生成式AI工具协同高中编程教学的应用研究

【摘" 要】 生成式AI具有智能性、交互性、实时性、高效性等特点，在促进学生的知识理解、建构以及个性化学习方面具有重要意义，但在教学中如何有效应用生成式AI工具亟待进一步探索。文章选取高一信息技术教材必修一中“周而复始的循环”课为例，做出文心一言生成式AI协同编程教学的教学设计并进行教学实践。通过H高中的两个班级学生作为研究对象的准实验研究表明，相较传统编程教学，使用生成式AI工具的协同编程教学在提升学习兴趣、降低认知负荷方面具有明显帮助。

【关键词】 生成式AI;高中编程教学;文心一言

本文以任务驱动教学法为支撑，选取教科版高中信息技术必修一“周而复始的循环”一课，围绕“用循环编程方法解决兔子数量问题”这一核心任务，进行详细的生成式AI协同编程教学设计和实践，为教师利用生成式AI进行辅助教学提供一定的借鉴。

一、生成式AI工具在编程教学中的可行性分析

在中学编程教育中，运用新一代人工智能技术的生成式AI具有重要的教育意义，它能营造智能课堂环境，搭建智能教学平台，互动式、体验式特征明显，让学生沉浸在AI的知识海洋里。第一，生成式AI工具能为教师和学生提供编程教学的教学和学习资源支持，将生成式AI工具融入教育教学已经达成共识。Farrokhnia认为ChatGPT可以减少学生访问时间，促进学生个性化学习和批判性思维，ChatGPT在生成教学设计、问答题目、提供反馈信息等方面也有辅助作用。第二，从技术条件看，国内生成式AI使用门槛低，已经能够为人们所获取和注册，且生成式AI工具的使用功能较为通俗易懂，教师和学生可以较为便利地使用，并与之进行真实的对话交流。考虑到现实因素，本文选取国内生成式AI文心一言进行辅助教学研究。第三，已有学者将生成式AI工具运用到实际的教学中进行具体的研究，国外学者Rudolph提出的ChatGPT实施翻转课堂教学模式，证明能提高学生的学习兴趣。因此，目前生成式AI工具与编程教学融合具有一定的可行性和明显的发展潜力，需要在具体的课堂教学实践和研究中不断探索其应用价值。

二、基于文心一言的高中“for循环”python编程教学设计

（一）教学目标

1. 知识目标：使学生能了解“for循环”的概念，掌握“for循环”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. 技能目标：让学生能够利用“for循环”的思想进行编程设计，完成问题的分解，进而提高问题解决能力和编程水平。

3. 学科核心素养目标：信息意识目标是让学生在面临基础知识和编程问题时，能自觉利用生成式AI工具进行辅助学习和解决;计算思维目标是学生能根据文心一言工具生成的学习资源进一步理解和应用相关知识，对编程问题形成合理的算法和解决方案;数字化学习与创新目标是学生能够运用生成式AI工具自主学习，完成教师布置的任务;信息社会责任目标是学生能够合理规范地使用生成式AI工具。

（二）学情分析

本研究选取黄冈市H高中的高二年级学生为教学对象，高二学生具有一定的抽象逻辑思维和自主学习的能力，对编程解决问题有一定的好奇心，但缺乏自制力，需要教师进行适当引导。学生已经了解了常量、变量等基本概念，掌握了赋值语句、输入输出等基本语句，同时对顺序结构、分支结构基础代码段的编写有了初步的认识和了解，会编程解决一些简单的问题。因此，在教学中，教师要善于运用丰富的编程实例，利用生成式AI工具提供的资源，设计解决问题的挑战任务，激发学生解决问题的兴趣。

（三）教学内容分析

本次课选用教科版必修一第二章“周而复始的循环”一课的内容，主要涉及“列表的概念和使用方法”“range（）函数”“for循环的基本结构和使用原理”三个基本知识点。基于任务驱动法，将“编程计算兔子数量”任务、“for循环”知识、生成式AI工具有效融合，让学生主动利用文心一言辅助学习，理解深化计数循环编程知识，激发积极的学习主动性。

（四）教学流程

教学流程是整个教学设计的核心和支撑，如图1所示。课前，教师在课前输入本节课的教学分析、学生分析、教学重难点等基本信息，对文心一言进行预训练，以便文心一言生成更适合学生的个性化答案。课中，在教学导入时，教师介绍文心一言的使用方法，引导学生进入问题情境并使用文心一言进行旧知回顾和新知预习。接下来教师可以具体讲解列表、range（）函数的相关知识，并使用文心一言生成简单的练习题，学生巩固所学知识。然后教师以任务驱动的方式，布置编程教学实例。学生根据教师布置的任务单进行小组讨论合作，根据补充的流程图完善程序代码并上机调试运行。学生使用文心一言进行学习并填写任务单，如图2所示。如果学生遇到了程序报错等情况，教师要指导学生使用文心一言对自己编写的代码进行反馈和改进。课后，教师指导学生使用文心一言进行课堂评价，鼓励学生自评编程课堂的学习效果。

编程示例：农场里最初养了3只兔子，每隔一年，兔子的数量会翻涨到原来的2倍，在所有兔子都存活的条件下，N年后兔子的数量是多少？思考并回答以下问题：1. 使用算法的哪种结构解决问题？2. 使用流程图描述算法，补充程序并上机调试运行。

传统编程的学习任务单：第一步，补充图2中的流程图;

第二步，补充程序并调试运行（打开tuzi.py）;

r=3

print（\"请输入年份n的值：\"）

n =int（input（ ））

for i in range（" " " "）：

________

print（n，\"年后，兔子的数量是：\"，____）

第三步：你在编程时存在的问题或者困惑：

提问：

回答：无/反馈不及时

“文心一言协同编程的AI学习任务单”：第一步，借助文心一言生成解决问题的步骤;

以下是使用“for循环”解决该问题的步骤：

开始

输入变量N

初始化变量rabbits为3

使用for循环，迭代N次

在每次迭代开始前，将rabbits的值翻倍（即rabbits *=2）

如果rabbits的值大于1000，将rabbits的值限制为1000

打印出当前年份和兔子数量

结束

第二步，文心一言生成的代码：

N=int（input（\"请输入年数：\"））

rabbits=3

for i in range（N）：

rabbits*=2

if rabbitsgt;1000：

rabbits=1000

print（f\"第{N}年兔子的数量为：{rabbits}\"）

第三步，你在编程时存在的问题：

提问：这个代码里的“for语句”变化范围可以是for i in range（1，N+1）吗？

回答：是的，您可以将“for循环”的变化范围设置为for i in range（1，N+1）。在这种情况下，循环将从1开始迭代，直到N（不包括N）。这种变化不会对代码的功能产生影响，因为循环体内的代码是针对每个循环迭代来计算兔子数量的。

三、基于文心一言的编程教学案例实施效果分析

（一）教学实施过程

本研究以黄冈市H高中两个编程水平相近班的高二学生（n=50）为研究对象。在实验之前两个班学生的编程测试成绩、学习兴趣和认知负荷水平均无显著性差异。实验班采用基于文心一言的高中“for循环”编程教学设计进行教学，对照班采用传统教学方式，且两班授课主题、授课教师相同。

（二）教学实施效果及分析

1. 教学效果分析

表1中可以看出，实验组成绩均值稍高于对照组，但两个班学生在成绩上并无显著性差异（pgt;0.05），从过程分析，可能是基于文心一言类生成式AI工具的高中编程教学方式需要学生自己动手操作，过程比较耗时，影响了学生对重点知识的掌握。后测学习兴趣水平p（=0.011）lt;0.05、认知负荷水平p（=0.000）lt;0.05，说明基于文心一言类生成式AI工具的高中编程教学和传统编程教学在学生的学习兴趣上存在显著差异，前者能提高学生的学习兴趣，降低学生的认知负荷。过往研究也证实了聊天机器人有助于创造积极的互动体验，保持学生的学习兴趣。

2. 学生访谈分析

对比实验教学之后，选取两班学生分别进行访谈，访谈内容包括编程学习动力及对编程教学方式评价两个维度。访谈结果显示，实验班的学生具有更高的学习动力，且大部分学生认为这次课例的编程教学方式很新颖，可以降低编写代码的难度，对照组则认为学习动力不足，任务复杂，难度大。

3. 教学改进建议

传统课堂教学往往侧重学生被动接受知识，难以确保每位学生的疑问与难题得到个性化指导。而生成式AI技术的引入，能够基于学生的具体问题提供更具针对性的解答。在利用如文心一言这样的生成式AI工具进行编程教学时，教师应精心挑选教学主题与内容，确保学习材料和学习任务的难度适中，并适时提供必要的教学资源。通过生成式AI工具的辅助，学生能够逐步完成学习过程中的各个环节，循序渐进地掌握编程课程的核心知识。此外，为了提升教学效果，教师在某些教学环节中可以增加与学生的互动，营造积极的师生互动及人机互动环境，促进多元交互的教育发生。

参考文献：

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