基于AI赋能和产教融合提升程序设计能力的个性教学模式.docx

基于AI赋能和产教融合提升程序设计能力的个性教学模式摘要针对程序设计课程教学中面临的关键和痛点问题，以新工科产业需求为牵引，以培养程序设计能力为导向，以提高学生学习成效为目标，提出并实践了“能力为要、个性教学、Al赋能、产教融合”提升学生程序设计能力的新型课程建设与教学的创新路线。基于以学生发展为中心和因材施教的教学理念，实施了“以练导学、以学定教、能力导向、设计驱动”的程序设计课程个性化教学方法，探索了基于产教融合协同育人实现资源共建共享、依托跨校课程组和虚拟教研室实现东西部高校协同以提升课程教学水平的有效途径，对新时期程序设计类课程教学改革创新进行了有益的探索。关键词教育信息化；因材施教；个性教学；AI赋能；产教融合；程序设计能力一引言新时代的现代化教育必须建立在数字化教育的基座上。高等教育数字化已经开始深刻改变教师的教、改变学生的学、改变学校的管、改变教育的形态，成为支撑高等教育教学质量整体提升的重要手段，是实现学习革命、质量革命和高质量发展的突破性切口和创新性路径。为顺应新工科建设和教育信息化的时代需求，高等学校教学改革正逐渐从知识型课程向能力型课程转化、从传统课堂教育向高质量数字化教育转型，很多高校对此进行了有益的探索。例如，上海交通大学提出以课程融合的方式实现互联网时代系统能力的培养，以新技术为导向培养学生解决问题的能力。浙江大学探索了基于AI（ArtificialIntelligence,人工智能）技术的高校智慧教学生态体系构建。也有院校结合接受学习、创造性学习的特点和优势，探索了“知识学习、能力培育、实验磨炼、竞赛提升”的教学模式。以混合式、融合式为典型特征的新型教学模式在加速学习空间无缝融通、促进教学设计范式迁移、助力精准化教与学及学生个性化学习等方面起到了重要作用。目前，人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术正在重构教育服务的组织方式，作为国家战略的“人工智能+教育”已成为教育信息化2.O发展的新阶段。程序设计能力是大学生必须掌握的一项数字化技能，程序设计课程作为高等学校工科专业的一门重要的公共基础课，其重要性不言而喻，课程的教学目标是要求学生经过课程的学习能够具备良好的编程素养，以及综合运用所学程序设计语言和程序设计方法，设计、构造和应用计算系统求解科学或工程问题的程序设计和实现能力。过去，将知识资源数字化、平面资源立体化，仅解决了教学资源的供给问题，但是并未解决教学资源的有效利用问题，并且传统的单一僵化的教学手段不能有效适应教学资源的全面数字化转型的变革，随着教学模式从“以教为主”向“以学为主”转变，以学生发展为中心的个性化教学急需自动化、智能化的先进教学辅助工具的支撑，现代信息技术与教学过程的融合还有待进一步深化。重知识轻能力、重语言轻设计的传统教学理念和教学方法已无法适应新工科产业发展对程序设计能力培养提出的更高要求，实现程序设计课程的智能化转型势在必行。因此，在程序设计课程教学中，如何借助新兴的人工智能及大数据技术创新教学手段进行个性化因材施教，是程序设计课程教学急需解决的一个重要问题。二、程序设计课程教学存在的痛点问题分析虽然近年来很多高校教师都对程序设计课程教学改革进行了有益的探索，但程序设计课程教学中仍存在以下痛点问题尚未充分解决。(I)难以落实“因材施教”的培养理念。以教定学，教学模式一刀切，差异化教学方法缺乏，个性化培养手段单一，不能根据学生的个体差异和个性发展需求因材施教，无法为不同基础的学生规划能力进阶路径和阶梯化赋能。学生的学习基础参差不齐使得教师在选择教学内容时难以兼顾两头，导致在同一个课堂中有的学生“吃不饱”，有的学生“吃不下”。此外，教学方法重语法轻思维，不利于计算思维能力培养；重语言轻设计，不利于创新实践能力培养。考评方法重结果轻过程，不利于学习成效的个性评价和及时预警。(2)生师比高，学生个性辅导一师难求，教学方法手段低效，导学助学体系不健全，难以支撑个性化教学的实施。尽管“互联网+教育”解决了“资源有”和“网络通”问题，但并未改变导学助学以人工为主的现状，以学生为中心的个性化教学仍缺乏自动化、智能化的先进教学辅助工具支撑。此外，随着招生规模相对于师资队伍增长迅速，导致生师比较高，不得不采用大班教学，学生遇到问题不能得到及时的个性化辅导，常常导致问题累积，进而对编程产生畏惧心理，甚至失去学习兴趣，直接影响了学生的学习成效。而教师又常常被批改作业和判卷等大量机械重复性的工作所困扰，教学手段低效，没有精力专注于教学研究与创新。在线教学提供的统计数据虽然能够反映学生整体的学习情况，但无法反映学生个体的实际学习成效，不能有效跟踪学生的学习过程,不利于帮助学生克服“平时拖延、考前突击”等顽症，教学过程中缺少精准反馈学习状态的“闭环”，不利于学生的个性帮辅和教学的持续改进。(3)高校不了解产业需求，企业不熟悉教学规律，学生不熟悉国产化平台和技术，产教融合的“最后一公里”难以打通，校际协同不深入，教学资源难以均等化和充分利用。教学主体和用人主体的分隔，导致高校不了解产业需求和最新技术，教学内容相对静态，落后于产业发展，学生能力培养不能与企业等用人单位的需求快速接轨,缺少通过高校教师和企业工程师优势互补将产业需求带到高校中来、将企业的资源和技术引入课堂中来的有效途径。教学组织和资源建设方式以“封闭式单兵作战”为主，校企之间、校校之间缺乏有效的沟通交流和资源共享机制，不利于不同地域和不同层次的院校之间教学资源的互补有无和充分利用。此外，普遍使用国外通用平台和单一的软件开发环境进行程序设计教学，使得学生不熟悉跨平台软件开发，不了解国产化平台和技术，缺少在云平台上进行软件开发的实践，不能快速适应企业的工程实践要求，也不利于培养学生支持和利用先进国产化技术的爱国情怀。三、AI赋能和产教融合提升程序设计能力的具体实施方式为解决上述程序设计教学面临的关键和痛点问题，我们以产业需求为牵引，以建构主义等教育理论为指导，从教学理念和方法、教学模式和手段、产学协同育人的资源共建共享组织方式等方面进行全局设计，提出了基于产教融合、AI赋能和个性化教学的创新教学模式。从问题到求解、从语言到设计，重构程序设计课程的能力培养路线（如图1所示），问题驱动设计，设计驱动实践，全方位渐进式提升学生的程序设计能力。图1程序设计能力培养路线图1 .以练导学、以学定教，实现个性化能力培养和因材施教我们构建如图2所示的“以练导学、以学定教、能力导向、设计驱动”的程序设计课程个性化教学体系。自主编程作业、游戏闯关实验、云平台实践、竞赛实训、项目设计等阶梯化实践环节有机衔接,实现低起点、高落点的能力逐步提升。作业自主自助、实验自主闯关、项目自主选题、研讨自由组队等个性化编程训练，引导依托能力和兴趣的个性化学习，实现“以练导学”。全方位训练|（作业自主自助）+（实验自主闯关）+（项口自主选题）+研讨自由组队）个性化评价自主学习能力上机实战能力综合应用能力合作探究能力领编领练）（边讲边练）精讲多练）（生讲生练）以赛代练）（以赛促练）评价个性化官学方闽（MooC完全课堂MSPOC特色课堂JX实体加强课堂支掾渐进式很力培藉|（从问题到求解M从语m到设计M从设计到实践M从知识到能力）支撑层次化W容体点|（基本课座提升课程竞赛培训课程程序设计实践课程）支撑阶梯化VII练平旬（装本训练诧线实验平台M华为云实丽吾A（比赛实训平台）图2“以练导学、以学定教、能力导向、设计驱动”的程序设计课程个性化教学体系面向以学定教，阶梯构建由编程基本课、编程提升课、竞赛培训课、设计实践课构成的程序设计课程群。基本课夯实基础，提升课拓展深度，竞赛课培育拔尖，设计实践课强化专业融合和综合应用，实现能力培养不断线。实施uMOOC完全课堂+SPOC特色课堂+实体加强课堂”的混合教学模式，在实体课堂开展“定制班型、自主选班、动态分流”的差异化分级教学，实现对不同基础学生的因材施教。2 .在线资源支撑、AI技术赋能，助力个性化教学方法手段变革通过在线教学资源的建设，作为撬动课堂教学改革的支撑。具体措施包括出版新形态教材和数字课程，建设包含多种编程语言的在线开放课程群，支撑学生的个性化自主学习和教师的线上线下混合式教学；建设面向基础编程训练、游戏闯关实验、云环境实践、竞赛实训的阶梯化多样化训练平台，支撑学生个性化在线实验和实践。基于人工智能、大数据等技术开发程序设计课程智慧教学平台,实现机器人Al助教智能答疑，构建了“AI赋能的程序设计个性化教学体系”（如图3所示），探索了“线上线下双师协同，优秀学生直播领练、以强带弱，AI助教和任课教师虚实结合、个性辅导”的导学助学新模式。基于大数据分析和机器学习算法，利用从平台获取学生的学习时间、学习内容、学习路径等学习行为特征数据，构建多源信息融合的评价体系，实现成绩智能预测和提前预警。通过对海量学习数据的挖掘与分析，建立学生的学习行为模型，对学生的学习行为特征数据进行可视化处理，建立学生的学习状况综合画像，实现对学生全学习过程的跟踪。线下效用普课双0型平岳深AllWft建立海被汨试题在自主训练自主闯关阶段考核日能评漓iitr枳分进阶、W能评阅以学定教，个性化辅导学生行为特征构建创新课堂教学机器人智能问答智能预测与分析全学习流程限踪个性化学习报告彼与个性化“导MOOC-SPOCs；风格特色各仃收：匕班动态分痴;"W三选加四能排荐嫁合分析学生需求学习"为名维特讨构建学生智能像内方币：机器人Al助教：智能实时答疑课内课外个性学习：指导学JJ进程 数IK综合可视分析： 学牛.学习效果预测 班微智能分析报3图3Al赋能的程序设计个性化教学体系基于程序理解技术开发编程题智能评分系统，支撑阶段上机考核,检验阶段目标达成。结合线上课堂测试和中期匿名问卷，及时发现学生的薄弱知识点，使教师有的放矢改进教学。基于动态测试和作弊检测技术，开发自主自助式实践教学平台，支持学生自主选择知识点和难度系数进行编程训练，根据评测反馈差异分析结果自主修正程序错误，使教师通过查看学生的个人学习曲线，及时发现有拖延和考前突击倾向的学生，及时督促和提醒。3 .名企名校合作、名师名课先行、跨界跨校协同，有效实现产教融合和资源共享为有效实现产教融合和资源共享，我们探索了名企名校合作、名师名课先行、跨界跨校协同，实现产教融合和资源共享的有效方法和途径（如图4所示）。一方面，依托产教融合协同育人基地和产学合作项目，与华为等企业的工程师对接，通过名企微课、空中宣讲等师资培训I,带动名校名师先行探索产教融合教学改革，将华为编程规范、高算力云平台搭建、龌鹏开发套件等引入慕课、教材或实验，解决程序设计能力培养与产业实践脱钩问题，促进程序设计教学与国产自主可控软件产业领域最新技术接轨，使学生在了解企业实际开发环境的同时，激发其科技报国情怀，增强其科技创新意识。另一方面，充分发挥名师名课的示范作用，利用虚拟教研室的跨校跨界交流机制，将名师先行探索的实践经验和校企共建的慕课等资源辐射到其他院校,扩大产教融合的覆盖面。（需求牵引、产学合作，协同提升程序设计能力）图4产教融合和资源共享的方法和途径四、基于AI赋能和产教融合的个性教学模式的创新点本文提出的基于AI赋能和产教融合提升程序设计能力的个性教学模式，其主要创新体现在以下三个方面。(I)能力为要、因材施教的程序设计个性化教学理念创新。教学理念从“重语言轻设计、重知识轻能力”转为“知识和能力并重、设计与实践并行”，教学模式从“一刀切培养”转为“个性化因材施教”，教学方法从“以教定学、以教促学”转为“以练导学、以学定教”，将层次化