數智驅動背景下程序設計類課程教學體系探討

［摘 要］本文探索數智驅動背景下程序設計類課程的教學體系問題，進一步證實了數據驅動決策在Python課程教學過程中的重要性。本文構建數據驅動下的Python課程的學生畫像，按照“發現問題—分析問題—解決問題”的論證思維公式，從知識圖譜、學生畫像、教學反饋三個視角探討程序設計類課程的研究進展，概括并揭示程序設計類課程具有“數智驅動化、畫像個性化、教學反饋化”的新特點。本文提出的“學生畫像多維度發現、作業推薦深層次推進、教學反饋差異化迭代”的認知框架，以及“數智驅動—畫像形成—迭代改進”的實現邏輯，有助于開展程序設計類課程的教學改革，為實現高質量教學提供了新的科學依據。

［關鍵詞］程序設計；數智驅動；學生畫像；目標導向；教學反饋

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2024.13.055

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）13-0181-06

0" " "引 言

高質量的發展離不開高質量的人才。黨的二十大報告指出，必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢。在這樣的背景下，我國高等教育以一流本科教育為抓手，大力開展高質量的高等教育建設。當前隨著人工智能技術的迅猛發展，如何在高校開展好程序設計類課程，是目前全國眾多高校都在思考和探索的問題。程序設計類課程是我國高校計算機專業和經管類專業都會開設的一門專業性強的課程，也是一門理論能力與實踐能力緊密結合的課程。在新時代下如何利用數據驅動來開展好這門專業性強的課程，同時提高學生的認知能力與實踐能力，是目前許多高校教師正在積極探索與實踐的內容。筆者所負責的專業為國家一流本科專業，且筆者長期任教計算機類和經管類專業的程序設計類課程，積累了豐富的教學經驗，通過構建數據驅動下的Python課程的學生畫像，從學生畫像、目標導向、教學反饋三個視角探討程序設計類課程的研究進展，概括并揭示程序設計類課程具有“數智驅動化、畫像個性化、教學反饋化”的新特點，這對高質量人才建設以及國家一流本科專業建設具有重要的理論意義和實踐意義。

1" " "我國程序設計類課程（Python）改革現狀

目前，我國程序設計類課程種類繁多，每種語言的特點和優勢也各不相同，因此，各個學校選擇的程序設計類課程也不完全一致。近年來，隨著人工智能技術和大數據應用的興起，Python程序設計類課程受到眾多高校的青睞。臧勁松[1]通過分析程序設計的教學現狀，討論如何有效地在程序設計課程教學中培養學生的計算思維問題。嵩天等[2]從計算思維的視角探討了程序設計課程教學改革實施路徑。劉杰等[3]針對程序設計類課程存在教學目標不明確、教學模式和教學方法陳舊以及教學評價標準單一等問題，提出應以OBE教學理念為核心思想對課程進行教學改革。具體而言，應以OBE理念制定教學目標，優化教學內容，采用線下線上混合的教學模式，構建可持續改進的考核評價體系，保證教學過程的良性循環。狄博和王曉丹[4]針對程序設計課程中存在的教學語言復雜影響教學效果問題，結合Python語言的特點，重點從教學內容的選擇、教學過程與方法兩個方面進行了設計與探討，提出了“理論教學融于實踐，實踐貫穿教學全過程”的教學過程設計，并提出了實時動態代碼操作演示的教學方法。余波等[5]從Python程序設計課程的實際教學出發，提出反向設計課程教學內容，構建課程思政素材庫，依托網絡資源平臺建設課程資源，采用混合式教學方法開展課程教學改革的方案。李金忠[6]也從融入思政元素的角度對程序設計課程教學進行了探析。冀全朋和嚴海升從項目教學模式入手，將Python程序設計課程內容劃分為“基礎類”“進階類”“開發類”三種類型的實驗項目，通過教學方式、實驗項目、考核評價進行教學改革，顯著提升了該門課的教學質量。如何把提高學生編程能力貫穿到課程教學中，提高學生的實踐能力，是越來越多的教師都在探索的問題[7-10]。與此同時，數智驅動[11-12]、用戶畫像[13-14]等新的研究元素也為一線教師提供了新的研究思路。

總體來說，各高校一線教師和研究人員對程序設計類課程進行了大量的研究和實踐，并取得了許多成果。然而，隨著人工智能技術的快速推進和大數據技術的傳播與推廣，程序設計類課程也面臨著新的問題與挑戰。與十年前相比，以“05后”為主體的大學生對科技的興趣更加濃厚，然而，城鄉大學生對于技術的了解基礎仍然存在巨大的差異。當前，“以學生為本”的理念正在深入推進，如何利用數據驅動，體現個性化的時代特點，同時通過教學反饋回路不斷迭代改善教學質量的新思路正受到高度的關注?；诖?，本文首先形成課程的知識圖譜，其次通過構建數據驅動下的Python課程的學生畫像，從學生畫像、目標導向、教學反饋三個視角探討程序設計類課程的研究方向，并結合程序設計類課程具有“數智驅動化、畫像個性化、教學反饋化”的新特點，最后提出了一些新的思路和策略，為實現高質量教學提供了新的科學依據。

2" " "數智驅動下的程序設計類課程教學體系

多年來，程序設計類課程一直是各高校理工類和經管類專業重點開展的一門必修課，從早期的Fortran、Basic、C、Java等語言，一線教師已經進行了大量的實踐與探索，并加入了許多新鮮元素，如計算思維的培養，課程思政元素的融入，評價體系的構建，教學方法的創新等。然而，隨著人工智能技術的加速演變，特別是大數據技術場景的不斷創新，程序設計類課程也急需新的教學方法體系的創新。筆者基于十五年的教學實踐，提出了新的課程教學體系，如圖1所示。

這個課程教學體系把教學活動分成三個階段，形成一種閉環結構，是一種基于迭代思想的教學反饋回路的教學體系。第一個階段，主要是構建程序設計類課程（Python）的知識圖譜。首先，構造Python課程的知識本體、教材本體，同時根據教學和目標本體，利用Protege軟件，對本體進行學習，對概念進行抽取和知識元的計算，采用關聯規則生成Python課程的知識圖譜。第二階段是構建程序設計類課程（Python）的學生畫像。首先基于Infomap社區發現算法對學生進行分類，其次根據學生的基本屬性、學習能力、學習習慣、團隊溝通四個維度構建學生畫像，呈現學生全面的特征信息，為后期智能推薦提供參考。第三階段是構建程序設計類課程（Python）的教學反饋回路。以往的學生作業和項目管理基本都是相同的，然而個體學生的學習能力和進階速度具有明顯的差異，根據已形成的學生畫像，進行差異化的作業管理和動態的項目管理，可以有效提高全班整體的教學質量。教學反饋回路將動力學仿真思路融入教學過程，通過不斷地教學反饋，逐步形成穩定的教學狀態，也為下一輪教學提供重要的數據支撐。

隨著Python課程知識圖譜的構建完成，筆者發現核心元素由流程控制、數據類型、函數、文件、Numpy、Pandas以及爬蟲等組成。這些知識圖譜有助于下階段用戶畫像的構建。

3" " "程序設計類課程（Python）的學生畫像構建

用戶畫像的定義最早于1998年由交互之父

Alan Cooper提出。它的核心思想是一種由用戶真實數據產生的虛擬畫像。具體而言，通過采集用戶真實的多重屬性，勾勒出用戶整體的特征，從而為用戶提供精準的個性化推薦服務[15-16]。目前，用戶畫像構建及推薦研究已經在社區領域和電商的智能推薦方面得到大量的應用。但在Python課程的學生畫像研究還不多見。整個學生畫像構建過程的如下：結合Python課程每周前的預習（會提前放置錄制好的學習視頻）與作業（課前作業）的完成情況，以及在線教學平臺課后作業完成情況，選取學生的個人基本屬性、課程學習指標特征、學習習慣特征和團隊協同特征作為刻畫學生畫像的重要特征。其中，個人基本屬性包括學生姓名，其他前置課程的學習成績，平均加權成績，專業排名；課程學習指標特征包括課后作業完成情況，課堂到課率，課堂互動情況，教師評分；學習習慣特征包括課前預習完成情況，課前作業完成情況；團隊協同特征主要包括大作業的完成情況，課堂參與度。

由于學生的學習過程是一個動態變化的過程，并非某一線性變量，基于此，以學生為研究對象，從時間維度關注學生學習質量的變化。定義第i個學生在第t周的屬性j的學習狀態為sij（t）=si1（t）， si2（t）， si3（t）， si4 （t）（i∈[M， N ]），N為班級的總人數，M為學校開班的最低人數；j∈[1， A]，A為屬性的總數；t∈[1， W ]，W為課程開課總周數。最后，采用層次分析法（AHP）計算各屬性權重，得到以下計算公式：

（1）

公式（1）中wk表示第j屬性代表的權重。以學生張三為例，結合上述信息的匯總及計算刻畫了第三周張三的學生畫像，如圖2所示。根據學生畫像中學生每周完成的情況，布置差異化的作業和任務。也就是說同一門課程，作業和任務也會有所區別，對于能力特別突出的部分學生，能夠通過學生畫像識別出來，并給予適當拔高的任務，這樣可以激發學生的興趣并提高其自身實踐能力。而對于基礎偏弱的學生，加強專業基礎訓練，能提高學生的自信心。

事實上，不同專業之間，甚至同一專業的每個學生個體都存在著差異，如何整體提高教學質量，實現差異化教學是一條值得探討的思路。目前，筆者所在的學校已經在數學、外語和計算機公共課實行了差異化分類教學。各個學院在制訂培養方案時，會根據自身專業特點自主選擇不同套餐中的課程。此外，筆者還對不同專業的授課情況進行了對比分析，結果發現實行差異化教學能夠有效避免過去全校每個專業所學公共課完全一致，且沒有對專業之間的差異性進行深入探討與研究的情況。

4" " "程序設計類課程（Python）的教學反饋回路構建

反饋回路最早在動力學領域被廣泛研究。Ovando[17]則構建了教學系統的反饋模型，并且指出反饋模型的教與學是兩個并行的回路。Nicol等人[18]提出了自我調整學習的模型。筆者在此基礎上，增加了不同目標導向的教學反饋回路，如圖3所示。

圖3的上半部分，形成了高階目標導向下的反饋回路。教師在每周教學過程中，可以利用動態變化的學生畫像，清晰地了解每個學生的動態學習情況，而大部分一線教師往往是在期中測試或者每章作業批改后才能得知學生的情況。采用不同目標導向的系統反饋回路，可以為教師提供學生每周的學習情況，也可以讓教師了解每個學生進步的情況。由于學生畫像每周都會進行調整，因此，針對高階的學生，則會安排具有挑戰性或者與學科前沿性有關的作業或課題任務，以此來激發前10%的學生，讓他們較早地接觸學術前沿或者本學科中較為高階難度的問題。

圖3的下半部分，形成了強基目標導向下的反饋回路。從初級學習者的角度，面對程序設計課程，仍然具有一定的挑戰性，特別是在大學入學前并未有過任何編程基礎，設計并調試一個具有一定難度的程序并非易事。那么，針對這一部分初學者，強基目標導向可以很好地為學生提供科學的學習路徑。根據提供的知識圖譜，學生可以在較為清晰的知識框架下進行自我學習與自我調整，這樣學生在整個程序設計的學習過程中，有“一覽眾山小”的感覺。當然有一部分初學者，在學習的前幾周屬于強基目標導向下的學習，但是由于自身學習能力很強，在幾周之后通過學生畫像，已經切換至高階目標導向下的教學反饋回路。因此，整個不同目標導向下的教學反饋回路是一個動態，而且是連續變化下的反饋路徑。最終的目標仍然是實現整個班級的高質量教學，它與之前無差異化下的教學反饋回路最大的區別，就是對學生個體實施實時的動態監測，并結合不同目標導向，實現差異化、個性化的教學。

在具體的教學過程中，筆者發現除了專業內部存在個體差異外，不同專業之間對程序設計課程的需求也存在很大不同，顯然，以往統一課程的教學已經不能很好地滿足當前的教學需求。除了結合所教專業，強化該課程與所教專業的聯系之外，如何設計不同的課程組合仍然是一件充滿挑戰的事情。所謂的課程組合是針對所教專業，設計一門或兩門信息類或計算機類的課程，而且兩門課程要存在進階的邏輯關系。

教師在每學期教學完成后還會有一個達成度的計算。在教學過程完成后通過課程達成度的計算，可以清晰地了解教師教學的最終效果，也為下一輪教學提供了強大的數據支撐，最終實現教師的迭代教學和教學質量的全面提高。當前，筆者所負責的國家一流本科專業建設試點正在全面推進，從目前實施的效果來看，數智驅動背景下程序設計類課程教學體系探討具有很好的理論意義和很強的現實意義，也有力地促進了該專業的高質量教學。

5" " "結 論

數智驅動已經成為當今時代的特點，以“學生為本”、數據決策、知識圖譜為核心的“數智教學”時代正在到來。已有研究較為深入地融入了課程思政、計算思維、OBE理念等新元素，新文科對程序設計類課程也提出了更高的要求。如何利用數據，探討數智驅動背景下程序設計類課程教學體系建設受到了一線教師和相關研究者的高度關注，各界對數智賦能教育也給予了高度的期待，然而這方面的相關研究尚處于探索階段，相關的體系研究和研究思路并未成熟。

本文通過梳理程序設計類課程的相關文獻，從知識圖譜、學生畫像、教學反饋三個視角探討程序設計類課程的研究進展，全面分析了數智驅動下的程序設計類課程教學面臨的新挑戰，發現了程序設計類課程具有“數智驅動化、畫像個性化、教學反饋化”的新特

點。按照“發現問題—分析問題—解決問題”的論證思維公式，本文提出了“學生畫像多維度發現、作業推薦深層次推進、教學反饋全方面迭代”的認知框架，以及“數智驅動—畫像形成—迭代改進”的實現邏輯，該路徑主要分成三個不同實施階段，首先形成Python課程的知識圖譜，其次構建數據驅動下的Python課程的學生畫像，最后形成Python課程的教學反饋回路，實施差異化、個性化動態教學管理。在后續研究中，將進一步針對不同專業對于課程的需求差異性進行合理和科學的課程設計，探索和實踐不同專業的課程組合優化，構建新的專業架構下的課程體系，從理論和方法上推動新文科下程序設計類課程的高質量發展。

主要參考文獻

［1］臧勁松.培養學生計算思維的程序設計課程教學［J］.計算機教育，2012（2）：78-80.

［2］嵩天，黃天羽，禮欣. Python語言：程序設計課程教學改革的理想選擇［J］.中國大學教學，2016（2）：42-47.

［3］劉杰，趙永強，劉晉鋼.基于OBE理念的“C程序設計”課程教學改革與探索［J］.教育理論與實踐，2022，42（3）： 61-63.

［4］狄博，王曉丹.基于Python語言的面向對象程序設計課程教學［J］.計算機工程與科學，2014，36（增刊1）：122-125.

［5］余波，羅莉霞，易晨暉.新工科建設背景下Python程序設計課程教學改革與實踐［J］.計算機教育，2021（11）：80-84.

［6］李金忠.有機融入思政元素的面向對象程序設計課程教學探析［J］.計算機教育，2021（7）：51-55.

［7］冀全朋，嚴海升. Python程序設計課程教學改革與實踐：基于項目教學模式［J］.西南師范大學學報（自然科學版），2021，46（11）：90-95.

［8］蘭聰花，何輝.“C語言程序設計”課程教學改革與實踐［J］.工業和信息化教育，2020（4）：29-32.

［9］楊榮領. 《Python語言程序設計基礎》課程教學改革實踐［J］.高教學刊，2019（3）：135-137.

［10］韓冰，劉翠煥，黃振華，等.人工智能時代下“Java程序設計”課程教學改革［J］.科技風，2021（33）：98-100.

［11］鄭榮，王曉宇，高志豪，等.數智驅動背景下產業競爭情報智慧服務的認知框架與實現邏輯［J］.情報學報，2023，42（7）：761-774.

［12］沈江，陳璐琳，潘婷，等.新工科背景下基于數據挖掘的學習軌跡分析［J］.天津大學學報（社會科學版），2023，25（6）：499-506.

［13］王大阜，鄧志文，賈志勇，等.多維屬性視角下學者用戶畫像構建及合作學者推薦研究［J］.南京師大學報（自然科學版），2023，46（3）：112-122.

［14］蘇冠賢，巫莉莉，肖華，等.基于用戶畫像技術的高校學生大數據分析模型研究［J］.教育信息技術，2023（增刊2）：130-133.

［15］高廣尚.用戶畫像構建方法研究綜述［J］.數據分析與知識發現，2019，3（3）：25-35.

［16］劉海鷗，孫晶晶，蘇妍嫄，等.國內外用戶畫像研究［J］.情報理論與實踐，2018，41（11）：155-160.

［17］OVANDO M N. Constructive feedback：A key to successful teaching and learning［J］. International Journal of Educational Management，1994，8（6）：19-22.

［18］NICOL D J，MACFARLANE-DICK D. Formative assessmentand self-regulated learning：A model and seven principles of good feedback practice［J］. Studies in Higher Education，2006，31（2）：199-218.