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    數(shù)智驅(qū)動背景下程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)體系探討

    2024-12-31 00:00:00賴新峰伏開放
    中國管理信息化 2024年13期

    [摘 要]本文探索數(shù)智驅(qū)動背景下程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)體系問題,進(jìn)一步證實(shí)了數(shù)據(jù)驅(qū)動決策在Python課程教學(xué)過程中的重要性。本文構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動下的Python課程的學(xué)生畫像,按照“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題”的論證思維公式,從知識圖譜、學(xué)生畫像、教學(xué)反饋三個視角探討程序設(shè)計(jì)類課程的研究進(jìn)展,概括并揭示程序設(shè)計(jì)類課程具有“數(shù)智驅(qū)動化、畫像個性化、教學(xué)反饋化”的新特點(diǎn)。本文提出的“學(xué)生畫像多維度發(fā)現(xiàn)、作業(yè)推薦深層次推進(jìn)、教學(xué)反饋差異化迭代”的認(rèn)知框架,以及“數(shù)智驅(qū)動—畫像形成—迭代改進(jìn)”的實(shí)現(xiàn)邏輯,有助于開展程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)改革,為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)提供了新的科學(xué)依據(jù)。

    [關(guān)鍵詞]程序設(shè)計(jì);數(shù)智驅(qū)動;學(xué)生畫像;目標(biāo)導(dǎo)向;教學(xué)反饋

    doi:10.3969/j.issn.1673-0194.2024.13.055

    [中圖分類號]G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194(2024)13-0181-06

    0" " "引 言

    高質(zhì)量的發(fā)展離不開高質(zhì)量的人才。黨的二十大報告指出,必須堅(jiān)持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力,深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略,開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道,不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢。在這樣的背景下,我國高等教育以一流本科教育為抓手,大力開展高質(zhì)量的高等教育建設(shè)。當(dāng)前隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,如何在高校開展好程序設(shè)計(jì)類課程,是目前全國眾多高校都在思考和探索的問題。程序設(shè)計(jì)類課程是我國高校計(jì)算機(jī)專業(yè)和經(jīng)管類專業(yè)都會開設(shè)的一門專業(yè)性強(qiáng)的課程,也是一門理論能力與實(shí)踐能力緊密結(jié)合的課程。在新時代下如何利用數(shù)據(jù)驅(qū)動來開展好這門專業(yè)性強(qiáng)的課程,同時提高學(xué)生的認(rèn)知能力與實(shí)踐能力,是目前許多高校教師正在積極探索與實(shí)踐的內(nèi)容。筆者所負(fù)責(zé)的專業(yè)為國家一流本科專業(yè),且筆者長期任教計(jì)算機(jī)類和經(jīng)管類專業(yè)的程序設(shè)計(jì)類課程,積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),通過構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動下的Python課程的學(xué)生畫像,從學(xué)生畫像、目標(biāo)導(dǎo)向、教學(xué)反饋三個視角探討程序設(shè)計(jì)類課程的研究進(jìn)展,概括并揭示程序設(shè)計(jì)類課程具有“數(shù)智驅(qū)動化、畫像個性化、教學(xué)反饋化”的新特點(diǎn),這對高質(zhì)量人才建設(shè)以及國家一流本科專業(yè)建設(shè)具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

    1" " "我國程序設(shè)計(jì)類課程(Python)改革現(xiàn)狀

    目前,我國程序設(shè)計(jì)類課程種類繁多,每種語言的特點(diǎn)和優(yōu)勢也各不相同,因此,各個學(xué)校選擇的程序設(shè)計(jì)類課程也不完全一致。近年來,隨著人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的興起,Python程序設(shè)計(jì)類課程受到眾多高校的青睞。臧勁松[1]通過分析程序設(shè)計(jì)的教學(xué)現(xiàn)狀,討論如何有效地在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維問題。嵩天等[2]從計(jì)算思維的視角探討了程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革實(shí)施路徑。劉杰等[3]針對程序設(shè)計(jì)類課程存在教學(xué)目標(biāo)不明確、教學(xué)模式和教學(xué)方法陳舊以及教學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)單一等問題,提出應(yīng)以O(shè)BE教學(xué)理念為核心思想對課程進(jìn)行教學(xué)改革。具體而言,應(yīng)以O(shè)BE理念制定教學(xué)目標(biāo),優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,采用線下線上混合的教學(xué)模式,構(gòu)建可持續(xù)改進(jìn)的考核評價體系,保證教學(xué)過程的良性循環(huán)。狄博和王曉丹[4]針對程序設(shè)計(jì)課程中存在的教學(xué)語言復(fù)雜影響教學(xué)效果問題,結(jié)合Python語言的特點(diǎn),重點(diǎn)從教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)過程與方法兩個方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與探討,提出了“理論教學(xué)融于實(shí)踐,實(shí)踐貫穿教學(xué)全過程”的教學(xué)過程設(shè)計(jì),并提出了實(shí)時動態(tài)代碼操作演示的教學(xué)方法。余波等[5]從Python程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)際教學(xué)出發(fā),提出反向設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建課程思政素材庫,依托網(wǎng)絡(luò)資源平臺建設(shè)課程資源,采用混合式教學(xué)方法開展課程教學(xué)改革的方案。李金忠[6]也從融入思政元素的角度對程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)進(jìn)行了探析。冀全朋和嚴(yán)海升從項(xiàng)目教學(xué)模式入手,將Python程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容劃分為“基礎(chǔ)類”“進(jìn)階類”“開發(fā)類”三種類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,通過教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、考核評價進(jìn)行教學(xué)改革,顯著提升了該門課的教學(xué)質(zhì)量。如何把提高學(xué)生編程能力貫穿到課程教學(xué)中,提高學(xué)生的實(shí)踐能力,是越來越多的教師都在探索的問題[7-10]。與此同時,數(shù)智驅(qū)動[11-12]、用戶畫像[13-14]等新的研究元素也為一線教師提供了新的研究思路。

    總體來說,各高校一線教師和研究人員對程序設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐,并取得了許多成果。然而,隨著人工智能技術(shù)的快速推進(jìn)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的傳播與推廣,程序設(shè)計(jì)類課程也面臨著新的問題與挑戰(zhàn)。與十年前相比,以“05后”為主體的大學(xué)生對科技的興趣更加濃厚,然而,城鄉(xiāng)大學(xué)生對于技術(shù)的了解基礎(chǔ)仍然存在巨大的差異。當(dāng)前,“以學(xué)生為本”的理念正在深入推進(jìn),如何利用數(shù)據(jù)驅(qū)動,體現(xiàn)個性化的時代特點(diǎn),同時通過教學(xué)反饋回路不斷迭代改善教學(xué)質(zhì)量的新思路正受到高度的關(guān)注?;诖?,本文首先形成課程的知識圖譜,其次通過構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動下的Python課程的學(xué)生畫像,從學(xué)生畫像、目標(biāo)導(dǎo)向、教學(xué)反饋三個視角探討程序設(shè)計(jì)類課程的研究方向,并結(jié)合程序設(shè)計(jì)類課程具有“數(shù)智驅(qū)動化、畫像個性化、教學(xué)反饋化”的新特點(diǎn),最后提出了一些新的思路和策略,為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量教學(xué)提供了新的科學(xué)依據(jù)。

    2" " "數(shù)智驅(qū)動下的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)體系

    多年來,程序設(shè)計(jì)類課程一直是各高校理工類和經(jīng)管類專業(yè)重點(diǎn)開展的一門必修課,從早期的Fortran、Basic、C、Java等語言,一線教師已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)踐與探索,并加入了許多新鮮元素,如計(jì)算思維的培養(yǎng),課程思政元素的融入,評價體系的構(gòu)建,教學(xué)方法的創(chuàng)新等。然而,隨著人工智能技術(shù)的加速演變,特別是大數(shù)據(jù)技術(shù)場景的不斷創(chuàng)新,程序設(shè)計(jì)類課程也急需新的教學(xué)方法體系的創(chuàng)新。筆者基于十五年的教學(xué)實(shí)踐,提出了新的課程教學(xué)體系,如圖1所示。

    這個課程教學(xué)體系把教學(xué)活動分成三個階段,形成一種閉環(huán)結(jié)構(gòu),是一種基于迭代思想的教學(xué)反饋回路的教學(xué)體系。第一個階段,主要是構(gòu)建程序設(shè)計(jì)類課程(Python)的知識圖譜。首先,構(gòu)造Python課程的知識本體、教材本體,同時根據(jù)教學(xué)和目標(biāo)本體,利用Protege軟件,對本體進(jìn)行學(xué)習(xí),對概念進(jìn)行抽取和知識元的計(jì)算,采用關(guān)聯(lián)規(guī)則生成Python課程的知識圖譜。第二階段是構(gòu)建程序設(shè)計(jì)類課程(Python)的學(xué)生畫像。首先基于Infomap社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法對學(xué)生進(jìn)行分類,其次根據(jù)學(xué)生的基本屬性、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)習(xí)慣、團(tuán)隊(duì)溝通四個維度構(gòu)建學(xué)生畫像,呈現(xiàn)學(xué)生全面的特征信息,為后期智能推薦提供參考。第三階段是構(gòu)建程序設(shè)計(jì)類課程(Python)的教學(xué)反饋回路。以往的學(xué)生作業(yè)和項(xiàng)目管理基本都是相同的,然而個體學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和進(jìn)階速度具有明顯的差異,根據(jù)已形成的學(xué)生畫像,進(jìn)行差異化的作業(yè)管理和動態(tài)的項(xiàng)目管理,可以有效提高全班整體的教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)反饋回路將動力學(xué)仿真思路融入教學(xué)過程,通過不斷地教學(xué)反饋,逐步形成穩(wěn)定的教學(xué)狀態(tài),也為下一輪教學(xué)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

    隨著Python課程知識圖譜的構(gòu)建完成,筆者發(fā)現(xiàn)核心元素由流程控制、數(shù)據(jù)類型、函數(shù)、文件、Numpy、Pandas以及爬蟲等組成。這些知識圖譜有助于下階段用戶畫像的構(gòu)建。

    3" " "程序設(shè)計(jì)類課程(Python)的學(xué)生畫像構(gòu)建

    用戶畫像的定義最早于1998年由交互之父

    Alan Cooper提出。它的核心思想是一種由用戶真實(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的虛擬畫像。具體而言,通過采集用戶真實(shí)的多重屬性,勾勒出用戶整體的特征,從而為用戶提供精準(zhǔn)的個性化推薦服務(wù)[15-16]。目前,用戶畫像構(gòu)建及推薦研究已經(jīng)在社區(qū)領(lǐng)域和電商的智能推薦方面得到大量的應(yīng)用。但在Python課程的學(xué)生畫像研究還不多見。整個學(xué)生畫像構(gòu)建過程的如下:結(jié)合Python課程每周前的預(yù)習(xí)(會提前放置錄制好的學(xué)習(xí)視頻)與作業(yè)(課前作業(yè))的完成情況,以及在線教學(xué)平臺課后作業(yè)完成情況,選取學(xué)生的個人基本屬性、課程學(xué)習(xí)指標(biāo)特征、學(xué)習(xí)習(xí)慣特征和團(tuán)隊(duì)協(xié)同特征作為刻畫學(xué)生畫像的重要特征。其中,個人基本屬性包括學(xué)生姓名,其他前置課程的學(xué)習(xí)成績,平均加權(quán)成績,專業(yè)排名;課程學(xué)習(xí)指標(biāo)特征包括課后作業(yè)完成情況,課堂到課率,課堂互動情況,教師評分;學(xué)習(xí)習(xí)慣特征包括課前預(yù)習(xí)完成情況,課前作業(yè)完成情況;團(tuán)隊(duì)協(xié)同特征主要包括大作業(yè)的完成情況,課堂參與度。

    由于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是一個動態(tài)變化的過程,并非某一線性變量,基于此,以學(xué)生為研究對象,從時間維度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的變化。定義第i個學(xué)生在第t周的屬性j的學(xué)習(xí)狀態(tài)為sij(t)=si1(t), si2(t), si3(t), si4 (t)(i∈[M, N ]),N為班級的總?cè)藬?shù),M為學(xué)校開班的最低人數(shù);j∈[1, A],A為屬性的總數(shù);t∈[1, W ],W為課程開課總周數(shù)。最后,采用層次分析法(AHP)計(jì)算各屬性權(quán)重,得到以下計(jì)算公式:

    (1)

    公式(1)中wk表示第j屬性代表的權(quán)重。以學(xué)生張三為例,結(jié)合上述信息的匯總及計(jì)算刻畫了第三周張三的學(xué)生畫像,如圖2所示。根據(jù)學(xué)生畫像中學(xué)生每周完成的情況,布置差異化的作業(yè)和任務(wù)。也就是說同一門課程,作業(yè)和任務(wù)也會有所區(qū)別,對于能力特別突出的部分學(xué)生,能夠通過學(xué)生畫像識別出來,并給予適當(dāng)拔高的任務(wù),這樣可以激發(fā)學(xué)生的興趣并提高其自身實(shí)踐能力。而對于基礎(chǔ)偏弱的學(xué)生,加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練,能提高學(xué)生的自信心。

    事實(shí)上,不同專業(yè)之間,甚至同一專業(yè)的每個學(xué)生個體都存在著差異,如何整體提高教學(xué)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué)是一條值得探討的思路。目前,筆者所在的學(xué)校已經(jīng)在數(shù)學(xué)、外語和計(jì)算機(jī)公共課實(shí)行了差異化分類教學(xué)。各個學(xué)院在制訂培養(yǎng)方案時,會根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)自主選擇不同套餐中的課程。此外,筆者還對不同專業(yè)的授課情況進(jìn)行了對比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)實(shí)行差異化教學(xué)能夠有效避免過去全校每個專業(yè)所學(xué)公共課完全一致,且沒有對專業(yè)之間的差異性進(jìn)行深入探討與研究的情況。

    4" " "程序設(shè)計(jì)類課程(Python)的教學(xué)反饋回路構(gòu)建

    反饋回路最早在動力學(xué)領(lǐng)域被廣泛研究。Ovando[17]則構(gòu)建了教學(xué)系統(tǒng)的反饋模型,并且指出反饋模型的教與學(xué)是兩個并行的回路。Nicol等人[18]提出了自我調(diào)整學(xué)習(xí)的模型。筆者在此基礎(chǔ)上,增加了不同目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)反饋回路,如圖3所示。

    圖3的上半部分,形成了高階目標(biāo)導(dǎo)向下的反饋回路。教師在每周教學(xué)過程中,可以利用動態(tài)變化的學(xué)生畫像,清晰地了解每個學(xué)生的動態(tài)學(xué)習(xí)情況,而大部分一線教師往往是在期中測試或者每章作業(yè)批改后才能得知學(xué)生的情況。采用不同目標(biāo)導(dǎo)向的系統(tǒng)反饋回路,可以為教師提供學(xué)生每周的學(xué)習(xí)情況,也可以讓教師了解每個學(xué)生進(jìn)步的情況。由于學(xué)生畫像每周都會進(jìn)行調(diào)整,因此,針對高階的學(xué)生,則會安排具有挑戰(zhàn)性或者與學(xué)科前沿性有關(guān)的作業(yè)或課題任務(wù),以此來激發(fā)前10%的學(xué)生,讓他們較早地接觸學(xué)術(shù)前沿或者本學(xué)科中較為高階難度的問題。

    圖3的下半部分,形成了強(qiáng)基目標(biāo)導(dǎo)向下的反饋回路。從初級學(xué)習(xí)者的角度,面對程序設(shè)計(jì)課程,仍然具有一定的挑戰(zhàn)性,特別是在大學(xué)入學(xué)前并未有過任何編程基礎(chǔ),設(shè)計(jì)并調(diào)試一個具有一定難度的程序并非易事。那么,針對這一部分初學(xué)者,強(qiáng)基目標(biāo)導(dǎo)向可以很好地為學(xué)生提供科學(xué)的學(xué)習(xí)路徑。根據(jù)提供的知識圖譜,學(xué)生可以在較為清晰的知識框架下進(jìn)行自我學(xué)習(xí)與自我調(diào)整,這樣學(xué)生在整個程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程中,有“一覽眾山小”的感覺。當(dāng)然有一部分初學(xué)者,在學(xué)習(xí)的前幾周屬于強(qiáng)基目標(biāo)導(dǎo)向下的學(xué)習(xí),但是由于自身學(xué)習(xí)能力很強(qiáng),在幾周之后通過學(xué)生畫像,已經(jīng)切換至高階目標(biāo)導(dǎo)向下的教學(xué)反饋回路。因此,整個不同目標(biāo)導(dǎo)向下的教學(xué)反饋回路是一個動態(tài),而且是連續(xù)變化下的反饋路徑。最終的目標(biāo)仍然是實(shí)現(xiàn)整個班級的高質(zhì)量教學(xué),它與之前無差異化下的教學(xué)反饋回路最大的區(qū)別,就是對學(xué)生個體實(shí)施實(shí)時的動態(tài)監(jiān)測,并結(jié)合不同目標(biāo)導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)差異化、個性化的教學(xué)。

    在具體的教學(xué)過程中,筆者發(fā)現(xiàn)除了專業(yè)內(nèi)部存在個體差異外,不同專業(yè)之間對程序設(shè)計(jì)課程的需求也存在很大不同,顯然,以往統(tǒng)一課程的教學(xué)已經(jīng)不能很好地滿足當(dāng)前的教學(xué)需求。除了結(jié)合所教專業(yè),強(qiáng)化該課程與所教專業(yè)的聯(lián)系之外,如何設(shè)計(jì)不同的課程組合仍然是一件充滿挑戰(zhàn)的事情。所謂的課程組合是針對所教專業(yè),設(shè)計(jì)一門或兩門信息類或計(jì)算機(jī)類的課程,而且兩門課程要存在進(jìn)階的邏輯關(guān)系。

    教師在每學(xué)期教學(xué)完成后還會有一個達(dá)成度的計(jì)算。在教學(xué)過程完成后通過課程達(dá)成度的計(jì)算,可以清晰地了解教師教學(xué)的最終效果,也為下一輪教學(xué)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐,最終實(shí)現(xiàn)教師的迭代教學(xué)和教學(xué)質(zhì)量的全面提高。當(dāng)前,筆者所負(fù)責(zé)的國家一流本科專業(yè)建設(shè)試點(diǎn)正在全面推進(jìn),從目前實(shí)施的效果來看,數(shù)智驅(qū)動背景下程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)體系探討具有很好的理論意義和很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義,也有力地促進(jìn)了該專業(yè)的高質(zhì)量教學(xué)。

    5" " "結(jié) 論

    數(shù)智驅(qū)動已經(jīng)成為當(dāng)今時代的特點(diǎn),以“學(xué)生為本”、數(shù)據(jù)決策、知識圖譜為核心的“數(shù)智教學(xué)”時代正在到來。已有研究較為深入地融入了課程思政、計(jì)算思維、OBE理念等新元素,新文科對程序設(shè)計(jì)類課程也提出了更高的要求。如何利用數(shù)據(jù),探討數(shù)智驅(qū)動背景下程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)體系建設(shè)受到了一線教師和相關(guān)研究者的高度關(guān)注,各界對數(shù)智賦能教育也給予了高度的期待,然而這方面的相關(guān)研究尚處于探索階段,相關(guān)的體系研究和研究思路并未成熟。

    本文通過梳理程序設(shè)計(jì)類課程的相關(guān)文獻(xiàn),從知識圖譜、學(xué)生畫像、教學(xué)反饋三個視角探討程序設(shè)計(jì)類課程的研究進(jìn)展,全面分析了數(shù)智驅(qū)動下的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)面臨的新挑戰(zhàn),發(fā)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)類課程具有“數(shù)智驅(qū)動化、畫像個性化、教學(xué)反饋化”的新特

    點(diǎn)。按照“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題”的論證思維公式,本文提出了“學(xué)生畫像多維度發(fā)現(xiàn)、作業(yè)推薦深層次推進(jìn)、教學(xué)反饋全方面迭代”的認(rèn)知框架,以及“數(shù)智驅(qū)動—畫像形成—迭代改進(jìn)”的實(shí)現(xiàn)邏輯,該路徑主要分成三個不同實(shí)施階段,首先形成Python課程的知識圖譜,其次構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動下的Python課程的學(xué)生畫像,最后形成Python課程的教學(xué)反饋回路,實(shí)施差異化、個性化動態(tài)教學(xué)管理。在后續(xù)研究中,將進(jìn)一步針對不同專業(yè)對于課程的需求差異性進(jìn)行合理和科學(xué)的課程設(shè)計(jì),探索和實(shí)踐不同專業(yè)的課程組合優(yōu)化,構(gòu)建新的專業(yè)架構(gòu)下的課程體系,從理論和方法上推動新文科下程序設(shè)計(jì)類課程的高質(zhì)量發(fā)展。

    主要參考文獻(xiàn)

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