编程类课程“数智课堂”改革与实践范式构建研究

摘要：融合了“人工智能、大数据”等先进技术的“数智课堂”为师生们提供了更好的教学互动和学习环境，目前“数智化”已成为课堂教学改革的主流方向。从“混合式教学模式”“智能教室建设”“课程评价方法”和“网络课程平台”等4个方面，探讨了编程类课程“数智课堂”教学体系建设的途径和建议。随后，针对编程类课程的实践教学特征，形成了“成果汇报式”“主题研讨式”“实践练习式”“答疑解惑式”和“情景模拟式”等五种不同形式的实践范式，并给出了具体的实施方案。

关键词：编程类课程；数智课堂；实践范式；人工智能；实施方案

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0127-04

0 引言

随着人工智能、大数据、物联网等信息技术迅速改变着我们的生活和工作方式，系统背后的计算机程序员已经成为任何技术创新的基础。时至今日，信息技术已经渗透到多个学科中，这些学科的专业人员需要具备最先进的信息技术与知识技能。因此，计算机编程技能是所有学科技术进步的核心，也是经济增长和国家发展的必要技能。学习编程技术有助于提高学生的计算思维和解决问题的能力，编程类课程的教学已成为计算机人才培养和工程教育的重要组成部分。

计算机编程（例如：C/C++语言、Java、Python） 需要算法设计、数理逻辑和元认知能力。它要求学生了解编程语言的语法和语义，并通过使用它来创造性地解决实际问题。这就需要结合逻辑思维与创造力。一般来说，把一个新手培养成一名专业的计算机程序员大约需要若干年的时间。这种需要大量时间掌握的技能在很大程度上取决于求学者的内部动机。然而，学生在学习编程时经常面临各种挑战，例如：理解抽象概念和语言，掌握复杂的算法和数据结构以及调试代码错误。这些挑战需要通过长期的编程实践来实现，最终达到课程的教学目标。只有通过实践练习，学生才能真正掌握编程技能并提升自己的计算思维能力。通过各种编程练习和课程作业，学生可以不断增强对编程知识的理解，加深对编程技能的掌握。

为了帮助学生掌握编程技能，国内外学者已经提出了许多教学方法，其中大多数[1-3]都在激发兴趣和改善学习方面取得了成功。随着人工智能的应用和普及，基于人工智能的“数智课堂”[4]已逐渐成为许多专业课堂教学的主要应用场景。“数智课堂”是由物联网设备在互联的基础上构建的，这些设备将物理空间与数字空间相结合，可以为学习提供个性化的支持服务。黄炜[5]以数智技术支持下的语言学习、音乐教育、体育教育等方面的部分应用场景为切入点，探讨数智技术赋能教育的应用价值、策略与挑战。王佳和李臻颖[6]根据服装设计与工艺专业课程特点，从教学目标、教学策略、教学评价等角度，提出了建设“数智化”课堂的实践路径。杨鹏[7]从网络课程资源建设、网络课程资源与课堂教学的有机结合、课程评价体系建设等3个方面，探讨“数智技术”背景下基于智慧学习平台的高等数学课堂教学改革的途径和建议。但是对编程类课程而言，目前鲜有学者对其如何开展“数智化”课堂改革进行系统的研究。本文根据编程类课程教学的特点，从“数智课堂”教学体系的构建、实践范式的设计和实践教学实施等方面展开论述。

1 构建编程类课程“数智课堂”的教学体系

本文所提出的编程类课程“数智课堂”教学体系（如图1所示），由基于“融合式教学”的混合式教学模式、基于“数智化技术”的智能教室、基于“大数据赋能”的全方位课程评价方法，以及一整套基于“人工智能技术”的课程网络学习空间等部分所构成。

1.1 基于“融合式教学”的混合式教学模式

混合式教学是一种结合了MOOC、SPOC等在线教学与传统教学两种教学方法的新型教学模式，它既可以充分利用互联网时代给现代教学过程带来的便利，使教学更加自由、智能、共享和个性化，又可以在传统课堂中对学生加以约束，能更好地掌握教学秩序与动态。在混合教学模式下，教学过程与教学数据相对于单一的在线教学和传统教学相比，复杂度会有明显提升。

在计算机网络的支持下，智能教室中的摄像头和麦克风等设备可以记录大量的音频和视频数据。这些数据隐含着教师和学生的情感、行为、学习状况等信息。其中，情绪具有较高的信息量价值，它可以反映教师的心理状态和态度。认识和分析教师的情绪有利于在一定程度上捕捉教师当前的心理状态、自我认同等信息。这项工作可以提供强大的数据支持教师优化教学话语和反思教学过程，增强教师情感表达能力，从而保证教师的专业发展。在智能教室中物联网设备所记录的海量数据，为“融合式教学”的开展提供了可能。

①“ 融合式教学”融合了人工智能、AR/VR等最新信息技术，基于一体化智能平台设定学习产出目标，关联多形态学习资源和海里数据，全过程智能支持、跟踪，实时评价、呈现目标达成情况，并自动反馈、预警，保障课程标准有效落地和持续优化。

② 多元主体协同，在编程类课程教学中强化项目、任务、问题驱动，“线上下”“课内外”有机融合，构建情境、交互、体验、反思为一体的深层学习场景，形成以学为主的成果汇报、情景模拟、主题研讨、虚拟仿真、测评答题等多种“混合式”教学形态。

1.2 基于“数智化技术”的智能教室建设

建设基于人工智能和大数据的“数智化”智能教室，有助于教师转变教学风格，运用新的教学策略，组织和管理学习，并获取更为全面的教学信息来源。另一方面，在拥有智能教室和智能教学设备的学习环境下，学习也将变得更为“智能”。此外，移动设备和技术有助于学生扩展学习空间、时间和内容来提高他们的认知水平和学习兴趣。智能教室可以创造一个新颖和舒适的学习环境，来分享新的想法、感知，并诊断和分析学生的学习过程。

在编程类课程的教学过程中，为了加强合作，了解每个学生的优势和劣势，教师往往会采用个性化的教学策略，这一策略的实施需要智能教室中大量教学数据的支撑。然而，智能教室的建设，需要教育机构装备技术基础设施、数字设备、软件、教学管理系统、智能设计环境、工具、模型、应用和社交媒体，来满足教学需求和学习需要。即便是教师，也很难拥有能够整合这些技术和应用的所有知识和技能，设计出完善的课程内容和教学活动，来促进学生更高层次的思维能力，并增加其间的协作和互动学习时间。因此，理解“数智课堂”的本质，可以帮助教师设计便捷的教育环境和管理教学活动，以促进学生的学习，并提高学习成绩。

① 应用人工智能技术，构建“全景式数据分析”“可视化结果呈现”的“智能教室”。通过“智能教室”，教师可以精准跟踪学生的学习过程，客观了解学生对于课程知识点的掌握情况；学生可以随时获得学习资源，自主安排学习进度。

② 构建教学大数据中心，整合在教学工作中，由教学设备、教学工具和教学平台所积累的大量数据，通过数据挖掘与分析，实时呈现课程教学状态、目标达成和教学评价状态，助力教师及时调整教学策略，可视化分析教学成效，自动生成课程状态记录本，强化教学反思。

1.3 基于“大数据赋能”的全方位课程评价方法、

传统教学模式中学生学习过程的评价分析，主要依靠教师的主观印象和学生测试成绩，缺乏全面客观的数据支撑。随着大数据技术的发展，可以实时采集记录教学过程中教师和学生的所有行为轨迹，形成课程大数据。大数据并不是单纯的数据量庞大，更重要的是大数据中所隐含的信息价值进行分析挖掘后可以更好地指导课程教学设计和实施。

① 为改变目前编程类课程考核方式较为单一的现状，建立全方位教学考核体系，融合学习通、PTA等学习平台数据，制定相应的考核成绩结构标准和考核操作流程。

② 建立课程智能评价系统，实时向学生推送考勤、过程性考核和目标达成状态等预警信息，助力学生自我约束、自我改进；向学校教学管理部门综合展示课程教学状态、教学评价等信息。定期推送周考勤、月考勤、学期考勤报表，便于开展课程教学科学评估，强化课程教学实时管理，提升课程评价的智能化水平。

1.4 基于“人工智能技术”的课程网络学习空间

网络学习空间是课程资源在内容、形式、结构以及更新机制上的有机结合。网络学习空间资源构建是网络学习空间发展的核心指向。与实体化的学习空间相比，网络学习空间是利用现代信息技术、人工智能和计算机网络构建的虚拟学习空间。

① 在教学过程中结合“智能教室”和“混合式教学”，将课程教学内容形成视频等多媒体资源，供学生查阅学习，引导学生进行探究式学习，培养学生自主学习能力。

② 利用学习通、MOOC和SPOC等各类线上平台，加强“网络学习空间”建设，将课程的各类教学视频、项目案例和课件资源分享到网络平台和移动终端上，形成一套适合线上教学的“云教材”“云班课”和智能评测系统，建立开放式课程体系，为社会上相关课程求知者学习知识提供便利。

2“ 数智课堂”下的编程类课程实践范式设计

根据库恩的定义，“范式”[8]是一个科学共同体成员所共有，是由共有的信念、价值、技术等要素构成的整体。通过对编程类课程组织形态的研究，剖析各课堂组织形式在重构编程类课程设计和教学活动设计上的共性与个性，总结当前已有探索的成功经验和共性策略，建立不同课堂组织形态下的“数智化”编程类课程的实践范式。

针对混合式教学和翻转课堂改革现状，自下而上，呈现改革行动者在实施改革时的行为特征，挖掘各种行为模式，以学生学习方式作为核心类属，形成了“成果汇报式课堂”“主题研讨式课堂”“实践练习式课堂”“答疑解惑式课堂”“情景模拟式课堂”等五类“数智课堂”实践范式。

1） 实践教学的准备工作。为了达到课程教学目标，教师和学生需要完成学习前的准备工作：包括“数智课堂”所需的数字设备、学习和教学数据集，检查教学工具和设备，确保网络教学要素的准备就绪。

①数字设备：智能手机是否已安装OMS等相关软件，移动设备是否接入Internet。

②教学资源：教学视频、教学课件和其他网络资源，教师要为学生设计学习活动，激发其创新和学习兴趣。

③教学方法：老师们可以和其他老师讨论和分享教学方法、内容和资源。

④特征：一个配备了充足的实验设备、投影仪、摄像头、笔记本电脑和平板电脑等智能设备的“数智课堂”。

2） 实践教学的组织形式。为了方便学生学习编程，许多学校引入了程序设计类实验教学辅助平台（PTA） 。基于网络的实验教学辅助平台为计算机类专业学生提供了各种编程练习和项目任务，以帮助他们将理论知识应用于实际编程问题，从而提高他们的编程技能和熟练程度。因此，PTA已成为个人学习编程的一种流行方式。学生使用PTA的主要方法是在线提交编程作业。当学生提交编程作业时，系统会根据预定义的代码自动编译、运行和评估他们提交的测试用例，并提供评估结果。在PTA平台上学习编程的过程中，学生需要结合PTA系统提供的反馈，多次完善他们的解决方案。在PTA系统内，学生的活动记录：包括提交的源代码、CPU运算时间和内存在代码执行期间的使用量，以及代码是否通过测试用例。通常，学生会对同一个编程问题进行多次尝试，并且这些尝试的提交记录不会被删除或覆盖。由于系统会保存同一问题的多种不同的提交记录。因此，PTA系统为分析学生的学习提供了丰富的数据来源。

3） 多样化的“数智课堂”实践范式。在现代教育体系中，教师们不断探索和实践着各种创新的教学方法，以期更好地适应学生的学习需求和个性化发展。在这一过程中，挖掘学生的行为模式成为教学改革的重要基础。通过对学生的学习习惯、认知特点和互动偏好的深入分析，我们构建了一套多样化的编程类课程“数智课堂”的实践范式（如表1所示）。

这五类的“数智课堂”实践范式，不仅丰富了教学手段，也为学生提供了多元化的学习体验。通过这些不同的实践模式，学生能够在不同的环境中找到适合自己的学习方式，从而更有效地吸收知识，提高学习效率。教师在实践中也不断地反思和优化这些模式，以期达到更好的教学效果。

3“ 数智课堂”下编程类课程实践教学实施方案

实施方案通常包括三个阶段，即课前、课中和课后。

1） 课前。为了顺利部署教学过程，教师不仅需要设计学习内容，还准备一个上机实验室或用于在线教学的虚拟实验室，并检查学生的课堂出勤率。

在授课之前，老师可以通过智能手机组织课前测验来检查学生预习情况，或者使用视频、数字媒体、问答来创建舒适的学习氛围，激发学生的学习兴趣。此外，教师还可以通过观察或访谈来探究哪些内容是学生感兴趣的，并在后续的课程中加以调整。

2） 课中。“数智课堂”的主要目的是提高学生的学习技能、改进学习方法、并端正学习态度。这样，教师可以使用多种教学方法来构建一个活跃的教学环境来提高学生的能力。与传统课堂不同的是，在“数智课堂”中，允许学生使用智能手机或者平板电脑。具体有如下几种教学方式可供参考：

教师首先播放教学视频或上机演示，然后学生使用平板电脑或其他设备与同学们一起练习。这种团队合作促进学生间的沟通、解决问题的方法和批判性思维。

应用问题导向的教学方法：通过一段视频、一张图片或者一个案例，学生使用智能手机搜索信息，与同学讨论并分享他们的意见，并最终给出该问题的解决方案。对于编程类课程而言，“问题”可以是完成一个算法设计、设计测试用例或者构建一个软件的基本框架等。

教师使用应用程序和增强现实 （AR） 工具访问对象、工件或媒体以了解更多信息，或者使用数字媒体、虚拟实验室或智能手机上的应用软件来支持教学。

在课堂中，师生间通过作业、回答问题、演示、解决问题，发送链接和文档，进行了良好的互动，并有助于教师纠正学生在学生中出现的各种问题。此外，在线上教学中，教师为学生录制视频并上传到学习通等网上教学平台。同时，学生也可以在PTA上完成上机测试，以检测课堂上知识的掌握情况。

3） 课后。这是一个巩固学生知识的阶段。在该阶段，教师可以使用微课或慕课来总结上课的要点，并检查学生的知识水平。学生复习所学内容并加以转化，形成思维导图和演示文档，并上传到学习通。对于课后作业，教师可以在PTA上布置题目集，并要求学生在规定的期限内完成。在课后，学生和教师可以通过钉钉、微信等工具进行交流、答疑解惑或发布课程通知。

此外，基于“数智课堂”，学校教学管理者（包括：教务处相关人员，教学督导、管理员等）也可以通过在线听课等途径，来管理、监督和评估教师的教学方法、内容和质量；学生的课程出勤率、课堂纪律和学习结果。

4 结论

“数智化”是高校课堂教学改革的发展方向，“数智化”教学资源让教学内容及时更新迭代，能够更好地服务于计算机专业人才的培养。“数智课堂”与“翻转课堂”的有机结合，能够有效激发学生的学习兴趣和自主学习意识。编程类课程实践范式的构建，让编程课程实践教学规范化、场景化，使学生解决工程实践问题的手段更为丰富，从而提高学生的专业技能和创新能力。

参考文献：

[1] 曾昊，林生佑，殷伟凤，等.工程教育专业认证下的基础编程类课程教学模式探索与实践研究：以浙江传媒学院为例[J]. 工业和信息化教育，2023（3）：50-54.

[2] 姜永玲，王璐，王燚，等.研讨型学习空间下编程类课程的翻转课堂实践及效果分析[J].计算机教育，2021（7）：112-116.

[3] 刘爱华，陈钧.基于网络教学平台的编程类课程实践环节的过程管理与分级评价[J].电脑知识与技术，2021，17（2）：142-143.

[4] 胡志飞.数智融合支持下高职课堂教学改革的形态表征、内在机理和转型路径[J].教育与职业，2023（24）：90-95.

[5] 黄炜.数智技术赋能课堂教学变革的实践探索[J].现代教育，2023（4）：8-12.

[6] 王佳，李臻颖.基于“数智化” 的服装设计与工艺专业课堂教学改革[J].纺织服装教育，2023，38（1）：89-92，106.

[7] 杨鹏.基于“数智技术+” 智慧学习平台的高等数学课堂教学改革研究与实践[J].科技风，2023（34）：136-138.

[8] 林生佑，曾昊，徐芝琦，等.计算机本科教育多范式编程教学新模式研究与实践：以浙江传媒学院为例[J].计算机时代，2022（9）：132-135.

【通联编辑：王 力】

基金项目：浙江省普通本科高校“十四五”教学改革项目（编号：JG20220685）