0 引 言

程序设计类课程是培养计算思维、算法思维和系统思维的公共基础课程，是高校非计算机专业理工类本科生必修课程，在整个教学体系中的地位举足轻重[1]。然而，程序设计类课程不单单只以培养思维能力为目标，更多的是解决专业问题的能力、项目开发的能力、学科竞赛能力以及满足企事业单位需求的应用能力，这对教师的要求尤为苛刻，课堂教学既要立德树人，又要磨炼成跨学科的多面手，这给教师带来了极大的负担，教师需要花费大量的时间和精力去关注知识和信息的收集、获取和整合；对于学生而言，如果疑惑没有得到及时的解答，会影响学习进度和降低课程学习的兴趣[2]。

人工智能（ArtIFicial Intelligence，AI）技术的快速发展，为教育教学注入了新的活力，如百度文心一言/ChatGPT、元宇宙、AI一键式知识图谱带来了更加智能的教学模式。人工智能教育应用的积极意义首先体现在通过智能化减轻学生和教师的常规工作负担，并在这个基础上提高学习和教学的质量与效率，学生和教师需要学习驾驭人工智能，利用他们减负增效[3]。

在AI技术时代，知识的获取不再是关注的重点和难点，因为AI的功能可以在海量信息中根据用户需求提炼精准信息，彻底把教学理念从关注知识的获取转变为对知识的思维和创造[4]。人工智能技术是助推教育数字化转型的重要驱动力，教育部门和广大教师应该尽早让学生接触人工智能技术，并将之融入日常教学[5]。

1 AI+教学的优势

1.1 AI技术协助教师开展创造性工作，减轻工作负担

“AI+教师”双师型教学，助力教师以更高的视角，充分进行课程体系的顶层设计和课程内容的构建。在满足专业结合程序设计课程教学的需求上，根据不同的专业目标进行不同的教学内容和案例设计，借助AI的大量数据收集和分析，帮助教师了解学生各个专业领域的学习需求和兴趣，设计最适合的课程计划，创建具有吸引力和前沿性的课程内容。

AI还可以帮助教师自动评估学生的学习成果，并提供即时的反馈、建议和指导，以帮助教师提高教学质量。AI可以作为智能教学助理，帮助教师不断调整和优化课程内容，以最大限度度地满足学生的学习需求；帮助教师进行教学管理、多元主体协同评价等工作。此外，AI可以生成基于企业需求、专业需求、学科需求、竞赛需求、面试需求、项目需求、岗位技能需求的案例，动态更新案例库、作业库、习题库和思政库，大大节省教师查找资料的时间。与此同时，AI技术对于教师专业能力的自我提升无疑是一种强大的赋能，为教师提供丰富的创作素材和灵感，帮助教师扩大知识面、提高专业素养以及提升创造性思维。总而言之，AI无疑为教师优化教学提供了一个强有力的支撑。

1.2 AI助力学生构建个人学习系统，提高学习效率

（1）编程是一个循序渐进、螺旋上升的行为能力，AI可以生成环环相扣、由浅入深的、层层递进的学习案例，旁征博引又关联专业背景知识，不断拔高学生对专业的认知和思维的高度，增强学习自信心。

（2）AI一键生成式知识图谱可以帮助学生构建知识体系结构，它是一种强大的工具，实现碎片的知识关联，增强数据交互性，可以帮助学生对所学知识有一个系统的认知。这些软件具备强大的AI算法和数据处理能力，能够根据需求，自动从各种海量数据源中提取和整合信息，生成结构化的知识图谱。用户只需简单操作或输入相关指令，即可快速获得所需的知识图谱。

（3）元宇宙在教学上的应用也十分广泛，它能够提供沉浸式的学习环境，通过模拟真实场景，让学生身临其境地参与学习中，提高学习的兴趣和效果。

（4）通过AI可以很轻松获得大量的知识和信息，学生对知识的获取转变为对知识的思维和创造；AI可以记忆前期提问内容，提供相关资料、案例或问题，激发学生不断挖掘知识的深度和广度，帮助学生打开思路，扩展学习有难度的知识，提高学生的学习动力和参与度；AI对已有知识的反馈，帮助学生了解自己的学习情况和需求，制订学习计划，提供知识的对比学习；对于一直找不到错误的代码，AI可以快速纠正错误，极大提高学习效率；对AI提供的案例编程，分析优缺点、改造程序、优化程序、创新程序，熟悉从“计算思维→AI思维→超越AI”的一个进阶路径；利用AI分析学生的编程作品，帮助学生发现其独特的创意和潜在的问题，进一步引导他们深入探索程序设计语言的奥妙；AI可以通过分析学生的讨论内容，提供反馈和建议，引导学生进行更深入的讨论；可以极大缩短预习，学生通过应用AI预先熟悉部分知识点，大大增加课堂上和教师互动交流的机会；AI在引导学生追问和辩论方面深度激发学生的思辨能力；把学生从没问题问、不懂问、不敢问转变成“对话式”学习，似乎每个人都有自己的教学助理，按照自己想知道的路径，真正成为自己主导的积极学习，而不是被动的知识灌输；AI有助于提高信息搜索能力；在课后利用AI分配任务，协助小组分工合作，做到“程序设计不间断，课内课外无停歇”，实现AI导师下的“生—AI—生”互动。

2 以学生为主导的“AI+教师”支架式“探→用→创→辩”程序设计能力培养模式

在人工智能时代，学生如何学以及教师如何教？如何发挥学生在教学中的主导地位？如何践行师生和人工智能合作与协作？这些都是值得深入思考的问题[6]。以学生为主导的“AI+教师”支架式“探→用→创→辩”培养模式如图1所示。

该模式充分发挥学生的主导地位，在AI技术时代，学生对知识的获取已经转变为对知识的探索，在探索阶段，教师推送知识图谱，激发学生探索知识的欲望，学生在AI的辅助下，随时随地访问丰富的学习资源，快速查找信息，高效地获取所需知识；AI还会引导学生提问，改变学生不会问、不敢问、不懂问的学习状态，开阔学生的视野，深化其对知识的理解。在知识应用阶段，教师引导学生分析案例，AI则辅助学生发现知识的解题规律，从而更好地应用所学知识解决实际问题；在创新阶段，教师鼓励学生发现新的研究兴趣点，结合AI技术辅助学生产生新的思想火花和创新设计；在思辨阶段，师生辩论，AI辅助学生从多个角度对知识点形成全面的认识。

3 以学生为主导的AI+程序设计基础课程教学环节设计与实践

要充分发挥学生在教学活动中的主导地位，不是让教师围绕着学生教，也不是以学生为中心，更不是被教师牵着鼻子走，而AI也不是学生和教师沟通的桥梁，而是让教师和AI都成为学生学习活动中的助手。以AI+程序设计基础课程为例，课堂教学环节设计如图2所示。

由图2可知，在AI的支持下，课程贯彻“程序设计不间断，课内课外无停歇”的学习理念，学生在教师和AI的双支架辅助下进行个性化学习，既有明确的学习目标，又有及时提供帮助的学习助理，三者并驾齐驱。教师推出知识图谱激发学生学习兴趣，引导学生深入分析案例，并且监督学生加深对知识的理解，AI提供丰富学习资源，对学生的学习行为给予验证和评判，学生正是在这种双支架的辅助下，实现对知识的不断探索和创新。

以程序设计基础C第4章IF选择结构语句为例（结合石油工程专业教学），AI+“程序设计基础”课程以学生为主导的“探→用→创→辩”课堂教学实践如下。

1）课前（“探”：个性化预习——以知识图谱代替课程资源，依知识图谱自行探索知识）。

石油工程案例引入：通过元宇宙技术展示一个虚拟油井开采场景，提升专业知识背景。在虚拟场景中，可以看到石油的流动和储油罐的液位变化，还可以观察到工人们进行各种操作和维护工作，以确保油井的正常生产和安全。此外，元宇宙中的虚拟场景还可以模拟天气和海况的变化，如风、浪、潮汐等自然现象，以及石油泄漏、溢油等紧急情况。这些模拟场景可以帮助学生更好地了解和应对现实世界中的石油开采和生产问题，期间适当引入思政内容。

情境创设与问题：提出问题，钻井过程中根据地质数据判断是否需要调整钻头方向，如何通过编程实现基于某些条件自动调整钻头方向。

推送知识图谱，使用MindMaster软件生成用IF语句解决石油工程专业问题的知识图谱。

百度文心一言/ChatGPT的突出功能就是可以在海量信息中根据用户需求提炼精准信息，因此教师不必为学生提供大量课程资源，而是提供知识图谱，要求学生根据知识图谱利用百度文心一言/ChatGPT等AI系统进行知识的探索和自测，并把与AI互动的学习记录保留作为平时的成绩。该阶段将被动学习转变为主动学习，将灌输式预习转变为个性化预习，将知识的认知转变为知识的探索。

2）课中（90min）。

（1）教师讲解（20min“用”：根据知识图谱分层次渐进式专业案例，培养进阶思维）。

以油井开采为例，需要考虑几个因素是否继续开采一个油井：油井的剩余储量、当前油井的日产量、油井的开采成本、油的市场价格，基于这些因素，使用IF语句编程评估几个条件，决定是否有继续开采的必要性。这是一个简单的例子，实际的石油工程案例可能会更复杂，需要更多的变量和条件来评估。基本的思路是相同的：使用IF语句根据一组条件做出决策，将IF语句的格式和应用融入具体案例中。

程序设计的最终目的是解决实际问题，此时教师可以询问AI用更多IF语句解决石油工程实际应用场景，学生可以根据答复查阅相关专业资料自行设计代码，提高信息搜索能力和阅读能力，增长见识。

（2）教师引导（30min“创”：组织学生分组讨论竞赛知识和企业需求案例，培养AI思维）。借助文心一言/ChatGPT给出IF语句在石油工程学科竞赛和企业中的应用案例，帮助学生了解相关竞赛知识和企业需求。例如，在学科竞赛中，AI给出的案例：在钻井过程中，根据不同的钻井参数（如压力、温度、钻速等），需要选择不同的井控策略（如正常钻进、循环、关井等）。这时，IF语句可以用来根据实时数据判断并切换井控策略。在企业案例中，AI给出环保监测系统，该系统通过收集废气排放、废水处理等数据，并使用IF语句判断这些数据是否满足环保标准。如果超出标准，系统会立即启动应急处理措施，如调整处理工艺或增加处理设备，以确保公司的环保合规性。

学科竞赛案例中，可以看出IF语句在石油工程学科竞赛中扮演着关键的角色，是分析和解决问题的重要工具，企业案例展示了IF语句在石油工程实践中的重要性和应用价值。这不仅加深了学生对石油工程原理的理解力，还提高了编程和解决问题的能力。这些案例具有高度的开放性，鼓励头脑风暴，发挥创新思维。在该阶段，教师协助学生分组，相互讨论，共同协作，提高学生的课堂参与性。

讨论的结果可以直接在文心一言/ChatGPT界面编写程序，文心一言/ChatGPT会及时纠正错误，期间对各小组给出的方案进行评分，包括小组互评、教师评价、AI评分。评价和反馈是非常关键的，可以知不足而奋进。

（3）师生辩论，AI做裁判（30min“辩”：增强学生课堂主导地位）。只有通过充分的讨论和辨析，才能够使问题越来越明晰。通过辩论，师生可以充分地表达自己的观点和看法，同时也可以听取别人的意见和建议，从而更全面地了解事物的各个方面。

针对某些案例，开展师生间的互辩，用AI决定谁的方案更合理和更有创新性，在此阶段，教师不是传道授业解惑的导师，而是学生的对立面，与学生以同等身份进行问题的辩论，强化学生在课堂的主导地位；同时提高学生的提问能力、思考能力、表达能力，增强学生的勇气和自信心。

（4）自测试题（5min：巩固知识）。要求每个学生通过文心一言/ChatGPT出5道选择题自测，将自己的答案输入AI界面，AI自动测评，让学生把该测评结果截图保留作为平时成绩。

（5）AI总结（5min：整理+延伸）。利用AI记录和整理讨论成果，对本节课进行归纳、总结、评分、反思和延伸。

3）课后拓展学习。

教师利用AI布置课后任务，要求学生通过AI查阅资料、输入代码、AI测评，并截图保存与AI互动的记录作为平时成绩。鼓励学生进行更深入的搜索，如高校国际大学生程序设计竞赛（ACM）、游戏的编写；鼓励学生思考自己的职业规划和目标，以及如何将所学知识和技能应用于未来的工作中，激发他们对石油工程领域的热情和追求。当然学生自己也可以出题，让AI系统根据实际情况进行模拟和决策。这些学生自愿的拓展学习可视为加分项。

4 考核方式

根据教学环节设计与实践，在充分发挥AI的教学管理、互动、评分作用的基础上，考核以学生为主导的自主学习表现，评分标准见表1。

5 实践成效

与AI的互动教学是快乐的，实践证明，学生有更好的学习体验，在更轻松愉快的氛围中学习，代码量不断增加，代码质量不断提升，程序设计更加合理，见识面更广，参与度更高，动手能力和创新思维、批判性思维得到了全面提升。表2为学生满意度调查情况。

6 结 语

AI技术不仅协助教师开展创造性工作，减轻工作负担，还可以帮助学生更高效地学习，减少无效的学习和搜索时间。在人工智能教育时代，还要进一步鼓励师生学会和人工智能合作与协作，进一步推动和深化学校教育数字化转型。

基金项目：2023广东石油化工学院教学质量工程项目“‘程序设计基础教研室’”（广油教[2023]44号）；2023广东省高等教育教学改革项目“基于目标问题导向教学模式的‘学—析—研—用—创’五位一体贯通式程序设计能力培养模式”（粤高教[2024]9号）；2022广东省高校特色创新项目（自然科学类）“复杂高可信系统安全性分析的多方法融合模型检测研究”（2022KTSCX084）；2024茂名市科技计划项目（茂科字[2024]25号）。

参考文献：

[1] 赖锦辉. 基于目标问题导向教学模式的程序设计类课程思政教学探索[J]. 计算机教育, 2023(5): 50-54.

[2] 赖锦辉. 以计算思维能力产出为导向的程序设计类课程教学改革[J]. 工业控制计算机, 2022, 35(7): 167-168.

[3] 焦建利. ChatGPT助推学校教育数字化转型: 人工智能时代学什么与怎么教[J]. 中国远程教育, 2023(4): 138-141.

[4] 焦建利. ChatGPT: 学校教育的朋友还是敌人?[J]. 现代教育技术, 2023(4): 162-165.

[5] 焦建利. 学生和教师AI使用中的差异[J]. 中国信息技术教育, 2023(23): 178-182.

[6] 李薇, 黑新宏, 王磊, 等. 面向T+型能力培养的计算机类专业人才培养模式改革与实践[J]. 教学研究, 2023, 46(1): 66-73.

引用格式：赖锦辉. 以学生为主导的AI+程序设计基础课程“探→用→创→辩”教学[J].计算机教育,2024(9):17-22.

文章头图由“智谱清言”绘制而成。

（完）

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