編程類課程“數智課堂”改革與實踐范式構建研究

摘要：融合了“人工智能、大數據”等先進技術的“數智課堂”為師生們提供了更好的教學互動和學習環境，目前“數智化”已成為課堂教學改革的主流方向。從“混合式教學模式”“智能教室建設”“課程評價方法”和“網絡課程平臺”等4個方面，探討了編程類課程“數智課堂”教學體系建設的途徑和建議。隨后，針對編程類課程的實踐教學特征，形成了“成果匯報式”“主題研討式”“實踐練習式”“答疑解惑式”和“情景模擬式”等五種不同形式的實踐范式，并給出了具體的實施方案。

關鍵詞：編程類課程；數智課堂；實踐范式；人工智能；實施方案

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0127-04

0 引言

隨著人工智能、大數據、物聯網等信息技術迅速改變著我們的生活和工作方式，系統背后的計算機程序員已經成為任何技術創新的基礎。時至今日，信息技術已經滲透到多個學科中，這些學科的專業人員需要具備最先進的信息技術與知識技能。因此，計算機編程技能是所有學科技術進步的核心，也是經濟增長和國家發展的必要技能。學習編程技術有助于提高學生的計算思維和解決問題的能力，編程類課程的教學已成為計算機人才培養和工程教育的重要組成部分。

計算機編程（例如：C/C++語言、Java、Python） 需要算法設計、數理邏輯和元認知能力。它要求學生了解編程語言的語法和語義，并通過使用它來創造性地解決實際問題。這就需要結合邏輯思維與創造力。一般來說，把一個新手培養成一名專業的計算機程序員大約需要若干年的時間。這種需要大量時間掌握的技能在很大程度上取決于求學者的內部動機。然而，學生在學習編程時經常面臨各種挑戰，例如：理解抽象概念和語言，掌握復雜的算法和數據結構以及調試代碼錯誤。這些挑戰需要通過長期的編程實踐來實現，最終達到課程的教學目標。只有通過實踐練習，學生才能真正掌握編程技能并提升自己的計算思維能力。通過各種編程練習和課程作業，學生可以不斷增強對編程知識的理解，加深對編程技能的掌握。

為了幫助學生掌握編程技能，國內外學者已經提出了許多教學方法，其中大多數[1-3]都在激發興趣和改善學習方面取得了成功。隨著人工智能的應用和普及，基于人工智能的“數智課堂”[4]已逐漸成為許多專業課堂教學的主要應用場景。“數智課堂”是由物聯網設備在互聯的基礎上構建的，這些設備將物理空間與數字空間相結合，可以為學習提供個性化的支持服務。黃煒[5]以數智技術支持下的語言學習、音樂教育、體育教育等方面的部分應用場景為切入點，探討數智技術賦能教育的應用價值、策略與挑戰。王佳和李臻穎[6]根據服裝設計與工藝專業課程特點，從教學目標、教學策略、教學評價等角度，提出了建設“數智化”課堂的實踐路徑。楊鵬[7]從網絡課程資源建設、網絡課程資源與課堂教學的有機結合、課程評價體系建設等3個方面，探討“數智技術”背景下基于智慧學習平臺的高等數學課堂教學改革的途徑和建議。但是對編程類課程而言，目前鮮有學者對其如何開展“數智化”課堂改革進行系統的研究。本文根據編程類課程教學的特點，從“數智課堂”教學體系的構建、實踐范式的設計和實踐教學實施等方面展開論述。

1 構建編程類課程“數智課堂”的教學體系

本文所提出的編程類課程“數智課堂”教學體系（如圖1所示），由基于“融合式教學”的混合式教學模式、基于“數智化技術”的智能教室、基于“大數據賦能”的全方位課程評價方法，以及一整套基于“人工智能技術”的課程網絡學習空間等部分所構成。

1.1 基于“融合式教學”的混合式教學模式

混合式教學是一種結合了MOOC、SPOC等在線教學與傳統教學兩種教學方法的新型教學模式，它既可以充分利用互聯網時代給現代教學過程帶來的便利，使教學更加自由、智能、共享和個性化，又可以在傳統課堂中對學生加以約束，能更好地掌握教學秩序與動態。在混合教學模式下，教學過程與教學數據相對于單一的在線教學和傳統教學相比，復雜度會有明顯提升。

在計算機網絡的支持下，智能教室中的攝像頭和麥克風等設備可以記錄大量的音頻和視頻數據。這些數據隱含著教師和學生的情感、行為、學習狀況等信息。其中，情緒具有較高的信息量價值，它可以反映教師的心理狀態和態度。認識和分析教師的情緒有利于在一定程度上捕捉教師當前的心理狀態、自我認同等信息。這項工作可以提供強大的數據支持教師優化教學話語和反思教學過程，增強教師情感表達能力，從而保證教師的專業發展。在智能教室中物聯網設備所記錄的海量數據，為“融合式教學”的開展提供了可能。

①“ 融合式教學”融合了人工智能、AR/VR等最新信息技術，基于一體化智能平臺設定學習產出目標，關聯多形態學習資源和海里數據，全過程智能支持、跟蹤，實時評價、呈現目標達成情況，并自動反饋、預警，保障課程標準有效落地和持續優化。

② 多元主體協同，在編程類課程教學中強化項目、任務、問題驅動，“線上下”“課內外”有機融合，構建情境、交互、體驗、反思為一體的深層學習場景，形成以學為主的成果匯報、情景模擬、主題研討、虛擬仿真、測評答題等多種“混合式”教學形態。

1.2 基于“數智化技術”的智能教室建設

建設基于人工智能和大數據的“數智化”智能教室，有助于教師轉變教學風格，運用新的教學策略，組織和管理學習，并獲取更為全面的教學信息來源。另一方面，在擁有智能教室和智能教學設備的學習環境下，學習也將變得更為“智能”。此外，移動設備和技術有助于學生擴展學習空間、時間和內容來提高他們的認知水平和學習興趣。智能教室可以創造一個新穎和舒適的學習環境，來分享新的想法、感知，并診斷和分析學生的學習過程。

在編程類課程的教學過程中，為了加強合作，了解每個學生的優勢和劣勢，教師往往會采用個性化的教學策略，這一策略的實施需要智能教室中大量教學數據的支撐。然而，智能教室的建設，需要教育機構裝備技術基礎設施、數字設備、軟件、教學管理系統、智能設計環境、工具、模型、應用和社交媒體，來滿足教學需求和學習需要。即便是教師，也很難擁有能夠整合這些技術和應用的所有知識和技能，設計出完善的課程內容和教學活動，來促進學生更高層次的思維能力，并增加其間的協作和互動學習時間。因此，理解“數智課堂”的本質，可以幫助教師設計便捷的教育環境和管理教學活動，以促進學生的學習，并提高學習成績。

① 應用人工智能技術，構建“全景式數據分析”“可視化結果呈現”的“智能教室”。通過“智能教室”，教師可以精準跟蹤學生的學習過程，客觀了解學生對于課程知識點的掌握情況；學生可以隨時獲得學習資源，自主安排學習進度。

② 構建教學大數據中心，整合在教學工作中，由教學設備、教學工具和教學平臺所積累的大量數據，通過數據挖掘與分析，實時呈現課程教學狀態、目標達成和教學評價狀態，助力教師及時調整教學策略，可視化分析教學成效，自動生成課程狀態記錄本，強化教學反思。

1.3 基于“大數據賦能”的全方位課程評價方法、

傳統教學模式中學生學習過程的評價分析，主要依靠教師的主觀印象和學生測試成績，缺乏全面客觀的數據支撐。隨著大數據技術的發展，可以實時采集記錄教學過程中教師和學生的所有行為軌跡，形成課程大數據。大數據并不是單純的數據量龐大，更重要的是大數據中所隱含的信息價值進行分析挖掘后可以更好地指導課程教學設計和實施。

① 為改變目前編程類課程考核方式較為單一的現狀，建立全方位教學考核體系，融合學習通、PTA等學習平臺數據，制定相應的考核成績結構標準和考核操作流程。

② 建立課程智能評價系統，實時向學生推送考勤、過程性考核和目標達成狀態等預警信息，助力學生自我約束、自我改進；向學校教學管理部門綜合展示課程教學狀態、教學評價等信息。定期推送周考勤、月考勤、學期考勤報表，便于開展課程教學科學評估，強化課程教學實時管理，提升課程評價的智能化水平。

1.4 基于“人工智能技術”的課程網絡學習空間

網絡學習空間是課程資源在內容、形式、結構以及更新機制上的有機結合。網絡學習空間資源構建是網絡學習空間發展的核心指向。與實體化的學習空間相比，網絡學習空間是利用現代信息技術、人工智能和計算機網絡構建的虛擬學習空間。

① 在教學過程中結合“智能教室”和“混合式教學”，將課程教學內容形成視頻等多媒體資源，供學生查閱學習，引導學生進行探究式學習，培養學生自主學習能力。

② 利用學習通、MOOC和SPOC等各類線上平臺，加強“網絡學習空間”建設，將課程的各類教學視頻、項目案例和課件資源分享到網絡平臺和移動終端上，形成一套適合線上教學的“云教材”“云班課”和智能評測系統，建立開放式課程體系，為社會上相關課程求知者學習知識提供便利。

2“ 數智課堂”下的編程類課程實踐范式設計

根據庫恩的定義，“范式”[8]是一個科學共同體成員所共有，是由共有的信念、價值、技術等要素構成的整體。通過對編程類課程組織形態的研究，剖析各課堂組織形式在重構編程類課程設計和教學活動設計上的共性與個性，總結當前已有探索的成功經驗和共性策略，建立不同課堂組織形態下的“數智化”編程類課程的實踐范式。

針對混合式教學和翻轉課堂改革現狀，自下而上，呈現改革行動者在實施改革時的行為特征，挖掘各種行為模式，以學生學習方式作為核心類屬，形成了“成果匯報式課堂”“主題研討式課堂”“實踐練習式課堂”“答疑解惑式課堂”“情景模擬式課堂”等五類“數智課堂”實踐范式。

1） 實踐教學的準備工作。為了達到課程教學目標，教師和學生需要完成學習前的準備工作：包括“數智課堂”所需的數字設備、學習和教學數據集，檢查教學工具和設備，確保網絡教學要素的準備就緒。

①數字設備：智能手機是否已安裝OMS等相關軟件，移動設備是否接入Internet。

②教學資源：教學視頻、教學課件和其他網絡資源，教師要為學生設計學習活動，激發其創新和學習興趣。

③教學方法：老師們可以和其他老師討論和分享教學方法、內容和資源。

④特征：一個配備了充足的實驗設備、投影儀、攝像頭、筆記本電腦和平板電腦等智能設備的“數智課堂”。

2） 實踐教學的組織形式。為了方便學生學習編程，許多學校引入了程序設計類實驗教學輔助平臺（PTA） 。基于網絡的實驗教學輔助平臺為計算機類專業學生提供了各種編程練習和項目任務，以幫助他們將理論知識應用于實際編程問題，從而提高他們的編程技能和熟練程度。因此，PTA已成為個人學習編程的一種流行方式。學生使用PTA的主要方法是在線提交編程作業。當學生提交編程作業時，系統會根據預定義的代碼自動編譯、運行和評估他們提交的測試用例，并提供評估結果。在PTA平臺上學習編程的過程中，學生需要結合PTA系統提供的反饋，多次完善他們的解決方案。在PTA系統內，學生的活動記錄：包括提交的源代碼、CPU運算時間和內存在代碼執行期間的使用量，以及代碼是否通過測試用例。通常，學生會對同一個編程問題進行多次嘗試，并且這些嘗試的提交記錄不會被刪除或覆蓋。由于系統會保存同一問題的多種不同的提交記錄。因此，PTA系統為分析學生的學習提供了豐富的數據來源。

3） 多樣化的“數智課堂”實踐范式。在現代教育體系中，教師們不斷探索和實踐著各種創新的教學方法，以期更好地適應學生的學習需求和個性化發展。在這一過程中，挖掘學生的行為模式成為教學改革的重要基礎。通過對學生的學習習慣、認知特點和互動偏好的深入分析，我們構建了一套多樣化的編程類課程“數智課堂”的實踐范式（如表1所示）。

這五類的“數智課堂”實踐范式，不僅豐富了教學手段，也為學生提供了多元化的學習體驗。通過這些不同的實踐模式，學生能夠在不同的環境中找到適合自己的學習方式，從而更有效地吸收知識，提高學習效率。教師在實踐中也不斷地反思和優化這些模式，以期達到更好的教學效果。

3“ 數智課堂”下編程類課程實踐教學實施方案

實施方案通常包括三個階段，即課前、課中和課后。

1） 課前。為了順利部署教學過程，教師不僅需要設計學習內容，還準備一個上機實驗室或用于在線教學的虛擬實驗室，并檢查學生的課堂出勤率。

在授課之前，老師可以通過智能手機組織課前測驗來檢查學生預習情況，或者使用視頻、數字媒體、問答來創建舒適的學習氛圍，激發學生的學習興趣。此外，教師還可以通過觀察或訪談來探究哪些內容是學生感興趣的，并在后續的課程中加以調整。

2） 課中。“數智課堂”的主要目的是提高學生的學習技能、改進學習方法、并端正學習態度。這樣，教師可以使用多種教學方法來構建一個活躍的教學環境來提高學生的能力。與傳統課堂不同的是，在“數智課堂”中，允許學生使用智能手機或者平板電腦。具體有如下幾種教學方式可供參考：

教師首先播放教學視頻或上機演示，然后學生使用平板電腦或其他設備與同學們一起練習。這種團隊合作促進學生間的溝通、解決問題的方法和批判性思維。

應用問題導向的教學方法：通過一段視頻、一張圖片或者一個案例，學生使用智能手機搜索信息，與同學討論并分享他們的意見，并最終給出該問題的解決方案。對于編程類課程而言，“問題”可以是完成一個算法設計、設計測試用例或者構建一個軟件的基本框架等。

教師使用應用程序和增強現實 （AR） 工具訪問對象、工件或媒體以了解更多信息，或者使用數字媒體、虛擬實驗室或智能手機上的應用軟件來支持教學。

在課堂中，師生間通過作業、回答問題、演示、解決問題，發送鏈接和文檔，進行了良好的互動，并有助于教師糾正學生在學生中出現的各種問題。此外，在線上教學中，教師為學生錄制視頻并上傳到學習通等網上教學平臺。同時，學生也可以在PTA上完成上機測試，以檢測課堂上知識的掌握情況。

3） 課后。這是一個鞏固學生知識的階段。在該階段，教師可以使用微課或慕課來總結上課的要點，并檢查學生的知識水平。學生復習所學內容并加以轉化，形成思維導圖和演示文檔，并上傳到學習通。對于課后作業，教師可以在PTA上布置題目集，并要求學生在規定的期限內完成。在課后，學生和教師可以通過釘釘、微信等工具進行交流、答疑解惑或發布課程通知。

此外，基于“數智課堂”，學校教學管理者（包括：教務處相關人員，教學督導、管理員等）也可以通過在線聽課等途徑，來管理、監督和評估教師的教學方法、內容和質量；學生的課程出勤率、課堂紀律和學習結果。

4 結論

“數智化”是高校課堂教學改革的發展方向，“數智化”教學資源讓教學內容及時更新迭代，能夠更好地服務于計算機專業人才的培養。“數智課堂”與“翻轉課堂”的有機結合，能夠有效激發學生的學習興趣和自主學習意識。編程類課程實踐范式的構建，讓編程課程實踐教學規范化、場景化，使學生解決工程實踐問題的手段更為豐富，從而提高學生的專業技能和創新能力。

參考文獻：

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[5] 黃煒.數智技術賦能課堂教學變革的實踐探索[J].現代教育，2023（4）：8-12.

[6] 王佳，李臻穎.基于“數智化” 的服裝設計與工藝專業課堂教學改革[J].紡織服裝教育，2023，38（1）：89-92，106.

[7] 楊鵬.基于“數智技術+” 智慧學習平臺的高等數學課堂教學改革研究與實踐[J].科技風，2023（34）：136-138.

[8] 林生佑，曾昊，徐芝琦，等.計算機本科教育多范式編程教學新模式研究與實踐：以浙江傳媒學院為例[J].計算機時代，2022（9）：132-135.

【通聯編輯：王 力】

基金項目：浙江省普通本科高校“十四五”教學改革項目（編號：JG20220685）