人工智能賦能編程類課程的教學

關鍵詞：人工智能；編程類課程；教學改革；JavaScript程序設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）28-0137-03

0 引言

人工智能（Artificial Intelligence，AI） 作為一項快速發展的技術，已滲透到人們日常生活和工作的各個環節，包括個性化的購物體驗、新聞定制、醫療保健、智能家居和城市安保等。它為人們生活生產帶來了各種便捷的同時，也帶動了社會崗位技能需求變革[1]。2022年末以來，以ChatGPT為代表的通用人工智能技術在全球范圍內引發持續關注。ChatGPT作為一種大型多模態預生成式人工智能（Generated AI） 模型，可以支持圖片、文字、代碼、音頻等多模態數據輸入和輸出，具有包括學習、推理、解決問題、感知、語言理解等在內的各種能力[2]。最新版的ChatGPT4在律師考試中超過了90%的考生，GRE考試更是幾乎滿分通過[3]，這一驚人表現凸顯了AI 在學習和教育方面的巨大價值。

人工智能的迅猛發展為職業教育領域帶來了前所未有的機遇和挑戰[4]。在編程類課程的職業教育中，如何應用AI技術來構建創新的教學模式及增強學生的實踐能力、創新思維和競爭力，成為擺在教師面前的重要課題。本文將以JavaScript程序設計課程為例，探討該課程的教學現狀，并結合個人教學經驗，研究與探討如何利用人工智能技術賦能該課程的教學。

1 教學現狀

JavaScript語言是目前最常用的程序設計語言之一，也是計算機專業的一門核心課程[5]。傳統的JavaS?cript程序設計教學方法以教師和教材為中心，重點強調語法教學，而忽視問題導向的教學方式，導致學生在課程結束后感覺收獲有限。通過多年教學實踐，筆者發現編程類課程教學過程中可能存在以下問題：1） 人工智能技術已經快速滲透到各類前后端平臺，但目前課程未涵蓋相關內容，與行業趨勢脫節；2） 學生基礎知識和編程經驗上存在較大差異，滿足所有學生的需要成為一個挑戰；3） 傳統的灌輸式教學限制了學生獨立思考和提問的機會，忽略了培養學生的主動思考和主觀能動性；4） 課程對實踐性要求高，學生在編程和調試中會遇到各種語法或者邏輯問題，而教師在指導眾多學生時往往難以兼顧；5） 實踐項目較為陳舊，缺乏吸引力和創新性，導致學生參與不積極，也未能有效培養學生的創新和創造力；6） 代碼作業通常依賴教師人工審核，耗時又易受主觀因素影響。隨著在前端技術的快速發展和AI技術的廣泛應用，傳統的Ja?vaScript程序設計教學方法已不能滿足日益復雜化的技術要求和學生多樣化的需求。在此背景下，人工智能賦能編程類課程的教學研究和實踐顯得尤為重要。

2 教學內容的更新與優化

為了適應人工智能（AI） 在各個領域的廣泛應用，更新和優化編程課程內容變得尤為重要，以確保學生能夠掌握最前沿的知識和技能。

1） 確定新的教學目標。在基本理論知識點上，除了學習JavaScript語言的基本結構、函數、對象等基礎知識外，應加入AI的基礎知識，如數據預處理、機器學習、神經網絡和深度學習的概念，以便讓學生在學習JavaScript的過程中了解AI技術的基礎。在JavaScript 實踐教學部分，新增如何將JS技術與AI融合的內容，掌握如何調用現有的AI庫或者API接口實現簡單的圖像智能識別和自然語言處理。這要求學生不僅能寫出優雅的JavaScript代碼，還要能夠實現簡單的AI 功能。由于AI技術迅速演進，教學目標也應定期更新，以確保學生學習的知識和技能與時俱進。

2） JavaScript 與AI 庫的結合。引入各種AI庫、框架和工具，來設計新的實踐項目，以增強學生的實踐操作能力并激發他們的創新思維。具體來說，引入TensorFlow.js機器學習算法庫，為學生提供初步的實踐指導。學生可以在前端環境中實現AI模型的運行和應用，如構建簡單的在線圖像識別系統，通過上傳圖片即可自動識別常見物體的類型。這種實踐活動不僅讓學生掌握數據處理、特征提取和模型調用等關鍵技能，還激發他們對AI技術更深層次的探索興趣。

3） 增加數據處理和可視化的內容。隨著人工智能與大數據時代的來臨，前端采用可視化技術展示數據處理過程和結果的需求日益增加。課程引入JavaS?cript圖表庫Chart.js內容，結合AI技術，幫助學生進行有效的數據篩選和可視化處理。通過設計實際的項目，如構建展示學校學生信息的統計網頁，學生可以學習如何展示復雜數據，包括生源地的電子地圖和不同年齡學生數量的柱狀圖等內容。這不僅培養學生的數據意識和處理技能，也幫助他們理解數據在AI項目中的重要性和處理技巧。

3 教學方法的探索與創新

教師是專業技術教育和 AI 賦能教育的關鍵，也是人工智能思維、智能技術運用于新工科專業教育的主要實踐者[6]。在人工智能時代，教學模式正從以教師為中心逐漸轉向以學習者為中心，這一趨勢越來越明顯。

3.1 AI 輔助的個性化教學

在現代教育領域，AI技術的融合正在為個性化教學開辟新的路徑。通過使用AI輔助工具和學習系統，學生能夠更深入地參與教學過程，享受更加個性化和高效的學習體驗。這些工具也顯著減輕了教師的教學負擔，使他們能夠更專注于教學內容的創新和優化。

在編程學習中，使用如Visual Studio Code這樣的先進開發工具，可以高效地完成個性化教學工作。在代碼編寫階段，學生可以利用Visual Studio Code自帶的自動代碼補全和實時代碼提示功能，更流暢地完成編程任務。這不僅提高了編程的效率，還有助于降低學習初期的難度，使學生更快地進入狀態。在代碼審查階段，學生可以在Visual Studio Code中安裝Lint工具插件進行基本的代碼檢查，還可以借助AI工具，如Github Copilot或IntelliCode，進行更全面的代碼審查。這些工具不僅能對代碼進行語法、邏輯和性能檢查，還提供有針對性的反饋意見，幫助學生及時了解并糾正錯誤，從而培養良好的編程習慣。對于更復雜的編程任務，AI工具可以協助完成非核心知識點的任務。例如，在JavaScript程序制作網站過程中，通常需要使用HTML和CSS技術來編寫前端頁面。對于掌握程度差異較大的學生，可以使用如SketchCode這樣的開源工具，通過描述或草圖自動生成簡單的Web界面原型。這樣的工具可以減輕學生在HTML和CSS編程方面的負擔，使他們能夠專注于JavaScript的編程實踐。

AI在編程教學中的角色正變得越來越重要。線上AI 大模型平臺，如百度的文心一言或OpenAI 的ChatGPT，能提供全天候答疑，迅速解答學生學習中的疑問，進而提高其學習效率。當學生完成實踐任務時，還可以讓AI給出答案，進行自主代碼比對，這不僅幫助他們定位并改進自己的弱點，還能鼓勵他們不斷前進。隨著學生與AI的持續交互，這些平臺可以進一步分析學生所學知識與技能程度，為他們提供更加精確的學習建議和個性化的學習路徑。

3.2 AI 輔助的教學評估

教學評估不僅是檢驗學生學習效果的途徑，更是促進學生學習和進步的關鍵[7]。借助AI技術，教學評估可以變得更為高效和精準。

作業與項目是評估學生知識理解和技能掌握的核心手段。傳統的批改方式通常依賴于教師或助教對代碼進行手動審核，這不僅耗時，而且可能受到主觀因素的影響[8]。AI技術的進步提供了便捷的自動批改，包括自動化編程作業批改和綜合評價。使用如CodeGrade的自動代碼評審平臺，學生提交代碼可以被系統自動運行預設的測試用例，以驗證代碼的正確性和功能的完整性。這種方法確保了作業評估的準確性和效率。除了基本的正確性驗證，該平臺還能進一步指出錯誤點、分析代碼的執行效率和邏輯清晰度，提供關于代碼性能和健壯性的綜合評估，這對學生理解更高級的編程概念和最佳實踐非常有幫助。

在教學整個過程中，可以借助數據分析和機器學習工具來持續監測學生的在線學習活動，如網上的互動數據、測試成績、作業提交情況以及在線學習平臺上的行為模式。這些數據有助于識別學生對具體知識點的掌握程度，了解哪些概念他們理解得好，哪些需要更多輔導和練習。此外，機器學習算法還可以分析學生的學習習慣和偏好，如他們傾向于何時學習、學習某個主題所需的時間及完成任務時的效率。這些信息為教師提供關于學生的整體學習狀況、知識掌握程度和學習難點等詳細洞察，從而幫助教師更好地理解學生的學習情況，并根據每位學生的個體差異提供有針對性的教學反饋和建議，同時也為未來的高質量教學提供數據支持。

3.3 培養創新能力

借助AI技術培養學生的創新能力是現代教育的一個重要方向[9]。AI不僅提供了一個信息和知識的豐富來源，還能激發學生的創造力。因此，教育者應積極利用這些資源，為學生營造一個鼓勵探索、創新與學習的環境。

通過提供一系列多樣化的AI工具和平臺，學生不僅學習理論，還能體驗各種AI算法和技術。這種實際操作經驗使他們能更深入地理解這些技術的原理，并激發他們的好奇心和探索欲。例如，在講授JavaScript 程序設計網絡編程章節時，可選用日常生活中常用的聊天機器人作為案例。通過動手操作和聽講，學生可以了解聊天軟件的網絡通信原理和編程方法，這不僅增加了課程的趣味性，還有助于培養學生的創新思維和實際應用能力。

此外，通過設定與AI相關的創新項目，可以進一步鼓勵學生應用不同的AI模型和技術來解決實際問題。采用探究式教學法，引導學生主動參與問題發現和解決過程。例如，學生可以利用百度大腦等平臺提供的開放AI接口，通過JavaScript進行網絡調用，構建一個基于AI生成藝術、音樂或文本的網站。在實踐過程中，他們需要思考項目背后的設計邏輯、操作機制和可能的改進方向。教育者可以根據學生提交的軟件開發項目評估學習進度、實用性和創新能力。這樣的方式不僅可以反映學生的技術掌握程度，還能鼓勵他們探索更多創新的方法和應用。學生還可以嘗試設計在線代碼審核工具，利用如TensorFlow.js等AI工具庫來建立和訓練模型，實現自動檢測JavaScript代碼中的常見編程錯誤。這種從使用工具到開發工具的過程，可以全面提升學生的編程能力和創新思維，幫助他們更好地將AI功能融入Web開發中。

AI教學內容與行業需求及最新技術趨勢保持一致，通過將課堂中的AI創新成果展現于創新創業競賽，構成了一種極佳的實踐途徑。例如，在作者執教的JavaScript程序設計課程中，就有學生利用所學的編程和AI技能，自發組成團隊，共同開發了一個基于人工智能的芯片表面缺陷檢測系統，并在浙江省第十八屆“挑戰杯”大學生科技作品競賽中榮獲銅獎。參與創新創業競賽的過程不僅讓學生將創新想法和技術付諸實踐，還為他們提供了與行業專家和其他創新團隊交流的機會。這種交流不僅提供了寶貴的反饋，幫助學生完善項目，還拓寬了他們的視野。

4 實施效果

對兩屆兩個班級學生的JavaScript程序設計授課情況進行了統計和對比分析，筆者發現了幾個顯著的進步點。1） 引入與當前技術熱點相結合的教學內容顯著提升了學生的學習興趣。通過對比兩屆學生的課堂參與度和作業提交情況，我們注意到當課程內容與實際應用場景更加緊密結合時，學生的參與度明顯提高。例如，講授使用Cursor工具進行代碼審查和自動代碼編寫時，學生的課堂互動頻率和作業提交率均有所增加。2） 學生對新教學方法的反饋積極。在與學生的交流過程中，他們高度認同和積極支持JavaScript與AI技術的結合。學生普遍表示，這種教學方式不僅增加了課程的趣味性，而且在理解新技術和解決實際問題的能力方面，也為他們提供了更多的幫助。這表明，將理論與實踐相結合的教學模式更能激發學生的學習熱情和創新思維。3） 學生的作業完成率和質量也得到了顯著提升。相比上一屆學生，作業完成率提高了11%，整體作業質量同樣也有所提升。這不僅反映了學生對新教學內容的接受度和興趣，也在一定程度上減輕了教師在作業指導和批改方面的負擔。在期末考試成績方面，也有了明顯的提升。與前一屆學生相比，這兩屆學生的平均分和最高分均有所增加，這說明新的教學方法和內容對學生的學習成果產生了積極影響。4） 在課程結束后進行的“學評教”中，學生對這門課程的整體評價比上一屆高出3%。這個結果表明，學生對新的教學內容和方法有更高的滿意度。總的來說，通過這次教學內容的更新和教學方法的改革，不僅提高了學生的學習效率和興趣，也增強了他們對新技術的理解和應用能力。

5 結論

本文探討了在人工智能（AI） 技術日益發展的背景下，如何利用AI賦能JavaScript程序設計課程的教學。通過對教學內容的更新、AI輔助個性化教學、AI 輔助教學評估改革以及培養學生創新能力等方面的探索和實踐，成功地將人工智能技術融入教學實踐中。這一融合不僅豐富了課程的教學內容，還為學生提供了更加實用和創新的學習體驗，證明了AI賦能教育在現代教學中的巨大潛力和價值。隨著技術的不斷進步，期待AI 在教育領域中的持續深入和廣泛應用。