大模型時代背景下程序設(shè)計(jì)課程層次化教學(xué)探索與實(shí)踐

摘要：隨著大模型時代的來臨，傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方法和手段正面臨著深刻的變革。文章探索了大模型時代背景下程序設(shè)計(jì)課程的層次化教學(xué)，將課程內(nèi)容劃分為入門層、基礎(chǔ)層和實(shí)踐層共三個認(rèn)知層次，并利用大模型技術(shù)輔助各層次教學(xué)實(shí)踐，同時結(jié)合各層次教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)融入課程思政，使學(xué)生能更加主動地利用大模型技術(shù)提高學(xué)習(xí)效果。設(shè)計(jì)了多元過程化考核方案，實(shí)踐結(jié)果表明，此教學(xué)模式不僅能提高學(xué)生成績，還有助于學(xué)生將程序設(shè)計(jì)課程與各自專業(yè)相結(jié)合并實(shí)現(xiàn)很多有價值的案例，從而提高了計(jì)算思維的培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大模型；計(jì)算思維；過程考核；程序設(shè)計(jì)；思政

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）05-0135-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

隨著人工智能（AI） 技術(shù)的飛速發(fā)展，大模型已成為當(dāng)今科技領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。2023年9月，聯(lián)合國教科文組織頒布了《教育和研究中使用生成式AI指南》，這一里程碑式的事件標(biāo)志著生成式人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正式得到了國際組織的認(rèn)可與指導(dǎo)。與此同時，中國的教育部門也提出將人工智能技術(shù)深入教育教學(xué)和管理的全過程、全環(huán)節(jié)，并研究其有效性、適應(yīng)性。在這一背景下，程序設(shè)計(jì)課程也迎來了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

大模型一方面為程序設(shè)計(jì)課程提供了豐富的教學(xué)資源和手段，另一方面也為學(xué)生提供了全新的學(xué)習(xí)平臺，使其能夠在與機(jī)器的交互中，更直觀地理解編程邏輯并提升編程技能。然而，大模型的應(yīng)用也給程序設(shè)計(jì)課程帶來了不小的挑戰(zhàn)：首先，如何將大模型技術(shù)融入傳統(tǒng)的教學(xué)體系并確保新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合，這是一個復(fù)雜的實(shí)踐過程；其次，學(xué)生可能會過度依賴大模型工具而忽視對基礎(chǔ)編程知識和技能的掌握。此外，大模型生成的代碼雖然高效，但是其缺乏正確性的驗(yàn)證，可能導(dǎo)致學(xué)生缺乏獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。因此，如何充分利用大模型的優(yōu)勢并克服其可能帶來的負(fù)面影響，是一個需要在實(shí)踐中深入探索的問題。

許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了多方面的有益探索。一些研究人員將多模態(tài)教學(xué)資源與大模型相結(jié)合來增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，助力學(xué)生的知識獲取、能力提升和價值塑造[1]。針對編程教學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)，一些學(xué)者提出了基于大模型的個性化解決方案[2]。還有一些學(xué)者通過人工智能對話機(jī)器人在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的探索與實(shí)踐，為教育者和學(xué)習(xí)者提供了新的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)[3]。一些教育工作者提出了基于大模型和知識轉(zhuǎn)化模型的實(shí)踐教學(xué)模式，以提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)和創(chuàng)新思維[4]。這些探索工作展現(xiàn)了大模型在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的潛力和初步應(yīng)用成果。為了更加系統(tǒng)性地利用大模型培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，本文設(shè)計(jì)了層次化的教學(xué)模式，并且在每個層次融入課程思政，使得學(xué)生能夠更加主動地利用大模型技術(shù)提高學(xué)習(xí)效果，設(shè)計(jì)了一種多元過程化考核方案，以全面、客觀地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和能力提升情況。

1 大模型輔助程序設(shè)計(jì)課程層次化教學(xué)

隨著大模型技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)已經(jīng)難以滿足新時代的需求，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和實(shí)踐能力，本文構(gòu)建了一個層次化的教學(xué)框架，包括入門層、基礎(chǔ)層和實(shí)踐層，如圖1所示。入門層主要介紹計(jì)算的本質(zhì)與文化，基礎(chǔ)層介紹程序設(shè)計(jì)語言的基本語法和常用算法設(shè)計(jì)思路，實(shí)踐層介紹面向?qū)ο螅浖こ痰葟?fù)雜程序設(shè)計(jì)方法。這個框架不僅體現(xiàn)了循序漸進(jìn)的教學(xué)原則，而且充分考慮了大模型技術(shù)在不同教學(xué)階段的應(yīng)用方式。這樣的層次化教學(xué)，不僅能夠讓學(xué)生逐步從對編程的初步認(rèn)識過渡到熟練掌握編程技能，還能夠引導(dǎo)他們在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新。下面將詳細(xì)介紹這個層次化的教學(xué)框架及其在各階段的教學(xué)目標(biāo)和大模型應(yīng)用方式。

1.1 入門引導(dǎo)：大模型輔助代碼理解

在入門階段，教師可以通過詳細(xì)分析溫度轉(zhuǎn)換這樣的典型案例，使學(xué)生迅速了解程序設(shè)計(jì)語言的基本語法特征并能夠模仿編寫一些簡單程序。在此階段，學(xué)生經(jīng)常會遇到各種錯誤，這些錯誤主要是一些常見的語法錯誤，例如將西文逗號寫成了中文逗號、縮進(jìn)沒有對齊、括號不匹配或者缺少某些語法標(biāo)記等。雖然編譯器會針對這些語法錯誤給出提示，但是由于提示有時不是很精準(zhǔn)，因此還是會給學(xué)生帶來很大的困惑。

這時大模型就能起到很好的輔助查錯和解釋的作用，從而能夠迅速幫助學(xué)生掃清語法上的學(xué)習(xí)障礙，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)編程習(xí)慣。對于初學(xué)者而言，另一個問題就是其對代碼的理解不是很透徹，這時大模型可以為程序生成每一行代碼的詳細(xì)注釋，從而幫助學(xué)生理解代碼的含義和執(zhí)行流程，為下一步的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。在編程的入門教學(xué)中，雖然大模型等先進(jìn)技術(shù)工具能夠提供有力的輔助，但教師的引導(dǎo)作用仍然不可或缺。學(xué)生最初對計(jì)算機(jī)的理解可能僅僅停留在“一種高科技工具”的層面，此時教師的首要任務(wù)便是引領(lǐng)學(xué)生深入了解計(jì)算機(jī)的本質(zhì)和發(fā)展[5]，包括圖靈提出的計(jì)算機(jī)理論模型——圖靈機(jī)，到馮諾依曼基于圖靈機(jī)提出的計(jì)算機(jī)物理模型，再到第一臺通用電子計(jì)算機(jī)INIAC的誕生。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的性能越來越強(qiáng)大，并且影響到人類社會的每一個角落，在這一過程中，中國的計(jì)算機(jī)技術(shù)也經(jīng)歷了從追趕到超越的歷程。例如，中國自主研發(fā)的超級計(jì)算機(jī)“天河一號”和“太湖之光”很早就已超越了歐美的同類產(chǎn)品。將這些案例融入教學(xué)，不僅能幫助學(xué)生更深入地理解計(jì)算機(jī)的本質(zhì)和發(fā)展，還能激發(fā)他們的愛國熱情，從而樹立科技報(bào)國的遠(yuǎn)大理想[6]。

1.2 基礎(chǔ)強(qiáng)化：大模型輔助代碼優(yōu)化

在入門階段了解了基本的語法語義之后，學(xué)生在基礎(chǔ)階段要通過更多的練習(xí)提高語用能力。在練習(xí)的過程中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生從代碼可讀性、時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度的角度優(yōu)化代碼。例如，在求解素?cái)?shù)時，可以將循環(huán)的次數(shù)從n 次降為log（n），統(tǒng)計(jì)數(shù)值串長度可以利用整除取模不斷累加的方式，也可以通過先轉(zhuǎn)化為字符串類型再求長度，或者其他通過減少循環(huán)次數(shù)提高算法執(zhí)行效率的方法等。隨著問題越來越復(fù)雜，解題的方式也越來越多，教師要鼓勵學(xué)生嘗試不同的方法，盡量使得代碼簡潔高效。在嘗試的過程中，學(xué)生遇到的問題也會越來越多，之前在入門階段這些問題主要表現(xiàn)為顯性的語法錯誤，在基礎(chǔ)階段它們主要表現(xiàn)為邏輯錯誤，往往更加隱蔽，會給學(xué)生帶來很大的困惑。大模型在這時能起到很好的輔助查錯和代碼優(yōu)化的作用，也能為學(xué)生提供更多的解題思路，這不僅有助于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維，也能夠幫助他們在實(shí)踐中積累編程經(jīng)驗(yàn)。

循環(huán)是學(xué)生在基礎(chǔ)層需要掌握的重點(diǎn)和難點(diǎn)。循環(huán)的執(zhí)行過程在精神層面類似于精益求精和追求卓越的工匠精神。為了避免學(xué)生過分依賴大模型而缺乏獨(dú)立思考，教師在教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成精益求精、追求卓越的態(tài)度，不斷優(yōu)化代碼邏輯，力求以更加簡潔高效的算法解決可計(jì)算問題。以求π為例，首先介紹中國古代科學(xué)家祖沖之采用割圓術(shù)的方法經(jīng)過多年的努力將π的計(jì)算精度精確到小數(shù)點(diǎn)后面7 位，這在當(dāng)時是非常了不起的成就。其次介紹蒙特卡洛方法，它利用概率統(tǒng)計(jì)近似求解不規(guī)則面積比例進(jìn)而得到π值，這種方法體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)解決問題方式的特點(diǎn)，即通過不斷地枚舉、計(jì)算和驗(yàn)證來解決復(fù)雜計(jì)算問題。蒙特卡洛方法利用隨機(jī)數(shù)進(jìn)行模擬，其計(jì)算精度在求解過程中會有波動，但是隨著樣本量的增大，結(jié)果會逐漸趨近于更加精確的值。雖然這兩種方法的計(jì)算過程不同，但都體現(xiàn)了一種精益求精、追求卓越的工匠精神。只有具備了這樣的精神，學(xué)生才有強(qiáng)大的內(nèi)驅(qū)力利用大模型不斷地優(yōu)化代碼，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)方法，從而更好地培養(yǎng)創(chuàng)新思維和計(jì)算思維。

1.3 實(shí)踐應(yīng)用：大模型輔助代碼實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說，學(xué)習(xí)的效果一般只能是解決一些數(shù)學(xué)計(jì)算問題或者實(shí)現(xiàn)一些簡單的應(yīng)用。但是在大模型時代，有了大模型的輔助和引導(dǎo)，學(xué)生可以克服更多的困難，解決一些復(fù)雜的應(yīng)用問題。例如，在人物拼圖游戲這一相對復(fù)雜的編程案例中，大模型發(fā)揮了重要的輔助作用。根據(jù)案例需求，大模型首先將項(xiàng)目分解為界面設(shè)計(jì)、碎片處理、拖拽交互和驗(yàn)證邏輯等功能模塊，并且為每一個模塊提供了實(shí)用的代碼片段和示例，使學(xué)生能夠迅速掌握并實(shí)現(xiàn)所需功能。特別是在界面設(shè)計(jì)和拖拽交互上，大模型的引導(dǎo)讓學(xué)生輕松創(chuàng)建了交互友好的游戲界面，并實(shí)現(xiàn)了流暢的拖拽操作。在驗(yàn)證邏輯方面，大模型不僅提供了傳統(tǒng)方法，還啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用圖像識別技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新驗(yàn)證。最后，大模型還協(xié)助學(xué)生進(jìn)行全面的測試和調(diào)試工作，以確保游戲的穩(wěn)定性和娛樂功能。在大模型的輔助下，學(xué)生們不僅順利地完成了游戲開發(fā)工作，還收獲了寶貴的編程經(jīng)驗(yàn)和技能。

雖然大模型能夠提供強(qiáng)大的輔助功能，但是學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中，仍然會面臨很多的困難，這時要想成功地解決問題就需要有堅(jiān)韌不拔和持之以恒的精神。函數(shù)是將復(fù)雜問題簡化處理的重要手段，而遞歸是函數(shù)的高級應(yīng)用。遞歸的執(zhí)行過程類似于人的探索和研究過程，二者都需要不斷地遞推分析，直到找到最底層問題的答案，然后逐層回溯以解決頂層的復(fù)雜問題。遞歸在實(shí)現(xiàn)的過程中，由于每次遞推都要保留上一層調(diào)用函數(shù)的參數(shù)、變量和返回值地址等數(shù)據(jù)，因此會消耗大量的時間和空間。雖然有些問題可以通過非遞歸的方式來實(shí)現(xiàn)，但是有些復(fù)雜的非線性遞推問題只能通過遞歸來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在實(shí)踐應(yīng)用中遇到困難的時候，要發(fā)揮類似遞歸這樣的鉆研精神，通過層層分解，將復(fù)雜任務(wù)分解為小任務(wù)，并且利用好大模型的輔助實(shí)現(xiàn)功能，在實(shí)踐中不斷提高分析問題和解決問題的能力。

2 多元過程化考核評價

在大模型時代背景下，程序設(shè)計(jì)課程的層次化教學(xué)顯得尤為重要，而多元過程化考核則是確保這一教學(xué)模式有效實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如表1所示。首先，通過多元過程化考核，教師能夠分階段地檢驗(yàn)學(xué)生在不同教學(xué)層次中的學(xué)習(xí)成果，從而及時調(diào)整教學(xué)策略，確保各層次教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。其次，多元過程化考核有助于促進(jìn)大模型在教學(xué)中的有效應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際操作中提升其編程能力。再次，定期的考核和反饋機(jī)制能持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，培養(yǎng)他們的自我管理能力。同時，全面的考核內(nèi)容使得教師能夠準(zhǔn)確評估學(xué)生的綜合素質(zhì)，為個性化教學(xué)提供依據(jù)。最后，多元過程化考核在實(shí)現(xiàn)立德樹人教育目標(biāo)方面也發(fā)揮著重要作用。通過對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的態(tài)度、合作精神和解決問題能力等方面的考核，教師可以有針對性地培養(yǎng)學(xué)生的理想信念、工匠精神和意志品質(zhì)。這種考核方式不僅關(guān)注學(xué)生的知識和技能掌握情況，更注重在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和品德修養(yǎng)。

多元過程化考核通過考查課堂參與度、作業(yè)完成質(zhì)量、階段測試成績、案例作業(yè)或項(xiàng)目開發(fā)成果以及期末考試表現(xiàn)等多個維度，全方位評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。在入門階段，考核重心在于學(xué)生對程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)概念和知識的掌握。進(jìn)入基礎(chǔ)階段后，重點(diǎn)則轉(zhuǎn)向?qū)W生對編程語言的理解和應(yīng)用能力。階段測試是檢驗(yàn)學(xué)生知識掌握情況的重要手段，通過定期的測試，教師能夠及時了解學(xué)生在不同階段的學(xué)習(xí)狀況，從而調(diào)整教學(xué)策略和重點(diǎn)。同時，學(xué)生在大模型的輔助下，可以更好地理解和掌握編程語言的語法和邏輯，提高編程的準(zhǔn)確性和效率。到了實(shí)踐階段，多元過程化考核更加看重學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新思維，特別是通過案例作業(yè)和項(xiàng)目開發(fā)來檢驗(yàn)學(xué)生解決問題的能力。期末考試則是對學(xué)生整個學(xué)期學(xué)習(xí)的全面檢驗(yàn)，如表1所示。

這種多元化的考核方式，不僅使學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有了明顯的提升，而且促進(jìn)學(xué)生將學(xué)到的程序設(shè)計(jì)知識與各自專業(yè)相結(jié)合，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，開發(fā)了很多具有實(shí)際應(yīng)用價值的案例和系統(tǒng)。例如，心理學(xué)專業(yè)學(xué)生充分利用所學(xué)的心理學(xué)知識和編程技能，在大模型的輔助下，開發(fā)了一個認(rèn)知性警戒作業(yè)模擬及績效測試系統(tǒng)，這個系統(tǒng)旨在模擬在不同警戒任務(wù)下的認(rèn)知負(fù)荷，評估個體在不同壓力環(huán)境下的反應(yīng)速度和準(zhǔn)確性，助力科學(xué)選拔與評估作業(yè)人員，促進(jìn)疲勞管理和健康監(jiān)控，具有很高的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。通過這一實(shí)踐過程，學(xué)生不僅加深了對認(rèn)知性警戒相關(guān)概念和理論的理解，更在實(shí)際操作中鍛煉了編程技能。大模型背景下的過程化考核不僅考查了學(xué)生的知識掌握情況，更重要的是，它培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際問題解決能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。面對系統(tǒng)開發(fā)中的種種挑戰(zhàn)和困難，學(xué)生們也展現(xiàn)出了不懈的探索精神和頑強(qiáng)毅力，這種品質(zhì)對他們的個人成長和職業(yè)發(fā)展都至關(guān)重要。

3 結(jié)束語

本文探索了在大模型時代背景下程序設(shè)計(jì)課程的層次化教學(xué)實(shí)踐，將大模型技術(shù)融入程序設(shè)計(jì)的各個教學(xué)環(huán)節(jié)，并通過多元過程化考核驗(yàn)證了其可行性及效果。實(shí)踐結(jié)果表明，該教學(xué)模式不僅提高了學(xué)生的計(jì)算思維，而且培養(yǎng)了他們的工匠精神和創(chuàng)新能力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來仍需進(jìn)一步探索大模型在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的潛力。在后續(xù)實(shí)踐中，將繼續(xù)優(yōu)化課程體系，拓展大模型的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步完善多元過程化考核方案。同時，也將重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生在新技術(shù)環(huán)境下的學(xué)習(xí)動態(tài)以確保教學(xué)模式與時俱進(jìn)，從而為學(xué)生的全面發(fā)展提供有力的支持。

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【通聯(lián)編輯：王 力】

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