人工智能視域下程序設(shè)計課程的創(chuàng)新教學(xué)實踐

朱凌

（浙江財經(jīng)大學(xué) 信息管理與人工智能學(xué)院，浙江 杭州）

在財經(jīng)類高校中，如何讓程序設(shè)計此類技術(shù)類課程變得生動、有趣，而且還能讓學(xué)生感受到時代的發(fā)展，是一個非常值得研究的問題。根據(jù)我們課前的調(diào)研，傳統(tǒng)觀念上，學(xué)生在財經(jīng)背景下往往傾向于學(xué)校其他管理類強勢學(xué)科的學(xué)習(xí)。即使本身是人工智能專業(yè)、計算機專業(yè)、信息系統(tǒng)與信息管理專業(yè)、軟件工程專業(yè)或其他理工類專業(yè)的學(xué)生，和其他理工類院校相同專業(yè)的學(xué)生相比，其具備的理工類學(xué)科的敏感度和抽象思維能力相對較弱，與人工智能時代的發(fā)展相距甚遠(yuǎn)。但是，從國務(wù)院在 2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和教育部2018年提出的《教育信息化》文件中我們獲知，要全面提高全社會對人工智能的整體認(rèn)知和應(yīng)用水平，就必須加大人工智能的科普與推廣的輻射力度，而開展形式多樣的人工智能科普活動則顯得尤為必要[1]。

由于程序設(shè)計課程的授課對象是信息技術(shù)類專業(yè)低年級學(xué)生，一般是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后最為基礎(chǔ)和骨干的專業(yè)課程。由于學(xué)科的特殊性，其知識構(gòu)造往往十分的抽象。由于沒有前期知識鋪墊，對于長篇累牘的代碼設(shè)計，學(xué)生常常感覺抽象晦澀，抱怨吃力難懂，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶。此外，本課程的學(xué)習(xí)難度又比同時期的其他課程都更大，而所承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)和教學(xué)考核手段，相對于同校的其他學(xué)科來說則更為嚴(yán)謹(jǐn)與嚴(yán)格。所以，在本課程的講授過程中，無論是在教師教的環(huán)節(jié)，還是學(xué)生學(xué)的環(huán)節(jié)中，都很容易陷入枯燥乏味的境地[2]。

因此，如何在人工智能背景下改革傳統(tǒng)的程序設(shè)計課程是目前亟待解決的問題。

一 創(chuàng)新教學(xué)方法的提出

所謂“人工智能+教育”，其重要載體是智能軟硬件程序設(shè)計教育。針對目前人工智能教育現(xiàn)狀，結(jié)合人工智能的發(fā)展趨勢，在程序設(shè)計教學(xué)中嵌入人工智能普及教育勢在必行。眾所周知，在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中，計算機和信息技術(shù)在許多工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于受到教學(xué)場地限制，或?qū)嶋H設(shè)備費用昂貴的約束，無法在教學(xué)實驗中讓學(xué)生得到較好的體驗。

為了緩解以上困境，并幫助學(xué)生更加切實地體會與理解實際工程應(yīng)用問題，編寫程序設(shè)計與操控實際工程系統(tǒng)，并更好適應(yīng)于人工智能時代的發(fā)展，我們針對程序設(shè)計課程提出了一套人工智能視域下的創(chuàng)新教學(xué)方法：（1）采用線上線下混合式教學(xué)模式，通過相應(yīng)的在線資源網(wǎng)站和可視化平臺，線上引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，線下指導(dǎo)學(xué)生完成項目設(shè)計；（2）搭建虛擬空間，適時融入人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的科技元素，設(shè)計虛擬仿真實驗項目進(jìn)行實踐分析；（3）精心設(shè)計項目內(nèi)容，大膽改革，合理設(shè)計，設(shè)置生動的場景教學(xué)，運用情景案例講授法、教具演示法、實驗體驗法、陶冶法、和游戲化的方式，改變以往傳統(tǒng)教學(xué)的死板；（4）注重課堂內(nèi)容與節(jié)奏的編排，通過啟發(fā)式、合作式、研究式等方式循序漸進(jìn)地組織教學(xué)，改變傳統(tǒng)課程的單調(diào)乏味感；（5）教學(xué)形式多樣化，以班級整體授課、小組合作討論，個體獨立研究等形式靈活穿插，將學(xué)生從被動變成主動，拋棄

以往配角的形式，改變?yōu)槌绦蛟O(shè)計課中的主角，提升其自主性學(xué)習(xí)的理念，以平等的身份共同參與進(jìn)整個教學(xué)過程中；（6）在教學(xué)實驗考核中，采用多元化的評價方式，將實驗程序代碼、實驗效果、分析結(jié)論、和小組討論相結(jié)合，并綜合平時的操作表現(xiàn)、與在線程序評判系統(tǒng)的實驗與測試成績以及平時作業(yè)成績進(jìn)行權(quán)重比例分配組合考核[3]。

二 教學(xué)實踐對象

（一） 專業(yè)與年級

在《程序設(shè)計基礎(chǔ)》等必修課程中進(jìn)行教學(xué)實踐時，主要面向信息管理與信息系統(tǒng)、計算機、人工智能、軟件工程、電子商務(wù)專業(yè)的低年級本科生；在《智能時代》等通識課程中教學(xué)實踐時，面向?qū)ο鬄槿＿x修人工智能課程群的各專業(yè)學(xué)生，不分年級，涵蓋了會計、財稅、工商、金融、經(jīng)濟、公共管理、數(shù)據(jù)科學(xué)、人文、藝術(shù)、法學(xué)、外語、信息與人工智能等全校各學(xué)院的文理科學(xué)生[4]。

（二） 基本知識和能力

本創(chuàng)新教學(xué)實踐主要用于專業(yè)必修課程《程序設(shè)計基礎(chǔ)》和通識課程《智能時代》的程序設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也可用于《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在針對信息技術(shù)類專業(yè)的低年級本科生實施教學(xué)時，要求學(xué)生掌握程序設(shè)計的基本原理和方法，能夠運用相關(guān)編程知識去設(shè)計實際工程應(yīng)用問題的解決方案；在單元操作實驗基礎(chǔ)上，具備綜合性實驗技能和分析能力。在針對其他專業(yè)的本科生實施教學(xué)時，要求學(xué)生理解程序設(shè)計的思想和設(shè)計流程，體驗程序設(shè)計實踐案例，對人工智能等前沿信息技術(shù)有初步的認(rèn)識。

三 教學(xué)案例與分析

（一） 分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計

“分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計”是面向過程結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計三大控制結(jié)構(gòu)的第二大結(jié)構(gòu)，具有重要承前啟后的作用。由于順序結(jié)構(gòu)的程序只能實現(xiàn)計算和輸入輸出等簡單功能，但是，大多數(shù)應(yīng)用問題都是有條件限定的，順序結(jié)構(gòu)則無法完成判斷并選擇，所以，學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)非常有必要。分支結(jié)構(gòu)不同于順序結(jié)構(gòu)，它并非嚴(yán)格根據(jù)物理順序自上而下地執(zhí)行編程語句，而是按照一定的條件判斷去選擇執(zhí)行哪一個分支。分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的核心在于如何正確地分析程序流程，并構(gòu)造表達(dá)清晰邏輯合理的判斷條件，再根據(jù)不同的條件設(shè)置適當(dāng)?shù)姆种窂健７种ЫY(jié)構(gòu)的出現(xiàn)讓學(xué)生真正意義上接觸到程序設(shè)計，也為后續(xù)學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)[5]。

為了幫助學(xué)生更好地對工程應(yīng)用問題有感性直觀地認(rèn)識，我們在教學(xué)中采用虛擬仿真實驗，指導(dǎo)學(xué)生上臺現(xiàn)場操作，利用各個傳感器控制彩色燈的操作，進(jìn)行親身實踐，不僅增強了學(xué)生對工程應(yīng)用的體驗，而且能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心。

圖1 分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計虛擬仿真實驗

（二） 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計

“循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計”是本課程非常重要的部分。面向過程的程序設(shè)計有三大結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計是其中最復(fù)雜也是最核心的部分。循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計思想貫穿于本課程其他章節(jié)，如函數(shù)、數(shù)組、指針等方面的應(yīng)用，掌握好循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計技術(shù)對學(xué)好本課程至關(guān)重要。在教學(xué)中，我們模擬生活中大家熟悉的場景案例，將應(yīng)用問題簡化，吸引學(xué)生的注意力，采用演示為主、板書演示為輔的教學(xué)手段，設(shè)計實驗，指導(dǎo)學(xué)生引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計方案，寫出相應(yīng)的程序，并上臺現(xiàn)場操作演示實際應(yīng)用中霓虹燈帶的反復(fù)亮滅，親身實踐循環(huán)往復(fù)的過程，增強了學(xué)生對物理世界的理解，和對簡單工程應(yīng)用問題程序設(shè)計方法的運用能力[6]。

圖2 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計虛擬仿真實驗

（三） 人工智能綜合應(yīng)用實驗設(shè)計

本知識點“人工智能綜合應(yīng)用實驗”在了解基本程序設(shè)計思想的基礎(chǔ)上進(jìn)行的程序設(shè)計提高實踐，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)設(shè)計一系列人臉識別、機器翻譯、物聯(lián)網(wǎng)控制等大約相關(guān)拓展實驗，為學(xué)生更加形象與深入理解智能時代的相關(guān)信息技術(shù)提供虛擬仿真的體驗，并激發(fā)出學(xué)生綜合運用和創(chuàng)新設(shè)計的能力。

在此綜合實驗的實踐教學(xué)中，我們利用樹莓派虛擬仿真平臺，引導(dǎo)學(xué)生利用傳感器、攝像頭、顯示器等物理設(shè)備以及相關(guān)計算機元器件進(jìn)行交互式實踐，有助于學(xué)生在程序設(shè)計課程學(xué)習(xí)之外，對電子學(xué)、自動控制論、信息論、系統(tǒng)論、仿生學(xué)、語言學(xué)等多種學(xué)科有基礎(chǔ)的認(rèn)知與了解，幫助學(xué)生在人工智能視域下更加系統(tǒng)全面地掌握信息技術(shù)知識、提高編程實戰(zhàn)技能，并為后續(xù)人工智能課程的進(jìn)階學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)[7-8]。

圖3 人工智能綜合應(yīng)用（人臉識別）虛擬仿真實驗

四 結(jié)語

本文提出的人工智能視域下程序設(shè)計課程的創(chuàng)新教學(xué)實踐方法注重使學(xué)生在知識和能力方面有一定的掌握與內(nèi)化提升，其課程評價理念聚焦多元目標(biāo)體系，突出享受學(xué)習(xí)，符合新工科教育理念中使學(xué)習(xí)成為一種生活方式的要求，也順應(yīng)了人工智能時代人才培養(yǎng)的發(fā)展需求。

本方法結(jié)合人工智能等先進(jìn)前沿信息技術(shù)，采用計算機元器件以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等多媒體設(shè)計人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)類課堂實驗，支持課程多樣化的呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生對前沿科技的探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。將人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的科技元素融入教學(xué)實踐中是本創(chuàng)新教學(xué)方法中最有特色的地方，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中獲得饒有趣味的體驗，親身感受程序設(shè)計在各個領(lǐng)域的重要作用，不斷鼓勵學(xué)生與時俱進(jìn)，積極學(xué)習(xí)前沿科學(xué)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生在人工智能視域下產(chǎn)生工程研究的興趣。通過多輪教學(xué)實踐表明，本創(chuàng)新教學(xué)方法設(shè)對于程序設(shè)計類課程的改革與完善具有重要的現(xiàn)實意義。