人工智能賦能C++程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐研究

摘要：文章探討了將人工智能（AI）技術(shù)融入C++程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的必要性和可行性，并根據(jù)C++程序設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)，提出了一套創(chuàng)新的教學(xué)模式。通過結(jié)合AI工具和應(yīng)用案例來優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)方法，旨在提升學(xué)生的編程能力、問題解決能力和創(chuàng)新思維，順應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展趨勢，培養(yǎng)具有較高綜合素質(zhì)的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才。課程的教學(xué)改革與實(shí)踐結(jié)果表明，AI技術(shù)在提升教學(xué)質(zhì)量、個(gè)性化教學(xué)以及優(yōu)化學(xué)習(xí)效果等方面都取得了顯著成效。

關(guān)鍵詞：人工智能；C++程序設(shè)計(jì)；教學(xué)改革；計(jì)算機(jī)教育；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）35-0178-03開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1背景

1.1課程重要性與挑戰(zhàn)

在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教育領(lǐng)域，C++程序設(shè)計(jì)課程占據(jù)著舉足輕重的地位。該課程不僅為學(xué)生奠定了堅(jiān)實(shí)的編程基礎(chǔ)，還著重培養(yǎng)了其面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力。C++作為一門既具備高性能又兼具靈活性的高級(jí)編程語言，是眾多復(fù)雜軟件系統(tǒng)開發(fā)不可或缺的基礎(chǔ)工具，尤其在游戲開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)、高性能計(jì)算[1]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)C++，學(xué)生能夠深入洞悉程序運(yùn)行機(jī)制，熟練掌握內(nèi)存管理、指針操作等核心編程技能。然而，在信息技術(shù)日新月異的當(dāng)下，C++課程的教學(xué)正面臨著多重挑戰(zhàn)。一方面，由于C++語言本身的復(fù)雜性，初學(xué)者需投入大量時(shí)間去理解和消化相關(guān)概念，這無疑加大了教學(xué)難度，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)曲線變得陡峭。另一方面，隨著Python、Java等易于上手的語言的普及，以及人工智能（AI）技術(shù)對(duì)編程環(huán)境的深刻影響，如何保持C++課程的吸引力，并巧妙融合新興技術(shù)以提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，已成為教學(xué)改革亟待解決的關(guān)鍵問題。

1.2人工智能技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前，AI技術(shù)在編程教育領(lǐng)域的應(yīng)用正展現(xiàn)出顯著的影響力和革新價(jià)值[2]。特別是一系列AI輔助編程工具的蓬勃發(fā)展與廣泛普及，正在悄然改變著傳統(tǒng)C++課程的教學(xué)模式，并在提高學(xué)習(xí)效率、降低初學(xué)者入門難度方面取得了顯著成效。

AI輔助編程工具，如代碼智能提示系統(tǒng)、自動(dòng)代碼補(bǔ)全軟件以及集成化在線開發(fā)平臺(tái)等，能夠?qū)崟r(shí)分析學(xué)生輸入的代碼片段，并提供極具針對(duì)性的建議，從而大幅減少了錯(cuò)誤編寫的時(shí)間成本，顯著提升了代碼編寫的正確率與速度。此外，基于深度學(xué)習(xí)模型的智能教程生成器，能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和理解程度，自適應(yīng)地推送相關(guān)教學(xué)資源，確保學(xué)習(xí)內(nèi)容的個(gè)性化與循序漸進(jìn)[3]。這一創(chuàng)新舉措有效降低了初學(xué)者接觸C++語言時(shí)所面臨的復(fù)雜性和挫敗感。同時(shí)，AI驅(qū)動(dòng)的交互式編程環(huán)境[4]使得學(xué)習(xí)過程變得更加直觀和生動(dòng)。諸如可視化編程[5]和動(dòng)態(tài)調(diào)試功能等創(chuàng)新元素，能夠幫助學(xué)生直觀理解程序運(yùn)行機(jī)制，使抽象的編程概念變得易于消化吸收，從而進(jìn)一步降低了C++學(xué)習(xí)的入門門檻。

AI技術(shù)在編程教育中的應(yīng)用不僅極大地優(yōu)化了教學(xué)手段，還顯著提升了學(xué)習(xí)體驗(yàn)。對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力以及提高C++課程的教學(xué)質(zhì)量而言，其價(jià)值不容小覷。

2基于人工智能的教學(xué)改革策略

2.1AI融合課程體系構(gòu)建

在當(dāng)前教育改革的浪潮中，將AI技術(shù)融入C++程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)，已成為提升教學(xué)質(zhì)量、順應(yīng)技術(shù)發(fā)展的重要途徑。

針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的拓展與更新，首要任務(wù)是引入AI領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)與最新研究成果，并將其與傳統(tǒng)的C++編程教育緊密融合。例如，在講解C++語言特性及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，可適時(shí)融入機(jī)器學(xué)習(xí)算法的實(shí)現(xiàn)、深度學(xué)習(xí)框架下的C++應(yīng)用開發(fā)等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用C++解決實(shí)際AI問題，從而豐富并完善其知識(shí)結(jié)構(gòu)。

在構(gòu)建以AI為導(dǎo)向的C++課程體系過程中，應(yīng)遵循由淺入深、理論與實(shí)踐相結(jié)合的原則。初級(jí)階段應(yīng)側(cè)重奠定扎實(shí)的C++語法基礎(chǔ)，同時(shí)借助AI案例分析，啟發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生認(rèn)知；隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的深入，逐步介紹并實(shí)踐基于C++的主流AI庫（如Ten?sorFlowC++API[6]、OpenCV等），培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用C++進(jìn)行高效算法編程的能力；高級(jí)階段則聚焦于復(fù)雜AI項(xiàng)目的系統(tǒng)性開發(fā)，包括模型訓(xùn)練、優(yōu)化及部署等全流程，促使學(xué)生從單純的語言使用者轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆鋭?chuàng)新能力的AI解決方案開發(fā)者。

2.2AI工具驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

C++是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的編程語言。在基于AI技術(shù)賦能教學(xué)的過程中，實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是實(shí)現(xiàn)教改目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以利用AI工具來促進(jìn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新[7]。

首先，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方面，借助AI技術(shù)，可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用C++語言解決實(shí)際AI應(yīng)用場景中的問題。具體來說，可以設(shè)計(jì)一系列結(jié)合AI技術(shù)的C++編程項(xiàng)目，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測模型、基于深度學(xué)習(xí)框架的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)[8]等。通過這些項(xiàng)目，學(xué)生不僅能深入理解C++的高級(jí)特性與應(yīng)用，還能切身體驗(yàn)到AI技術(shù)在現(xiàn)代軟件開發(fā)中的核心地位，從而提升其綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力。其次，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，引入AI工具和平臺(tái)作為輔助教學(xué)手段，能極大地豐富C++課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，教師可指導(dǎo)學(xué)生使用集成有C++接口的主流AI庫（如TensorFlow、PyTorch的C++API）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，或在AI云平臺(tái)上搭建并優(yōu)化C++實(shí)現(xiàn)的模型。這種做法旨在讓學(xué)生直觀感受C++在高性能計(jì)算、實(shí)時(shí)處理等方面的優(yōu)勢，并學(xué)會(huì)如何將AI技術(shù)與傳統(tǒng)C++編程相結(jié)合，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)挑戰(zhàn)。

2.3混合式教學(xué)與個(gè)性化學(xué)習(xí)

在AI賦能C++課程的教學(xué)改革與實(shí)踐過程中，探索和實(shí)施線上線下混合式教學(xué)模式[9]，以及利用AI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，是關(guān)鍵的教學(xué)改革措施之一。

在線上教學(xué)方面，借助AI技術(shù)搭建的智能化教育平臺(tái)，可以提供豐富的多媒體教程、互動(dòng)式編程環(huán)境和即時(shí)反饋機(jī)制。學(xué)生通過在線模塊自主學(xué)習(xí)C++基礎(chǔ)知識(shí)，AI驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)能根據(jù)學(xué)生的掌握程度和學(xué)習(xí)行為動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，推送定制化的練習(xí)題目和案例分析，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

線下教學(xué)則聚焦于深化理解、強(qiáng)化應(yīng)用與合作交流。教師以輔導(dǎo)者和引導(dǎo)者的身份，組織研討課、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)和答疑環(huán)節(jié)，針對(duì)線上學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)及實(shí)踐應(yīng)用問題進(jìn)行深入探討，鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成具有AI元素的C++實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目，確保理論知識(shí)與實(shí)踐技能的有效融合。

結(jié)合AI平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析能力，教學(xué)團(tuán)隊(duì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、困難點(diǎn)和興趣傾向，進(jìn)而優(yōu)化線下課堂教學(xué)內(nèi)容和節(jié)奏，形成精準(zhǔn)指導(dǎo)和個(gè)別化關(guān)注。同時(shí)，線上線下的無縫銜接與深度融合，不僅增強(qiáng)了教學(xué)效果，也培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力和終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

3方案實(shí)施與成效評(píng)估

3.1方案執(zhí)行與實(shí)施難點(diǎn)

教學(xué)改革方案的具體執(zhí)行步驟如下：1）課程內(nèi)容重構(gòu)：將AI相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)際案例融入C++課程中，構(gòu)建包含深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法模塊的C++實(shí)踐項(xiàng)目庫。2）技術(shù)平臺(tái)搭建：整合智能教育工具與在線編程環(huán)境，提供一個(gè)集AI示例剖析、代碼編寫、即時(shí)反饋等功能于一體的互動(dòng)式學(xué)習(xí)平臺(tái)。3）教學(xué)方法創(chuàng)新：采用線上線下混合式教學(xué)模式，線上通過自主學(xué)習(xí)引入AI實(shí)例視頻講解，課堂上則以小組合作、研討等方式進(jìn)行C++實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。4）師資培訓(xùn)強(qiáng)化：組織教師參加AI技術(shù)研修，提升其將前沿科技與C++教學(xué)相結(jié)合的能力。

然而，在實(shí)施過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)與難點(diǎn)：1）技術(shù)更新快速：AI領(lǐng)域發(fā)展日新月異，如何及時(shí)更新課程內(nèi)容，保持與行業(yè)前沿同步，是一大難題。2）資源配備優(yōu)化：確保每位學(xué)生都能獲得充足的軟硬件支持，以順利完成“AI+C++”實(shí)踐項(xiàng)目，需要合理調(diào)配教學(xué)資源。3）學(xué)生適應(yīng)性培養(yǎng)：部分學(xué)生可能對(duì)新型教學(xué)方式存在一定的適應(yīng)期，需有針對(duì)性地進(jìn)行引導(dǎo)和輔導(dǎo)。

3.2學(xué)生學(xué)習(xí)成效評(píng)價(jià)

在實(shí)施AI賦能C++課程教學(xué)改革后，通過量化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與定性反饋調(diào)查，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效進(jìn)行了深入分析。發(fā)現(xiàn)在以下幾個(gè)方面有著顯著變化：1）學(xué)習(xí)成績的提升：改革后的C++課程融入了AI元素，豐富了課程內(nèi)容，提高了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。如表1所示，通過對(duì)2022—2023學(xué)年第一學(xué)期與2023—2024學(xué)年第一學(xué)期的學(xué)生成績數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，相較于改革前，學(xué)生的理論考試成績平均提高了18.7%，項(xiàng)目得分平均增長了25.2%。這充分反映出學(xué)生對(duì)課程知識(shí)理解的深化和掌握程度的提高。2）編程能力的發(fā)展：在引入AI賦能的教學(xué)模式后，學(xué)生不僅掌握了基礎(chǔ)的C++編程技能，更能夠在解決復(fù)雜問題時(shí)運(yùn)用智能算法和工具。實(shí)踐數(shù)據(jù)顯示，改革后的學(xué)生在完成AI相關(guān)編程任務(wù)的速度及正確率上均有顯著提升，這體現(xiàn)了他們?cè)趯?shí)戰(zhàn)編程能力上的飛躍進(jìn)步。3）創(chuàng)新能力的激發(fā)：通過課程項(xiàng)目中的AI模塊實(shí)踐，學(xué)生們展現(xiàn)出了更強(qiáng)的創(chuàng)新思維和探索精神。許多學(xué)生能夠獨(dú)立或合作開發(fā)出融合C++與AI的應(yīng)用案例。提交的創(chuàng)新項(xiàng)目數(shù)量較改革前增加了42.9%（見表1），且部分項(xiàng)目具有較高的實(shí)用性和原創(chuàng)性。這驗(yàn)證了改革對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要性和有效性。

以AI賦能C++程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革有效地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、增強(qiáng)了編程實(shí)踐能力，并成功激發(fā)了他們的創(chuàng)新能力。這為高等教育信息技術(shù)人才培養(yǎng)樹立了新的典范。

3.3改革效果反饋調(diào)查

首先，在改革實(shí)施階段，本文設(shè)計(jì)并發(fā)放了針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)及教師教學(xué)感受的調(diào)查問卷。如表2所示，95%以上的學(xué)生認(rèn)為AI賦能的C++課程增強(qiáng)了他們的學(xué)習(xí)興趣和參與度。他們表示，通過與智能編程工具的交互實(shí)踐，對(duì)復(fù)雜概念的理解更加深入。同時(shí)，90%以上的教師反映，此種改革有效減輕了他們?cè)诨A(chǔ)教學(xué)上的負(fù)擔(dān)，使他們能更多關(guān)注個(gè)性化指導(dǎo)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。其次，從具體教學(xué)效果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，對(duì)比改革前后學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、項(xiàng)目完成質(zhì)量和課堂互動(dòng)頻率等關(guān)鍵指標(biāo)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均顯示出積極變化。學(xué)生的期末考試優(yōu)秀率顯著提高，課程項(xiàng)目完成時(shí)間大大縮短，小組合作項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)數(shù)量明顯增加。這進(jìn)一步證實(shí)了教學(xué)改革對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)和綜合能力的積極推動(dòng)作用。

通過對(duì)學(xué)生與教師的反饋進(jìn)行細(xì)致的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，可以得出結(jié)論：AI賦能C++程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革在實(shí)際執(zhí)行過程中取得了明顯成效，并得到了師生雙方的高度認(rèn)可。這有力地推動(dòng)了教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效率的雙重提升。

3.4持續(xù)改進(jìn)與策略優(yōu)化

在教學(xué)改革實(shí)施過程中，需要持續(xù)跟蹤評(píng)價(jià)，并依據(jù)教學(xué)數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)不斷改進(jìn)實(shí)施方案。具體如下：首先，在教學(xué)改革的實(shí)施過程中，搭建了一套智能教學(xué)管理系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)收集和分析學(xué)生在學(xué)習(xí)C++編程過程中的各類行為數(shù)據(jù)。包括在線學(xué)習(xí)時(shí)長、代碼編寫頻次、習(xí)題完成情況及測驗(yàn)成績等核心指標(biāo)。通過深入挖掘這些數(shù)據(jù)資源，揭示出不同教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生技能掌握的影響程度。其次，針對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映出的學(xué)習(xí)瓶頸和知識(shí)難點(diǎn)，如指針概念的理解、類與對(duì)象的應(yīng)用等問題，運(yùn)用AI算法進(jìn)行輔助識(shí)別，并據(jù)此迭代優(yōu)化教學(xué)方法與策略。

4結(jié)束語

本文通過實(shí)施AI賦能的C++程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革，成功驗(yàn)證了AI技術(shù)在提升教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)以及優(yōu)化學(xué)習(xí)效果方面的積極作用。首先，整合AI輔助工具有效增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)復(fù)雜編程概念的理解和實(shí)踐能力的提升；其次，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法能夠精準(zhǔn)定位學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，并據(jù)此動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)策略，從而顯著提升了教學(xué)效率。在未來的教學(xué)實(shí)踐中，將結(jié)合區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，構(gòu)建更為全面的教學(xué)質(zhì)量評(píng)估與反饋體系。以期在C++程序設(shè)計(jì)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)更深層次的AI融合，推動(dòng)我國高等教育信息化進(jìn)程邁向新的臺(tái)階。

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【通聯(lián)編輯：代影】

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