基于AI賦能和產(chǎn)教融合提升程序設計能力的個性教學模式

蘇小紅 苗啟廣 陳文宇

摘 要：針對程序設計課程教學中面臨的關鍵和痛點問題，以新工科產(chǎn)業(yè)需求為牽引，以培養(yǎng)程序設計能力為導向，以提高學生學習成效為目標，提出并實踐了“能力為要、個性教學、AI賦能、產(chǎn)教融合”提升學生程序設計能力的新型課程建設與教學的創(chuàng)新路線?；谝詫W生發(fā)展為中心和因材施教的教學理念，實施了“以練導學、以學定教、能力導向、設計驅動”的程序設計課程個性化教學方法，探索了基于產(chǎn)教融合協(xié)同育人實現(xiàn)資源共建共享、依托跨校課程組和虛擬教研室實現(xiàn)東西部高校協(xié)同以提升課程教學水平的有效途徑，對新時期程序設計類課程教學改革創(chuàng)新進行了有益的探索。

關鍵詞：教育信息化；因材施教；個性教學；AI賦能；產(chǎn)教融合；程序設計能力

一、引言

新時代的現(xiàn)代化教育必須建立在數(shù)字化教育的基座上[1]。高等教育數(shù)字化已經(jīng)開始深刻改變教師的教、改變學生的學、改變學校的管、改變教育的形態(tài)，成為支撐高等教育教學質(zhì)量整體提升的重要手段，是實現(xiàn)學習革命、質(zhì)量革命和高質(zhì)量發(fā)展的突破性切口和創(chuàng)新性路徑[2]。

為順應新工科建設和教育信息化的時代需求，高等學校教學改革正逐漸從知識型課程向能力型課程轉化、從傳統(tǒng)課堂教育向高質(zhì)量數(shù)字化教育轉型，很多高校對此進行了有益的探索[3-5]。

例如，上海交通大學提出以課程融合的方式實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)時代系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，以新技術為導向培養(yǎng)學生解決問題的能力[6]。浙江大學探索了基于AI（Artificial Intelligence，人工智能）技術的高校智慧教學生態(tài)體系構建[7-8]。也有院校結合接受學習、創(chuàng)造性學習的特點和優(yōu)勢，探索了“知識學習、能力培育、實驗磨煉、競賽提升”的教學模式[9]。以混合式、融合式為典型特征的新型教學模式在加速學習空間無縫融通、促進教學設計范式遷移、助力精準化教與學及學生個性化學習等方面起到了重要作用[10]。

目前，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術正在重構教育服務的組織方式，作為國家戰(zhàn)略的“人工智能+教育”已成為教育信息化2.0發(fā)展的新階段。

程序設計能力是大學生必須掌握的一項數(shù)字化技能，程序設計課程作為高等學校工科專業(yè)的一門重要的公共基礎課，其重要性不言而喻，課程的教學目標是要求學生經(jīng)過課程的學習能夠具備良好的編程素養(yǎng)，以及綜合運用所學程序設計語言和程序設計方法，設計、構造和應用計算系統(tǒng)求解科學或工程問題的程序設計和實現(xiàn)能力。過去，將知識資源數(shù)字化、平面資源立體化，僅解決了教學資源的供給問題，但是并未解決教學資源的有效利用問題，并且傳統(tǒng)的單一僵化的教學手段不能有效適應教學資源的全面數(shù)字化轉型的變革，隨著教學模式從“以教為主”向“以學為主”轉變，以學生發(fā)展為中心的個性化教學急需自動化、智能化的先進教學輔助工具的支撐，現(xiàn)代信息技術與教學過程的融合還有待進一步深化。重知識輕能力、重語言輕設計的傳統(tǒng)教學理念和教學方法已無法適應新工科產(chǎn)業(yè)發(fā)展對程序設計能力培養(yǎng)提出的更高要求，實現(xiàn)程序設計課程的智能化轉型勢在必行。因此，在程序設計課程教學中，如何借助新興的人工智能及大數(shù)據(jù)技術創(chuàng)新教學手段進行個性化因材施教，是程序設計課程教學急需解決的一個重要問題。

二、程序設計課程教學存在的痛點問題分析

雖然近年來很多高校教師都對程序設計課程教學改革進行了有益的探索，但程序設計課程教學中仍存在以下痛點問題尚未充分解決。

（1）難以落實“因材施教”的培養(yǎng)理念。以教定學，教學模式一刀切，差異化教學方法缺乏，個性化培養(yǎng)手段單一，不能根據(jù)學生的個體差異和個性發(fā)展需求因材施教，無法為不同基礎的學生規(guī)劃能力進階路徑和階梯化賦能。學生的學習基礎參差不齊使得教師在選擇教學內(nèi)容時難以兼顧兩頭，導致在同一個課堂中有的學生“吃不飽”，有的學生“吃不下”。此外，教學方法重語法輕思維，不利于計算思維能力培養(yǎng)；重語言輕設計，不利于創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。考評方法重結果輕過程，不利于學習成效的個性評價和及時預警。

（2）生師比高，學生個性輔導一師難求，教學方法手段低效，導學助學體系不健全，難以支撐個性化教學的實施。盡管“互聯(lián)網(wǎng)+教育”解決了“資源有”和“網(wǎng)絡通”問題，但并未改變導學助學以人工為主的現(xiàn)狀，以學生為中心的個性化教學仍缺乏自動化、智能化的先進教學輔助工具支撐。此外，隨著招生規(guī)模相對于師資隊伍增長迅速，導致生師比較高，不得不采用大班教學，學生遇到問題不能得到及時的個性化輔導，常常導致問題累積，進而對編程產(chǎn)生畏懼心理，甚至失去學習興趣，直接影響了學生的學習成效。而教師又常常被批改作業(yè)和判卷等大量機械重復性的工作所困擾，教學手段低效，沒有精力專注于教學研究與創(chuàng)新。在線教學提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)雖然能夠反映學生整體的學習情況，但無法反映學生個體的實際學習成效，不能有效跟蹤學生的學習過程，不利于幫助學生克服“平時拖延、考前突擊”等頑癥，教學過程中缺少精準反饋學習狀態(tài)的“閉環(huán)”，不利于學生的個性幫輔和教學的持續(xù)改進。

（3）高校不了解產(chǎn)業(yè)需求，企業(yè)不熟悉教學規(guī)律，學生不熟悉國產(chǎn)化平臺和技術，產(chǎn)教融合的“最后一公里”難以打通，校際協(xié)同不深入，教學資源難以均等化和充分利用。教學主體和用人主體的分隔，導致高校不了解產(chǎn)業(yè)需求和最新技術，教學內(nèi)容相對靜態(tài)，落后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，學生能力培養(yǎng)不能與企業(yè)等用人單位的需求快速接軌，缺少通過高校教師和企業(yè)工程師優(yōu)勢互補將產(chǎn)業(yè)需求帶到高校中來、將企業(yè)的資源和技術引入課堂中來的有效途徑。教學組織和資源建設方式以“封閉式單兵作戰(zhàn)”為主，校企之間、校校之間缺乏有效的溝通交流和資源共享機制，不利于不同地域和不同層次的院校之間教學資源的互補有無和充分利用。此外，普遍使用國外通用平臺和單一的軟件開發(fā)環(huán)境進行程序設計教學，使得學生不熟悉跨平臺軟件開發(fā)，不了解國產(chǎn)化平臺和技術，缺少在云平臺上進行軟件開發(fā)的實踐，不能快速適應企業(yè)的工程實踐要求，也不利于培養(yǎng)學生支持和利用先進國產(chǎn)化技術的愛國情懷。

三、AI賦能和產(chǎn)教融合提升程序設計能力的具體實施方式

為解決上述程序設計教學面臨的關鍵和痛點問題，我們以產(chǎn)業(yè)需求為牽引，以建構主義等教育理論為指導，從教學理念和方法、教學模式和手段、產(chǎn)學協(xié)同育人的資源共建共享組織方式等方面進行全局設計，提出了基于產(chǎn)教融合、AI賦能和個性化教學的創(chuàng)新教學模式。從問題到求解、從語言到設計，重構程序設計課程的能力培養(yǎng)路線（如圖1所示），問題驅動設計，設計驅動實踐，全方位漸進式提升學生的程序設計能力。

1．以練導學、以學定教，實現(xiàn)個性化能力培養(yǎng)和因材施教

我們構建如圖2所示的“以練導學、以學定教、能力導向、設計驅動”的程序設計課程個性化教學體系。自主編程作業(yè)、游戲闖關實驗、云平臺實踐、競賽實訓、項目設計等階梯化實踐環(huán)節(jié)有機銜接，實現(xiàn)低起點、高落點的能力逐步提升。作業(yè)自主自助、實驗自主闖關、項目自主選題、研討自由組隊等個性化編程訓練，引導依托能力和興趣的個性化學習，實現(xiàn)“以練導學”。

面向以學定教，階梯構建由編程基本課、編程提升課、競賽培訓課、設計實踐課構成的程序設計課程群。基本課夯實基礎，提升課拓展深度，競賽課培育拔尖，設計實踐課強化專業(yè)融合和綜合應用，實現(xiàn)能力培養(yǎng)不斷線。實施“MOOC完全課堂+SPOC特色課堂+實體加強課堂”的混合教學模式，在實體課堂開展“定制班型、自主選班、動態(tài)分流”的差異化分級教學，實現(xiàn)對不同基礎學生的因材施教。

2．在線資源支撐、AI技術賦能，助力個性化教學方法手段變革

通過在線教學資源的建設，作為撬動課堂教學改革的支撐。具體措施包括出版新形態(tài)教材和數(shù)字課程，建設包含多種編程語言的在線開放課程群，支撐學生的個性化自主學習和教師的線上線下混合式教學；建設面向基礎編程訓練、游戲闖關實驗、云環(huán)境實踐、競賽實訓的階梯化多樣化訓練平臺，支撐學生個性化在線實驗和實踐。

基于人工智能、大數(shù)據(jù)等技術開發(fā)程序設計課程智慧教學平臺，實現(xiàn)機器人AI助教智能答疑，構建了“AI賦能的程序設計個性化教學體系”（如圖3所示），探索了“線上線下雙師協(xié)同，優(yōu)秀學生直播領練、以強帶弱，AI助教和任課教師虛實結合、個性輔導”的導學助學新模式?；诖髷?shù)據(jù)分析和機器學習算法，利用從平臺獲取學生的學習時間、學習內(nèi)容、學習路徑等學習行為特征數(shù)據(jù)，構建多源信息融合的評價體系，實現(xiàn)成績智能預測和提前預警。通過對海量學習數(shù)據(jù)的挖掘與分析，建立學生的學習行為模型，對學生的學習行為特征數(shù)據(jù)進行可視化處理，建立學生的學習狀況綜合畫像，實現(xiàn)對學生全學習過程的跟蹤。

基于程序理解技術開發(fā)編程題智能評分系統(tǒng)，支撐階段上機考核，檢驗階段目標達成。結合線上課堂測試和中期匿名問卷，及時發(fā)現(xiàn)學生的薄弱知識點，使教師有的放矢改進教學?；趧討B(tài)測試和作弊檢測技術，開發(fā)自主自助式實踐教學平臺，支持學生自主選擇知識點和難度系數(shù)進行編程訓練，根據(jù)評測反饋差異分析結果自主修正程序錯誤，使教師通過查看學生的個人學習曲線，及時發(fā)現(xiàn)有拖延和考前突擊傾向的學生，及時督促和提醒。

3．名企名校合作、名師名課先行、跨界跨校協(xié)同，有效實現(xiàn)產(chǎn)教融合和資源共享

為有效實現(xiàn)產(chǎn)教融合和資源共享，我們探索了名企名校合作、名師名課先行、跨界跨校協(xié)同，實現(xiàn)產(chǎn)教融合和資源共享的有效方法和途徑（如圖4所示）。一方面，依托產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地和產(chǎn)學合作項目，與華為等企業(yè)的工程師對接，通過名企微課、空中宣講等師資培訓，帶動名校名師先行探索產(chǎn)教融合教學改革，將華為編程規(guī)范、高算力云平臺搭建、鯤鵬開發(fā)套件等引入慕課、教材或實驗，解決程序設計能力培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)實踐脫鉤問題，促進程序設計教學與國產(chǎn)自主可控軟件產(chǎn)業(yè)領域最新技術接軌，使學生在了解企業(yè)實際開發(fā)環(huán)境的同時，激發(fā)其科技報國情懷，增強其科技創(chuàng)新意識。另一方面，充分發(fā)揮名師名課的示范作用，利用虛擬教研室的跨?？缃缃涣鳈C制，將名師先行探索的實踐經(jīng)驗和校企共建的慕課等資源輻射到其他院校，擴大產(chǎn)教融合的覆蓋面。

四、基于AI賦能和產(chǎn)教融合的個性教學模式的創(chuàng)新點

本文提出的基于AI賦能和產(chǎn)教融合提升程序設計能力的個性教學模式，其主要創(chuàng)新體現(xiàn)在以下三個方面。

（1）能力為要、因材施教的程序設計個性化教學理念創(chuàng)新。教學理念從“重語言輕設計、重知識輕能力”轉為“知識和能力并重、設計與實踐并行”，教學模式從“一刀切培養(yǎng)”轉為“個性化因材施教”，教學方法從“以教定學、以教促學”轉為“以練導學、以學定教”，將層次化內(nèi)容體系、差異化教學方法、個性化能力訓練、多元化導學督學助學手段融入教學全過程，全方位提升程序設計能力，形成了一整套可復制、可推廣、可借鑒的程序設計課程個性化教學方案和實踐經(jīng)驗。

（2）基于人工智能等新技術的教與學方法和手段創(chuàng)新。將人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術與教學過程深度融合，構建AI賦能課程智能化轉型實現(xiàn)全過程學習數(shù)據(jù)分析、全方位支撐個性化教學的導學、督學和助學體系，使程序設計課程的教與學方法和手段從“互聯(lián)網(wǎng)+”升級為“人工智能+”。全過程學習數(shù)據(jù)分析幫助學生克服了“平時拖延、考前突擊”等頑癥，AI賦能教學平臺建設實現(xiàn)的“程序智能評分、問題智能答疑、學生智能畫像、成績智能預測”，促進了導學、督學和助學方式從一對多的“單師型”轉為線上線下、虛實結合和生師結合的“多師型”，改善了“生師比高、個性輔導一師難求”的現(xiàn)狀。

（3）基于虛擬教研室的資源共建共享和協(xié)同教學組織方式創(chuàng)新。以虛擬教研室為橋梁，以產(chǎn)學合作項目為樞紐，打通了高校教學引入企業(yè)技術和產(chǎn)業(yè)資源的“最后一公里”，發(fā)揮企業(yè)了解產(chǎn)業(yè)需求、高校熟悉教學規(guī)律的優(yōu)勢，打造了以“名企微課、空中宣講”帶動“校企合作、資源共建”、以“名課示范、名師引領”帶動“產(chǎn)教融合、協(xié)同育人”的教學資源共建共享組織方式。通過在實踐教學中融入國產(chǎn)平臺及云環(huán)境的應用，使程序設計教學從“使用單一的國外通用平臺和開發(fā)環(huán)境”向“多樣的國內(nèi)外平臺和環(huán)境”轉變，通過基于虛擬教研室的校際交流和協(xié)同，使教學組織和資源建設方式從“封閉式單槍匹馬”轉為“開放式團隊合作”，為中西部地方高校提供了產(chǎn)教融合的程序設計課程教學資源，為教師在課程中融入思政元素提供了可發(fā)揮的空間。

五、應用效果

經(jīng)過多輪教學實踐，采取的一系列有效措施帶來了良好的教學效果。先后開發(fā)教學軟件/平臺7套，基于AI賦能建設的課程教學平臺促進了教與學形成有反饋的閉環(huán)，有效支撐了個性化導學助學手段的智能化轉型。其中，自主開發(fā)的智能評分系統(tǒng)還促進了學生學習成效評價方式的轉變?；陬^歌平臺建設的游戲闖關式在線實驗課程，被57所院校采用為SPOC（小規(guī)模限制性在線課程），400余所學校師生訪問，進一步加強了學生程序設計實踐能力的提升。此外，由哈爾濱工業(yè)大學牽頭組建的跨校程序設計課程工作組，以及由電子科技大學牽頭成立的程序設計課程虛擬教研室，帶動國內(nèi)100余所院校500余名教師參與，依托教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目和虛擬教研室，通過名企引領、名師帶頭和名課示范，有效促進了東西部高校的產(chǎn)教融合教學改革。國家精品在線開放課程“C語言程序設計精髓”支持吉林師范大學、西南石油大學、沈陽航空航天大學、湖南工業(yè)大學獲批國家級混合式一流課程，同時還支持南昌大學、河北大學、四川師范大學、山東工商學院、成都工業(yè)學院、河南開封科技傳媒學院等院校獲批省級混合式一流課程。

六、結論

為順應新工科建設和教育信息化的時代發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求，基于以學生發(fā)展為中心和因材施教的教學理念，提出并實踐了“能力為要、個性教學、AI賦能、產(chǎn)教融合”的新型課程建設與教學的創(chuàng)新路線，實施了“以練導學、以學定教、能力導向、設計驅動”的程序設計課程個性化教學方法，構建了基于人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術實現(xiàn)“程序智能評分、問題智能答疑、學生智能畫像、成績智能預測、全過程學習數(shù)據(jù)分析、多渠道反饋及時預警、多師協(xié)同個性幫輔”的個性化導學、督學和助學體系，以虛擬教研室為橋梁，以產(chǎn)學合作項目為樞紐，探索了打通企業(yè)資源和技術走進高校“最后一公里”實現(xiàn)產(chǎn)教融合的有效途徑，以及資源共建共享、協(xié)同教學的組織方式，在教學實踐中取得了良好的教學效果，為新時期程序設計類課程教學改革探索了一條創(chuàng)新之路。

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[基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目（SJGY20200231）、華為教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目、湖南智擎科技有限公司教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目、黑龍江省高等學校課程思政示范培育項目、2022年度陜西省教師教育改革與教師發(fā)展研究項目（SJS2022YB009）]

[責任編輯：余大品]