人工智能技术应用背景下程序设计基础课程教学改革探索
2024-05-19刘林东邬依林张谦
刘林东 邬依林 张谦
摘要：针对程序设计基础课程教学过程中存在的问题，以“字符数组”章节内容为例，从教学目标、教学内容、教学方法、教学评价等方面探索人工智能技术应用背景下程序设计基础课程教学改革策略。通过对教学视频学习数据的采集，利用人工智能技术对教学视频学习数据进行挖掘，通过教学实践应用，形成一套有效的课程教学模式，有效促进了人工智能技术在课程教学改革中的应用，为推动人工智能技术应用背景下程序设计基础课程改革奠定了基础。
关键词：人工智能；混合式教学；教学评价
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2024）07-0143-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）
0 引言
程序设计基础是一门实践性很强的专业基础课程，培养学生的实践能力是其核心目标。仅仅依靠教师课堂讲授难以让学生完成课程学习目标，需要通过大量的实验和实践，训练学生程序设计、程序调试和综合解决问题的能力。随着人工智能技术的发展和应用，需要对程序设计基础课程传统教学模式进行分析，针对传统课程教学模式中存在的问题，对教学目标、教学方法、教学内容和教学评价等方面进行改革[1]，在课程教学模式中融入人工智能技术[2-3]，提高学生程序设计基础综合实践能力，培养工科创新型人才。
文中以程序设计基础课程第六章“字符数组”章节内容为例，探索人工智能技术应用背景下的程序设计基础课程教学模式[4]，为适应大数据时代发展趋势及专业人才培养导向，提高“程序设计基础”课程教学质量，提升软件工程专业学生解决复杂实际工程问题的能力，从而更好地适应新工科建设人才培养目标。
1 课程教学现状及存在问题
1.1 思维模式
程序设计基础课程面向软件工程专业大一新生，开课时间在第一学年第一学期，对于大一新生而言，由于在中学阶段没有过多接触计算机编程，不熟悉高级程序设计语言。而程序设计基础课程与专业基础课程的教学同步进行，加上没有足够社会实践，学生无法快速完成从传统思维模式向计算机编程思维模式的转变，部分学生跟不上教学进度，甚至对计算机编程会产生厌学心理，不利于后续专业课程的学习。
1.2 教学模式
传统的教学模式以教师的“教”为中心，学生在课堂上被动地接受知识，学生没有参与整个教学过程，教师与学生以及学生之间的互动和讨论环节较少。教学环节比较单一，一般没有课前学习环节，课堂教学结束后，没有课后巩固环节。传统教学方法以教师讲授为主，无法发挥学生的自主学习能力，也无法对学生的学习情况进行过程性评价，以文中探讨的字符串处理函数为例，单纯讲解函数和例题难以让学生掌握函数的综合应用，不利于培养创新型人才。
1.3 教学内容
学生对知识点理解和掌握情况存在差异，仅靠一对多传统的教学模式不利于教学内容的讲解，无法有效安排教学时间和教学内容，课堂上没有足够的时间对重、难点教学内容进行讲解，学生不能主动参与到教学内容的自主学习中去。实验教学中，一般的做法是发布实验教學内容，大部分学生在没有提示的情况下无法顺利完成实验报告的撰写，学生缺乏工程化思想，不利于培养应用型人才。
因此，提高学生自主学习程序设计基础课程的积极性，增强学生动手和编程能力[5-7]，是程序设计基础课程教学过程中急需解决的问题。文中从教学目标改革、教学内容改革、教学方法改革以及教学评价改革４个方面开展研究，程序设计基础课程改革模式如图1所示。
2 课程教学改革探索
2.1 教学目标改革
2.1.1 课程思政改革
在“字符数组”章节教学过程中，融入课程思政教学改革内容[8-9]，注重知识传授与价值引领相统一，具体课程思政改革内容包括以下几点：
① 通过字符数组定义的讲解，引导学生对集体主义精神的思考。
② 根据字符串‘＼0结束标志，引导学生进行底线意识的思考。做任何事情都应该有底线，有原则。
③ 针对字符串输入、输出函数gets（）和puts（）两个函数的使用格式，对输入输出函数的优劣势进行比较，引导学生理解尺有所短，寸有所长，正确地认识和评价自己，发挥自身优势为社会做贡献。
④ 通过对字符串中查找特定字符算法的讲解，引导学生遵守国家相关规定，规范网络言论，避免发表违反互联网规定的言论。
2.1.2 一流课程建设
对照一流课程建设标准，在“字符数组”章节教学设计和教学实施过程中，通过以下几方面进行教学改革，促进程序设计基础一流课程建设。
① 注重学生综合能力培养
教学过程中，教师不能只关注学生静态知识量的增长和知识复制能力的训练，在课程评价时只关注学生对知识点记忆、理解和浅层次的应用。需要从以教师为中心的“教”过渡到以学生为中心的“学”，强调对学生分析、评价、创造能力的培养，注重学生综合能力的培养。
② 注重教学内容改革
融合线上教学平台、MOOC教学资源、线上教学资源、开放课程、在线课程等资源，课程教学过程中与学生分享学科发展前沿，教学设计中注重对知识凝结过程、科学发现过程的探究。
③ 加强过程性评价
针对学生学习评价，从传统的终结性评价方式过渡到过程性评价与终结性评价相结合的形式[10-11]。改变“一考定终身”的评价方式，加强过程性评价，围绕学生从课前学习、课堂教学以及课后巩固３个阶段，针对各个学习阶段的学习任务和学习活动，设计相应的评价指标和权重，跟踪和记录学生每个学习活动的学习状态和完成情况，综合评价学生学习效果。
2.2 教学内容改革
2.2.1 数字化教学资源
基于小雅课程平台，建立程序设计基础课程教学平台，建立相应的数字化教学资源并导入小雅课程平台，数字化教学资源如图2所示。
数字化教学资源主要包括课程大纲和教案、多媒体课件、SPOC教学视频、教学辅助动画、题库系统以及教学论坛等资源。在教学活动中，围绕教师的“教”和学生的“学”所产生的学习数据，借助小雅AI教学平台对数据进行分析和统计，为后续的教学内容和教学方法改革提供支撑。
2.2.2 实验教学平台
搭建程序设计基础课程通用实验环境，既可以方便学生练习，又便于教师对学生实验情况进行在线检查，在“字符数组”教学过程中，采用PTA-程序设计类实验辅助教学平台开展实验辅助教學，如图3所示，学生直接在PTA平台中完成函数题和编程题的练习，通过在线编缉、编译、运行，并提交测试成绩；教师可以查看班级学生实验完成情况。
2.3 教学方法改革
在“字符数组”章节教学过程中，利用混合式教学设计围绕课前准备、课堂教学以及课后巩固３个阶段进行，３个阶段共需时长90分钟左右，其中课堂教学时长为40分钟，融入混合式教学策略的教学设计如图4所示。
2.3.1 课前准备阶段
① 教师通过课程平台设计和布置“字符数组”课堂教学学习资源、课前测验题等内容，以任务单的形式发布给学生。学生完成“字符数组（20分钟）”任务单中的教学视频知识点学习内容。
② 学生完成课前测验内容、调查问卷和论坛（10分钟）。
③ 教师通过收集学生课前测验情况、调查问卷情况数据，利用人工智能和大数据等工具进行分析和处理，获取学生课前学习情况。
2.3.2 课堂教学阶段
① 课堂导入。通过思维导图导入课堂教学内容，基于人工智能和大数据分析结论，分析和小结课前学习情况。
② 重、难点内容讲解。基于课前学习分析报告，对字符串、字符数组输入和输出进行重点讲解。
③ 小组学习。分小组对课堂教学内容，特别是重难点内容进行讨论和汇报。
④ AI互动与答疑。探索线上AI助教和任课教师虚实结合，互动与答疑的导学助学模式，在课堂上对教学内容进行讨论和答疑。
⑤ 课堂评价。通过考勤、问卷、课堂答题、课堂测验、互动与交流情况等指标进行课堂学习的自评、互评和教师评价。
2.3.3 课后巩固阶段
① 课后反思（5分钟）。通过生活中的类和对象的概念，思考和探索生活中应用字符数组的现象。
② 课后测试（5分钟）。在课堂教学的基础上教师布置课后测试题，学生完成课后测试。
③ 实践应用（10分钟上）。教师通过任务单布置课后实践应用任务，学生实现一个统计大小写字母的程序。
2.4 教学评价改革
在混合式教学设计的基础上，利用形成性评价和终结性评价对“字符数组”章节课堂教学效果进行评价。混合式教学模式评价体系方案[12]如表1所示。
区别于传统单一评价标准，程序设计基础课程教学评价改革增加形成性评价内容，重点针对学生学习过程中的各个环节进行过程性评价。教学评价总体上包括形成性评价和终结性评价，其中形成性评价占70%，终结性评价占30%。形成性评价包括课前、课中和课后3个阶段，分别对应教学设计中的课前准备、课堂教学和课后巩固3个阶段。
3 融合人工智能的教学改革
以“字符数组”课前准备阶段的教学视频学习为例，基于人工智能技术对学生课前教学视频学习产生的数据进行分析，为后续的教学内容、教学活动以及教学设计提供支撑，更好地促进以学生为中心的教学，提升课程教学质量。融入人工智能技术的课前准备阶段主要分析过程如下：
为了方便数据分析，设单个教学视频时长在30分钟以内，将学生课前学习教学视频时长（单位：分钟）划分为4个区间并分别作相应的标记t1，t2，t3和t4，各个标记的含义分别为：t1：[0，3），t2：[3，10），t3：[10，20），t4：[20，30]。表2中表示学生u1～u7学习各个教学视频资源（v1，v2，v3）的时长所对应分类标记的部分数据，其中tij表示学习教学视频i（i=1，2，3）的时长标记为j（j=1，2，3，4），若学生没有学习教学视频vi，则相应的分类标识记为ti1，其中i为教学视频编号。
利用关联规则Apriori算法对表2中的事务数据进行分类挖掘，设最小支持度计数min_sup=2，得到相应的频繁模式为{
4 结论
文中对程序设计基础课程传统教学模式中课程教学现状及存在的问题进行了分析，以课程中“字符数组”教学内容为例，分别从教学目标改革、教学内容改革、教学方法改革以及教学评价改革4个方面开展研究，重点阐述了相应的教学改革措施和方法。以课前准备阶段中的教学视频学习为例，将人工智能技术融入教学视频的分析和挖掘，形成一套比较有效的教学模式，有效促进了人工智能技术在课程教学改革中的应用。
在后续的课程教学实施过程中，需要深入将人工智能技术与课程教学融合起来，进一步挖掘教师的“教”和学生的“学”过程中的数据，基于学生学习数据和学习行为，挖掘适合教学对象和教学内容的有效教学模式，提高人才培养质量。
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【通联编辑：王 力】
