基于生成式人工智能的程序設(shè)計與教學(xué)實踐

【中圖分類號】G434【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B【論文編號】1671-7384（2025）06-072-02

生成式人工智能以其卓越的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)能力，正引領(lǐng)著一場教育領(lǐng)域的深刻變革。編程教育作為培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、創(chuàng)新能力和解決問題能力的關(guān)鍵一環(huán)，與生成式人工智能技術(shù)形成雙向驅(qū)動的協(xié)同生態(tài)，為學(xué)生提供更加直觀、互動和個性化的學(xué)習(xí)體驗。本教學(xué)案例聚焦“生活中的循環(huán)結(jié)構(gòu)”，通過生活化、實踐化的教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生深入理解循環(huán)結(jié)構(gòu)這一核心概念，強調(diào)“做中學(xué)”“學(xué)中思”，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)的實例，理解其背后的邏輯與設(shè)計。同時，注重培養(yǎng)學(xué)生的信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力以及信息社會責(zé)任，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，為未來適應(yīng)數(shù)字化社會奠定堅實基礎(chǔ)。

教學(xué)背景

本案例依據(jù)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》設(shè)計，緊扣高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，以立德樹人為指導(dǎo)，構(gòu)建貼合時代的學(xué)習(xí)內(nèi)容。案例創(chuàng)新性地采用項目設(shè)計思路，將“循環(huán)結(jié)構(gòu)”核心概念融入日常生活體驗，以生動、貼近生活的方式展開，突破傳統(tǒng)課堂局限，讓抽象的算法與編程概念變得直觀易懂。以“生活中的循環(huán)結(jié)構(gòu)”為主題，深入剖析循環(huán)結(jié)構(gòu)的定義、基本要素、算法表示、程序?qū)崿F(xiàn)與優(yōu)化等內(nèi)容。授課對象為高一年級新生，他們具備一定的問題分析與解決能力，對新事物、新技術(shù)充滿好奇與探索欲。學(xué)生前期已掌握順序結(jié)構(gòu)與分支結(jié)構(gòu)的算法框架，對循環(huán)結(jié)構(gòu)在生活中的應(yīng)用有初步感性認(rèn)知，但對描述循環(huán)結(jié)構(gòu)的算法及其具體實現(xiàn)尚缺乏深入理解，需進(jìn)一步探究學(xué)習(xí)。

基于此學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)情分析，筆者設(shè)定了相應(yīng)的教學(xué)自標(biāo)：理解循環(huán)結(jié)構(gòu)的定義與基本要素，識別并舉例說明循環(huán)結(jié)構(gòu)在生活中的廣泛應(yīng)用，感受信息技術(shù)與生活的緊密聯(lián)系（信息意識、計算思維）；通過問題分析與算法設(shè)計，認(rèn)識到循環(huán)結(jié)構(gòu)在解決重復(fù)性問題中的重要作用，培養(yǎng)運用信息技術(shù)解決實際問題的意識與能力（信息意識、計算思維）；學(xué)會運用AIGC大模型進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，初步理解Python語言中循環(huán)結(jié)構(gòu)的語法，能夠?qū)狙h(huán)結(jié)構(gòu)代碼進(jìn)行釋義和闡述，體驗人工智能技術(shù)在學(xué)習(xí)中的高效性和重要性（計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）；能夠根據(jù)不同的生活場景或項目需求，主動探究問題，設(shè)計出合理的循環(huán)結(jié)構(gòu)算法，解決生活中的重復(fù)性問題（計算思維）；通過參與真實或模擬的項目，將循環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于解決實際問題，體驗技術(shù)應(yīng)用的社會價值，增強社會責(zé)任感（信息社會責(zé)任）。

教學(xué)重點：循環(huán)結(jié)構(gòu)的定義和基本要素；根據(jù)不同需求，設(shè)計恰當(dāng)合理的循環(huán)結(jié)構(gòu)算法；運用AIGC大模型自主探究循環(huán)結(jié)構(gòu)的代碼實現(xiàn)。教學(xué)難點：根據(jù)需求設(shè)計合理的循環(huán)算法，并在AIGC大模型的輔助下實現(xiàn)算法。

教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)人新課

教師播放一段“智能門鎖”人臉識別的視頻，引導(dǎo)學(xué)生思考并說出：具有人臉識別功能的智能門鎖是如何工作的。預(yù)設(shè)答案：（1）攝像頭獲取人臉圖像；（2）將獲取到的人臉圖像與智能門鎖數(shù)據(jù)庫中的人臉圖像進(jìn)行對比；（3）根據(jù)對比結(jié)果做出不同的決策（如果檢測到數(shù)據(jù)庫中有相同人臉，則開鎖；否則，保持關(guān)閉狀態(tài)），重復(fù)執(zhí)行以上過程。引出主題：“生活中的循環(huán)結(jié)構(gòu)”。

設(shè)計意圖：以生活中的真實案例創(chuàng)設(shè)情境，吸引學(xué)生注意力，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生感悟信息技術(shù)與生活的緊密聯(lián)系，逐步提升信息意識。

2.案例分析，新知探究

（1）循環(huán)結(jié)構(gòu)的定義與基本要素

教師提問：什么是循環(huán)結(jié)構(gòu)？出示（順序、分支、循環(huán)）三大控制結(jié)構(gòu)流程圖，引導(dǎo)學(xué)生從對比分析中嘗試說出“循環(huán)結(jié)構(gòu)”的定義。

循環(huán)結(jié)構(gòu)：是指在條件控制下，某些操作步驟需要重復(fù)執(zhí)行的控制結(jié)構(gòu)。

結(jié)合后續(xù)案例對循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本要素（循環(huán)變量、循環(huán)的條件/終止條件、循環(huán)體）進(jìn)行詳細(xì)闡述

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合智能門鎖案例探究新知，理解循環(huán)結(jié)構(gòu)的定義和基本要素，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決實際問題的意識

（2）循環(huán)結(jié)構(gòu)的算法表示

教師展示智能門鎖的幾種常用開鎖方式：人臉識別、指紋識別、密碼驗證。以密碼開鎖方式為例，帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計算法流程圖，從具體的算法歸納出循環(huán)結(jié)構(gòu)的一般流程。

設(shè)計意圖：考慮到項目實現(xiàn)的難易度，教師選用算法相對較為簡單的“密碼開鎖”作為學(xué)習(xí)示范項目，培養(yǎng)學(xué)生計算思維的同時也為后續(xù)創(chuàng)新項目的設(shè)計與實現(xiàn)做鋪墊。

（3）算法的程序?qū)崿F(xiàn)與優(yōu)化

教師給出算法對應(yīng)的Python語言程序代碼，鼓勵學(xué)生運用AIGC大模型學(xué)習(xí)循環(huán)結(jié)構(gòu)的語法知識，并嘗試對案例代碼進(jìn)行釋義和闡述。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考：現(xiàn)有算法是否合理？如不合理，怎樣進(jìn)行優(yōu)化？引導(dǎo)學(xué)生從安全角度等進(jìn)行深入思考。鼓勵學(xué)生分組探究，設(shè)計優(yōu)化方案并嘗試實現(xiàn)。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生感受AIGC在輔助學(xué)習(xí)方面的高效性與重要性，提升信息意識和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生對算法的優(yōu)化意識。

3.創(chuàng)新項目，遷移應(yīng)用

創(chuàng)新項目要求：（1）想一想：生活中還有哪些可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的項目？（2）以小組為單位，設(shè)計一個生活中可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的項目。嘗試寫出該項目的算法流程圖（有時間和能力的學(xué)生可以在AIGC大模型的輔助下，嘗試寫出本組設(shè)計項目的程序代碼）。

創(chuàng)新項目展示與評價：學(xué)生代表介紹并展示本組項目方案，師生參照評價量規(guī)對其進(jìn)行評價。

設(shè)計意圖：考查學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的遷移應(yīng)用能力，強化重點，突破難點。以評促學(xué)，以評促教。

4.課堂小結(jié)，內(nèi)化提升

教師引導(dǎo)學(xué)生從循環(huán)結(jié)構(gòu)的定義、基本要素、算法、優(yōu)化與實現(xiàn)、創(chuàng)新應(yīng)用等幾個方面，回顧和梳理本課的重點知識內(nèi)容。鼓勵學(xué)生有意識地將所學(xué)知識與技能創(chuàng)造性地應(yīng)用于解決生活中問題，為科技強國貢獻(xiàn)力量。

設(shè)計意圖：鞏固認(rèn)知的同時，體驗技術(shù)應(yīng)用的社會價值，增強數(shù)字時代原住民的社會責(zé)任感。

教學(xué)案例設(shè)計與實施的體悟

在探索基于生成式人工智能的教學(xué)案例設(shè)計與實施之路上，筆者深切感受到這一創(chuàng)新教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)體驗與成長軌跡的深遠(yuǎn)重塑。AIGC技術(shù)的巧妙融入，不僅打破了知識與實踐的壁壘，讓學(xué)生目睹知識如何直接賦能現(xiàn)實生活，更點燃了他們探索未知、勇于創(chuàng)造的熱情。學(xué)生由知識的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿髡撸贏IGC的助力下，將抽象的編程概念轉(zhuǎn)化為解決實際問題的鑰匙。這一過程，不僅錘煉了學(xué)生的實踐與跨學(xué)科整合能力，更在他們心田播撒下創(chuàng)新的火種，照亮未來無限可能。尤為突出的是，教師借助AIGC作為學(xué)習(xí)伙伴，引領(lǐng)學(xué)生深入剖析循環(huán)結(jié)構(gòu)等復(fù)雜編程語法的精髓。

在算法優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，教師秉持“授人以漁”的理念，鼓勵學(xué)生突破傳統(tǒng)思維框架，以批判性和創(chuàng)新性視角審視問題。教師角色轉(zhuǎn)變?yōu)橐啡耍ぐl(fā)學(xué)生的自主觀察、深度思考與主動探索，讓他們在試錯與修正中，逐步構(gòu)建個性化的問題解決策略。這一過程，不僅是知識技能的積累，更是思維方式的升華，為學(xué)生未來應(yīng)對復(fù)雜挑戰(zhàn)筑牢根基。教師充分尊重學(xué)生個體差異，在案例實施中融入分層教學(xué)策略。針對不同水平的學(xué)生，量身定制學(xué)習(xí)路徑：鼓勵能力出眾者挑戰(zhàn)復(fù)雜程序編寫，助力同伴夯實邏輯思維與流程設(shè)計能力，通過設(shè)計算法流程圖，逐步搭建解決問題的框架。這種差異化教學(xué)，確保每位學(xué)生都能在適合自己的節(jié)奏中茁壯成長，實現(xiàn)教育的公平與高效。

作者單位：北京市第四中學(xué)順義分校

編輯：仲玉維