在教學(xué)中，教師要善于運(yùn)用豐富的編程實(shí)例，利用生成式AI工具提供的資源，設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的挑戰(zhàn)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生解決問(wèn)題的興趣。

（三）教學(xué)內(nèi)容分析

本次課選用教科版必修一第二章“周而復(fù)始的循環(huán)”一課的內(nèi)容，主要涉及“列表的概念和使用方法”“range（）函數(shù)”“for循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和使用原理”三個(gè)基本知識(shí)點(diǎn)?；谌蝿?wù)驅(qū)動(dòng)法，將“編程計(jì)算兔子數(shù)量”任務(wù)、“for循環(huán)”知識(shí)、生成式AI工具有效融合，讓學(xué)生主動(dòng)利用文心一言輔助學(xué)習(xí)，理解深化計(jì)數(shù)循環(huán)編程知識(shí)，激發(fā)積極的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

（四）教學(xué)流程

教學(xué)流程是整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的核心和支撐，如圖1所示。課前，教師在課前輸入本節(jié)課的教學(xué)分析、學(xué)生分析、教學(xué)重難點(diǎn)等基本信息，對(duì)文心一言進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，以便文心一言生成更適合學(xué)生的個(gè)性化答案。課中，在教學(xué)導(dǎo)入時(shí)，教師介紹文心一言的使用方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入問(wèn)題情境并使用文心一言進(jìn)行舊知回顧和新知預(yù)習(xí)。接下來(lái)教師可以具體講解列表、range（）函數(shù)的相關(guān)知識(shí)，并使用文心一言生成簡(jiǎn)單的練習(xí)題，學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。然后教師以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，布置編程教學(xué)實(shí)例。學(xué)生根據(jù)教師布置的任務(wù)單進(jìn)行小組討論合作，根據(jù)補(bǔ)充的流程圖完善程序代碼并上機(jī)調(diào)試運(yùn)行。學(xué)生使用文心一言進(jìn)行學(xué)習(xí)并填寫(xiě)任務(wù)單，如圖2所示。如果學(xué)生遇到了程序報(bào)錯(cuò)等情況，教師要指導(dǎo)學(xué)生使用文心一言對(duì)自己編寫(xiě)的代碼進(jìn)行反饋和改進(jìn)。課后，教師指導(dǎo)學(xué)生使用文心一言進(jìn)行課堂評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生自評(píng)編程課堂的學(xué)習(xí)效果。

編程示例：農(nóng)場(chǎng)里最初養(yǎng)了3只兔子，每隔一年，兔子的數(shù)量會(huì)翻漲到原來(lái)的2倍，在所有兔子都存活的條件下，N年后兔子的數(shù)量是多少？思考并回答以下問(wèn)題：1. 使用算法的哪種結(jié)構(gòu)解決問(wèn)題？2. 使用流程圖描述算法，補(bǔ)充程序并上機(jī)調(diào)試運(yùn)行。

傳統(tǒng)編程的學(xué)習(xí)任務(wù)單：第一步，補(bǔ)充圖2中的流程圖;

第二步，補(bǔ)充程序并調(diào)試運(yùn)行（打開(kāi)tuzi.py）;

r=3

print（\"請(qǐng)輸入年份n的值：\"）

n =int（input（ ））

for i in range（" " " "）：

________

print（n，\"年后，兔子的數(shù)量是：\"，____）

第三步：你在編程時(shí)存在的問(wèn)題或者困惑：

提問(wèn)：

回答：無(wú)/反饋不及時(shí)

“文心一言協(xié)同編程的AI學(xué)習(xí)任務(wù)單”：第一步，借助文心一言生成解決問(wèn)題的步驟;

以下是使用“for循環(huán)”解決該問(wèn)題的步驟：

開(kāi)始

輸入變量N

初始化變量rabbits為3

使用for循環(huán)，迭代N次

在每次迭代開(kāi)始前，將rabbits的值翻倍（即rabbits *=2）

如果rabbits的值大于1000，將rabbits的值限制為1000

打印出當(dāng)前年份和兔子數(shù)量

結(jié)束

第二步，文心一言生成的代碼：

N=int（input（\"請(qǐng)輸入年數(shù)：\"））

rabbits=3

for i in range（N）：

rabbits*=2

if rabbitsgt;1000：

rabbits=1000

print（f\"第{N}年兔子的數(shù)量為：{rabbits}\"）

第三步，你在編程時(shí)存在的問(wèn)題：

提問(wèn)：這個(gè)代碼里的“for語(yǔ)句”變化范圍可以是for i in range（1，N+1）嗎？

回答：是的，您可以將“for循環(huán)”的變化范圍設(shè)置為for i in range（1，N+1）。在這種情況下，循環(huán)將從1開(kāi)始迭代，直到N（不包括N）。這種變化不會(huì)對(duì)代碼的功能產(chǎn)生影響，因?yàn)檠h(huán)體內(nèi)的代碼是針對(duì)每個(gè)循環(huán)迭代來(lái)計(jì)算兔子數(shù)量的。

三、基于文心一言的編程教學(xué)案例實(shí)施效果分析

（一）教學(xué)實(shí)施過(guò)程

本研究以黃岡市H高中兩個(gè)編程水平相近班的高二學(xué)生（n=50）為研究對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)之前兩個(gè)班學(xué)生的編程測(cè)試成績(jī)、學(xué)習(xí)興趣和認(rèn)知負(fù)荷水平均無(wú)顯著性差異。實(shí)驗(yàn)班采用基于文心一言的高中“for循環(huán)”編程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，對(duì)照班采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，且兩班授課主題、授課教師相同。

（二）教學(xué)實(shí)施效果及分析

1. 教學(xué)效果分析

表1中可以看出，實(shí)驗(yàn)組成績(jī)均值稍高于對(duì)照組，但兩個(gè)班學(xué)生在成績(jī)上并無(wú)顯著性差異（pgt;0.05），從過(guò)程分析，可能是基于文心一言類(lèi)生成式AI工具的高中編程教學(xué)方式需要學(xué)生自己動(dòng)手操作，過(guò)程比較耗時(shí)，影響了學(xué)生對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的掌握。后測(cè)學(xué)習(xí)興趣水平p（=0.011）lt;0.05、認(rèn)知負(fù)荷水平p（=0.000）lt;0.05，說(shuō)明基于文心一言類(lèi)生成式AI工具的高中編程教學(xué)和傳統(tǒng)編程教學(xué)在學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣上存在顯著差異，前者能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。過(guò)往研究也證實(shí)了聊天機(jī)器人有助于創(chuàng)造積極的互動(dòng)體驗(yàn)，保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2. 學(xué)生訪談分析

對(duì)比實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，選取兩班學(xué)生分別進(jìn)行訪談，訪談內(nèi)容包括編程學(xué)習(xí)動(dòng)力及對(duì)編程教學(xué)方式評(píng)價(jià)兩個(gè)維度。訪談結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生具有更高的學(xué)習(xí)動(dòng)力，且大部分學(xué)生認(rèn)為這次課例的編程教學(xué)方式很新穎，可以降低編寫(xiě)代碼的難度，對(duì)照組則認(rèn)為學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，任務(wù)復(fù)雜，難度大。

3. 教學(xué)改進(jìn)建議

傳統(tǒng)課堂教學(xué)往往側(cè)重學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，難以確保每位學(xué)生的疑問(wèn)與難題得到個(gè)性化指導(dǎo)。而生成式AI技術(shù)的引入，能夠基于學(xué)生的具體問(wèn)題提供更具針對(duì)性的解答。在利用如文心一言這樣的生成式AI工具進(jìn)行編程教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)精心挑選教學(xué)主題與內(nèi)容，確保學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)任務(wù)的難度適中，并適時(shí)提供必要的教學(xué)資源。通過(guò)生成式AI工具的輔助，學(xué)生能夠逐步完成學(xué)習(xí)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)地掌握編程課程的核心知識(shí)。此外，為了提升教學(xué)效果，教師在某些教學(xué)環(huán)節(jié)中可以增加與學(xué)生的互動(dòng)，營(yíng)造積極的師生互動(dòng)及人機(jī)互動(dòng)環(huán)境，促進(jìn)多元交互的教育發(fā)生。

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