智能教育背景下編程教學的困境、策略與趨勢分析

向程冠 王英 王東

關鍵詞：智能教育；編程教育；大規模個性化教學；混合增強智能；高等教育

1 引言

編程課程是高校計算機相關專業的重要核心課程之一，是學生學好專業技能的重要保障。國內外多數計算機類專業選擇在學生入學的第一學期開始教授編程，如C語言程序設計。在編程入門課程中，學生可以習得解決問題的技能、編程的基本概念與編程語言的語法規則，并初步學會運用編程語言解決問題[1]。一直以來，教授新手學習編程被視為計算機教育的七大挑戰之一[2]。據Bennedsen等人的統計，編程入門課程的平均學習通過率僅為67.7%，失敗率高[3]。隨著社會的進步，蓬勃發展的人工智能技術在推動教育深層次變革的進程中促進了教育新形態的產生，教育信息化向高階應用發展，加速了教育的結構性變遷[4]。研究者們將程序自動測評與反饋技術應用到編程教學中，雖然大大減輕了教師的工作量，但僅依賴于機器智能完成時間復雜度、空間復雜度及通過測試用例數目等方面的低階反饋，忽略了人類教師在推理、算法邏輯、語義理解及決策等方面的高階反饋。科學技術的發展必然引領教育人工智能由“支持智能”階段向人機協同的“混合增強智能”階段發展[5]，人類智能與機器智能協同的混合增強教育模式將成為編程教育的一種新趨勢。同時，人工智能+教育的新形態將有助于促進大規模個性化教學，探索與實踐大規模個性化教學也將成為編程教育的另一種新趨勢。

2 高校編程入門課程教學的困境

在高等學校計算機專業的編程入門教學中，教師面對剛從中學階段轉入大學階段的大學生，如何了解學生的知識背景、激發與保持學生的編程積極性、平衡規模化與個性化教學的矛盾、組織編程知識點的教學順序等一直是教師亟須解決的問題。

1）學情困境：對學生學前基礎情況了解不足

眾所周知，問題解決能力、邏輯推理能力與數學能力是學習編程的重要保障。問題解決能力主要包括問題理解能力、關鍵信息識別能力和解決計劃制定能力[6]。良好的邏輯推理能力有助于促進學生學習編程的認知能力。盡管數學能力與編程學習之間并不存在因果關系，但研究表明數學能力對學習編程很重要，數學能力與問題解決能力密切相關[7-8]。教授編程的教師只有充分了解學生的知識與能力儲備情況，才能制訂出有積極意義的教學計劃。因此，如何快速評估學生已具備的問題解決能力、邏輯推理能力與數學能力，成為編程授課教師面臨的首要問題。

2）動機困境：持續調動學生的編程積極性困難

一方面，學生在高中階段有明確的“升學”學習目標，大學階段存在學習迷航問題，導致缺失學習動機與動力。另一方面，編程學習的成功需要不斷努力，但大學生初學編程的動機與積極性不足，在面對學習困難時顯得力所不及[9]。因此，為了持續調動學生學習編程的動力與積極性，教師需要探索對應的教學策略。

3）函矢困境：大規模教學與個性化教學的矛盾

夸美紐斯在《大學教學論》中提出的標準化課堂成為工業時代的主流課堂形態，全班上著一樣的課，學生做著一樣的練習[10]，這樣的課堂形態有利于組織大規模教學。在以“學生為中心”的現代化課堂中，需要融入“因材施教”的個性化教學，編程教學更是如此。然而，面對人數較多的班級群體，教師陷入了函矢相攻的困境：一方面要檢查評測學生提交的大量代碼；另一方面要完成個性化的學習反饋，工作任務量艱巨，難以解決學生的認知需求和個體困難。

4）循常困境：編程知識點教學順序組織的自主性弱

一般而言，通過改進教學內容可提升教學效果[11]。大多數的編程教學教師對教學內容的順序組織循常習故，按教學大綱規定的教學順序組織教學活動，缺少革故鼎新的嘗試，自主性弱。在高校編程教育研究中，幾乎沒人提及知識點順序組織對教學效果的影響[12]。因此，在編程課程中如何組織知識點的教學順序，成為教師需要進一步探索與研究的問題。

3 高校編程入門課程教學的策略

教授新生學習編程并非易事，極具挑戰性[13]。在教學過程中，教師會嘗試采用多種教學方法與策略以期取得良好的教學效果，如干預策略、協作策略、游戲策略、做中學策略、智能輔助策略等。

1）干預策略

在編程入門課程教學中，翻轉課堂與混合式教學是常用的教學干預策略。翻轉課堂是基于傳統課堂結構的一種教學新形式，有助于在編程教學中提高學生的成績，通常要求學生在課前完成視頻、文本或其他材料的學習，課上完成與知識點相關的作業、討論與質疑解答[14-16]。混合式教學不僅注重線上教學與線下教學的混合，更強調在“以學生為中心”的教學情境下教輔混合[17]。因此，混合式教學符合編程課程的教學要求，能有效提高教學效果[18-19]。

2）協作策略

編程教學的協作策略有結對編程、小組協作與人機協作等。結對編程是指兩個學生一起協作完成編程設計、算法與編碼，通常在線下編程授課中使用，由編程能力強的學生主導，通過相互幫助以促進學生的學習積極性[20-22]，有助于減輕教師的工作量，是許多高校在編程入門課程教學中常采用的一種教學策略[23]。結對編程的成功率取決于合作伙伴的貢獻[24]，需要合理安排結對成員。小組協作是一種基于人口學理論（如社會建構主義和社會認知理論）的相互協作方法，由兩名以上的學生一起完成編程任務。小組成員協作時，可以把規模較大的任務劃分為多個子任務派發給學生完成，也可自由分配編程任務[25]，從而促進學生積極參加小組活動[26]。人機協作主要指學習過程中學生與“弱人工智能”階段的機器之間的協作，由機器提供在線學習環境與智能輔導，為學生推送相關的數字化學習工具與資源，輔助學生完成自適應學習活動[27]。

3）游戲策略

基于游戲的教學方式專注于非娛樂的有趣學習，有助于教師向初學編程的新生傳授編程基礎知識的概念，以保持學生的學習興趣和動機[28]。在非游戲的教學情境中使用游戲元素，可增強學生的學習體驗[29-31]。

4）做中學策略

“做中學”由約翰?杜威提出，也稱邊做邊學策略，強調以學生為中心，體現了現代化教學中的一種新型師生關系[32]。學生在收集信息、思考和解決問題的活動過程中保持身心的活躍狀態[33]。在編程教學中采用“做中學”，需要鼓勵學生積極參加編程活動，積極反思其想法來學習如何編程[34]。

5）智能輔助策略

目前，多數高校在編程教學中使用了智能輔助系統（也稱為智能編程導師），由系統提供編輯和運行代碼的環境，并自動完成語法錯誤提示[35]，大大減輕了教師的工作量。智能輔助系統提供了編程題目的靜態測評與動態測評兩種方式：靜態測評主要從軟件度量（復雜性、注釋、代碼行數、運算符數量、操作數數量、變量數量）、程序風格、錯誤檢測、關鍵字檢測、抄襲檢測、代碼結構相似性分析[36，37]，通過計算學生源程序與教師給出的程序模板之間的相似度給出評分，即使代碼有語法錯誤，也可獲得部分分數；動態測評主要根據教師提供的測試用例（輸入）來評估學生的代碼是否輸出了預期的結果，按通過的測試用例數目給出分數，當存在編譯錯誤時，返回錯誤信息。

4 高校編程入門課程教學的趨勢

1）基于混合增強智能的“師-機-生”三元主體協同

察勢者明，趨勢者智。人工智能技術的發展必然促進社會的進步與發展，站在教育人工智能必然由“支持智能”階段向人機協同的“混合增強智能”階段發展的新趨勢下，機器智能在教育中地位逐漸凸顯，對教育產生了新的革命性影響，傳統教育活動中的“師-生”二元主體結構必然向“師-機-生”三元主體結構演化。人工智能+教育已經成為高等教育改革創新的新趨勢，混合增強的“師-機-生”三元主體教學模式作為智能教育的新形態，也將成為高等學校教育改革創新的一個重要方向。在高校編程入門課程教學改革中，構建新一代人機協同的“師-機-生”三元主體混合增強智能教學模式，融合機器在存儲、計算、搜索、優化方面的智能與人類在直覺、推理、決策方面的智慧，有助于促進精準教學，提升編程學習體驗。

2）規模化教學與個性化教學融合

以孔子為代表的儒家學說主張的“有教無類”“因材施教”，正是今天教育工作者們對實現教育均衡與培養拔尖創新人才的追求，創新人才的培養依賴“因材施教”“以學生為中心”的個性化教學。當下正處于后工業階段的規模化時代，個性化教學在價值取向上與工業“標準化”相悖，在實施過程中與規模化人才需求相悖，在教學建設中與統整性的資源供給系統相悖，在評價結果中與標準化測評相悖[38]。人工智能技術的發展，促進了規模化教學與個性化教學的融合，也有學者將這種融合稱為大規模個性化教學[39]。智能教育技術為大規模個性化教學提供了數據支持、資源支持、教學組織支持與評價支持，教師可采用基于混合增強智能的教學模式，借助機器智能的優勢，結合教師自身的教學智慧，在編程教學中探索大規模個性化教學的有效路徑。比如，在編程教學中采用翻轉課堂與混合式教學，線上完成知識點的教學，線下完成個性化的學習輔導，從而實施個性化精準教學。

5 結束語

在高等教育中，教授大一新生學習第一門編程課程具有較大的挑戰性。在教學中，及時掌握學生的知識背景與相關技能，持續激發與保持學生的編程積極性，平衡規模化與個性化教學的矛盾，研究編程知識點的教學順序組織，關注智能教育背景下編程教學的新趨勢，有助于提升教學效果，促進高校教學改革創新。在后續的研究中，我們將持續探索“師-機-生”三元主體協同的編程教學模型，以期在數字化時代為編程教學的應用研究提供參考。