石文兵，方賢進，朱曉娟，蔣社想

（安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽淮南 232001）

0 引言

新工科建設是積極應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展國家戰(zhàn)略，引領我國高等教育改革創(chuàng)新、推動我國邁向高等教育強國的重要戰(zhàn)略舉措。隨著工業(yè)4.0 時代的到來，人工智能的相關技術逐漸融入各個領域，取得了快速發(fā)展。新工科背景下的高等教育備受關注，人工智能融入高等教育是時代發(fā)展的必然趨勢，2019年5 月，聯(lián)合國教科文組織在《北京共識——人工智能與教育》中明確提出，要構建基于人工智能的開放靈活的教育體系，推動人工智能與教育、教學的系統(tǒng)性融合。

高級語言程序設計課程教學目標是讓學生掌握計算機程序設計語言，能熟練閱讀、設計、編寫和調(diào)試計算機程序，課程的重要性不僅體現(xiàn)在常規(guī)意義上的程序編制，還要引導學生轉(zhuǎn)換求解問題的思維方式，培養(yǎng)學生的計算思維能力。新工科背景下應用型、技術技能型高素質(zhì)人才的培養(yǎng)需求對高級語言程序設計教學提出了更高要求，要以面向問題求解的“程序設計”為核心，著力提升學生的工程實踐能力。為提升高級語言程序設計課程的教學質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)復合型計算機類新工科人才，相關學者進行了深入的教學改革研究，如文獻［4-5］對程序設計線上教學的設計和實踐進行了研究；文獻［6-7］根據(jù)金課的導向和“兩性一度”建設標準，從教學模式設計、教學資源建設、教學方法改進、實踐教學強化、考評機制建設等方面進行了探索與實踐；文獻［8］對工程教育專業(yè)認證下程序設計類實驗教學進行了改革和實踐；文獻［9］以“一維數(shù)組”為例進行了程序設計智慧課堂教學設計，推動教學理念、方法、技術、方式、模式變革。目前，部分高校針對高級語言程序設計課程進行了智能化教學建設與探索，但由于教學平臺軟硬件條件和智能技術推進融合進度的差異，尚未構建較為完善的智能化教學體系。與上述教學改革方法不同，本文以新工科人才培養(yǎng)目標為落腳點，將人工智能的相關技術與高級語言程序設計教學進行融合創(chuàng)新，提出一種高級語言程序設計的智能化教學框架和實施方案，以促進教學質(zhì)量的全面提升和課程的可持續(xù)發(fā)展。

1 高級語言程序設計教學待解決的關鍵問題

在當前信息化技術促進產(chǎn)業(yè)變革的智能化時代背景下，高等教育需要培養(yǎng)能應用自然之理進行應用創(chuàng)新的新工科人才，這就要求傳統(tǒng)的工程教育急需向新時代的工程教育變革。目前，高級語言程序設計的教學模式還有很大的改革創(chuàng)新空間，存在一些待解決的關鍵問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）重理論輕實踐，案例驅(qū)動的工程實踐欠缺。高級語言程序設計既需要學生掌握程序設計的語法規(guī)范、程序設計結構與方法等理論知識，又需要學生通過實踐練習強化理論知識理解。傳統(tǒng)教學模式更傾向于程序設計語法規(guī)范的掌握，作業(yè)完成情況和單元測試等理論知識教學達成度考核。實踐教學主要是課程實驗，且課程實驗大多由驗證性實驗構成，設計性和綜合性實驗比例較小，特別是基于案例驅(qū)動的工程實踐嚴重欠缺，學生缺少基于工程應用背景的問題思考和探索性設計與實踐，團隊協(xié)作意識淡薄，模塊劃分、分工協(xié)作、系統(tǒng)整合以及匯報答辯等能力較差，案例驅(qū)動的工程實踐欠缺導致學生程序設計應用與創(chuàng)新能力不足。

（2）課程考核評價機制落后，精細化教學反饋不足。優(yōu)秀的課程考核評價機制對教學效果的提升具有重要的促進作用，貫徹落實教育部“以本為本”的教育理念更需要以科學合理的課程考核評價為導向。高級語言程序設計課程的成績考核通常由平時成績和期末考試成績兩項加權構成，平時成績是學生卷面考試無法測試考查的科學補充，并非期末考試成績的“調(diào)節(jié)劑”。傳統(tǒng)教學模式下平時成績構成比較單一，通常由考勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況等組成，再加上平時成績數(shù)據(jù)可獲取性和全面性的條件限制，使得平時成績很難全面、科學、客觀地反映學生真實的平時表現(xiàn)，在沒有數(shù)字化和智能化手段參與下，課程考核機制相對落后，無法獲得精細化的教學反饋，不能準確全面地考查學生的學習過程，不能及時優(yōu)化調(diào)整教學方法。

（3）教學總結分析深度不夠，持續(xù)改進驅(qū)動力不足。持續(xù)改進是工程教育專業(yè)認證的一項核心內(nèi)容，良好的持續(xù)改進機制對提升高級語言程序設計教學效果和學生專業(yè)技能具有重要作用。高級語言程序設計的教學總結與分析是持續(xù)改進驅(qū)動力的重要來源，如果沒有智能化的數(shù)據(jù)挖掘分析作為支撐，教學總結分析的深度和維度就無法達到理想效果。很多教學總結只是形式上的書面報告，通常只針對當前教學班級進行簡單的成績統(tǒng)計分析，缺少課程目標達成度的計算分析，缺少教學活動多維特征提取，缺少歷史教學數(shù)據(jù)的對比參照，導致教學總結分析深度不夠，傾向于形式，忽視了深層次教學決策挖掘，課程教學持續(xù)改進驅(qū)動力不足。

（4）教學方式循規(guī)蹈矩，學生個體差異關注不夠。尊重教育規(guī)律，關注學生的個體差異性，以學生為中心，使學生積極主動地參與學習活動，促進學生個性化發(fā)展，這既是新時代工程教育改革的目標，也是教育理念的回歸。目前，高級語言程序設計課程大多按教學班級集中授課，按制定好的授課計劃，講授相同的章節(jié)內(nèi)容，保持相同的學習進度，循規(guī)蹈矩的教學方式很難兼顧學生個體的差異性，提出更具針對性的個性化指導。在智能化教育快速崛起的時代背景下，以學生為中心，關注學生個體差異性，推行因材施教的教學理念正逐步深入人心，但還缺乏可操作性和系統(tǒng)性教學框架的支撐，針對學生個體差異性的個性化教學指導落實效果不佳，教學方式循規(guī)蹈矩，學生個體差異關注不夠的現(xiàn)象比較普遍。

綜上所述，新工科背景下的高級語言程序設計課程教學還存在一些待解決的關鍵問題，不能很好地適應新工科人才培養(yǎng)需要，急需通過教學的變革創(chuàng)新開拓工程教育改革的新路徑。本文以人工智能與信息化教學相互融合為切入點，構建高級語言程序設計的智能化教學框架，并結合課程實際，因地制宜開展智能化教學的探索與實踐，通過智能教育的創(chuàng)新融合促進課程教學質(zhì)量的全面提升，使計算機類高素質(zhì)新工科人才的培養(yǎng)質(zhì)量再上新臺階。

2 高級語言程序設計智能化教學框架設計

人工智能在各應用領域的滲透融合是加快建成我國人工智能領域自主創(chuàng)新“高地”的必然之路，人工智能與教育教學的創(chuàng)新融合將成為新時代教育改革的發(fā)展趨勢，在“新工科”背景下推進人工智能技術和信息化教學融合，研究探索高級語言程序設計的智能化教學框架具有重要意義［13］。

高級語言程序設計課程作為數(shù)據(jù)結構和算法設計與分析的前導課程，以程序設計基本規(guī)范和方法為基礎，以課程教學目標和畢業(yè)要求為導向，以培養(yǎng)計算思維能力和程序設計素養(yǎng)為核心。結合目前安徽理工大學高級語言程序設計教學的軟件和硬件條件設計的智能化教學框架如圖1 所示，主要包括教學流程信息化、教學管理數(shù)字化和教學決策智能化3個層次，如圖1 所示。

Fig.1 Intelligent teaching framework of high level language programming圖1 高級語言程序設計智能化教學框架

各層次主要功能如下：

（1）教學流程信息化。教學流程信息化是高級語言程序設計智能化教學的重要基礎。以新工科人才培養(yǎng)的教育思想為指導，以現(xiàn)代信息技術為手段，教師和學生通過信息化平臺終端開展教學活動，完善教學資源建設，重構教學內(nèi)容，做好信息化教學設計，將理論教學、上機實驗和綜合實訓相互結合，在超星泛雅和程序設計智能評判系統(tǒng)等信息化教學平臺建立各教學流程的詳細記錄，優(yōu)化教學過程，提高教學效率，同時為課程的數(shù)字化教學管理提供支撐服務。

（2）教學管理數(shù)字化。高級語言程序設計的數(shù)字化教學管理是以信息化教學為基礎，對課前預習、考勤簽到、課堂討論、問題搶答、隨堂練習、作業(yè)評判、章節(jié)測試、實驗教學、綜合實訓、專題競賽、輔導答疑和問卷調(diào)查等教學環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行收集、處理和整合，使課程的數(shù)字資源得到充分優(yōu)化和利用，構建高級語言程序設計教學全程數(shù)字化存儲與應用的管理模式，形成完備的教學活動數(shù)據(jù)集，為課程教學的考核評價、總結分析和持續(xù)改進提供有力的數(shù)據(jù)支撐，為高級語言程序設計的智能化教學決策做好鋪墊。

（3）教學決策智能化。高級語言程序設計課程的智能化教學決策是人工智能相關技術和數(shù)字化教學管理的深度融合，將智能計算和教學數(shù)據(jù)重構為智能決策模型，推動高級語言程序設計課程從數(shù)字化到智能化跨越。教學決策智能化主要包括數(shù)據(jù)分析和智能計算兩項核心內(nèi)容，其中教學數(shù)據(jù)是基礎，數(shù)據(jù)分析和智能計算是核心，兩者協(xié)同工作、相互配合，實現(xiàn)精細化的動態(tài)教學反饋，為學生個體差異性的關注提供技術支撐，促進課程的持續(xù)改進。

3 高級語言程序設計智能化教學實施

高級語言程序設計智能化教學目的：在數(shù)字化教學管理和智能計算融合的基礎上提升課程教學的科學性。以教學數(shù)據(jù)為支撐，以持續(xù)改進為驅(qū)動力，實現(xiàn)教學過程從信息化到數(shù)字化和智能化的創(chuàng)新變革，助力新工科背景下高素質(zhì)計算機應用技術人才的培養(yǎng)。目前，安徽理工大學高級語言程序設計課程已獲批安徽省教學示范課項目，結合課程建設實際，將理論教學、上機實驗以及綜合實訓協(xié)同配合，在高級語言程序設計智能化教學框架引領下，科學有序地開展智能化教學，全面提升課程教學質(zhì)量，促進課程持續(xù)改進和不斷發(fā)展。

3.1 重構教學資源，完善教學設計

教學流程信息化是在信息化教學平臺下科學規(guī)范地開展教學活動，重構教學內(nèi)容，優(yōu)化設計教學活動，其實施過程如圖2 所示。對照教學大綱和授課計劃，按知識目標、能力目標和素養(yǎng)目標要求重構教學內(nèi)容，從識記、理解和應用3個層面進行教學設計，廣泛開展啟發(fā)式、交互式和案例驅(qū)動式教學，使課程理論與工程實踐相向而行，融合互補。同時，提取章節(jié)知識點融入信息化互動教學，深入開展課堂討論、隨堂練習、問題搶答、課堂問卷等教學活動，教學內(nèi)容的重構使章節(jié)知識點融入信息化教學的課堂活動，從而形成可分析可計算的教學數(shù)據(jù)，為后續(xù)智能化教學分析和決策提供重要的數(shù)據(jù)來源，用信息化手段全程記錄完整的教學過程，為智能化教學的數(shù)據(jù)分析與決策做好鋪墊。

Fig.2 Reconstruction of teaching content and teaching design圖2 教學內(nèi)容重構與教學設計

3.2 教學管理數(shù)字化，提升教學數(shù)據(jù)的研究價值

教學管理數(shù)字化是教學流程信息化到教學決策智能化的中間階段，教學信息的數(shù)字化管理對人工智能與高級語言程序設計教學的融合至關重要，對提升課程教學數(shù)據(jù)的應用研究價值意義重大。數(shù)字化教學管理是對信息化教學流程的數(shù)據(jù)采集、處理與整合，構建精細化、多維度教學過程的數(shù)字化記錄。在教學流程信息化基礎上，高級語言程序設計的數(shù)字化教學管理可建立考勤簽到、課前預習、課堂互動、課程作業(yè)、課程實驗、實訓與競賽、輔導答疑、問卷調(diào)查等教學環(huán)節(jié)核心數(shù)據(jù)。在兩學期的試點實施過程中，學生使用學習通APP 參與課堂活動的記錄數(shù)為16 134，作業(yè)提交記錄數(shù)為2 292，程序設計在線評判提交記錄數(shù)為4 992，存儲記錄了教學過程中學生的學習態(tài)度、學習風格、目標達成度以及學習效果個體差異等教學信息，具有重要的教學研究價值。及時分析各教學章節(jié)的知識目標、能力目標和素養(yǎng)目標的達成度，使課程的精細化教學反饋具備技術可行性，準確全面地考查學生的學習過程，科學、客觀地反映學生真實的學習狀態(tài)，進而構建良好的課程考核評價機制，在科學合理的課程評價導向引領下實現(xiàn)教學效果的逐步提升。

3.3 加強師資培訓，推進智能技術與教學的深度融合

高級語言程序設計智能化教學的核心是數(shù)據(jù)分析和智能計算，對教師的綜合素質(zhì)提出了更高的要求，需要教師在科學、規(guī)范、嫻熟地開展信息化教學基礎上融入人工智能的相關技術。因此，加強課程組師資的智能化教學專題培訓，推進智能技術與教學的深度融合成為一項重要工作。由于學科專業(yè)的優(yōu)勢，高級語言程序設計課程組很多教師從事過人工智能、智能信息處理、數(shù)據(jù)挖掘等相關方向的科學研究，這為智能技術與課程融合創(chuàng)造了良好條件。教師參加高校人工智能課程研修班的學習，通過Pandas、Matplotlib 以及Pytorch 等技術實現(xiàn)教學數(shù)據(jù)處理、教學數(shù)據(jù)分析與智能計算工作，積極開展智能化教學調(diào)研、智能化教學核心技術專題研討、智能化示范教學等教學研究活動，著力建設高級語言程序設計省級示范課程。目前，已整合超星泛雅和AustOJ 平臺的高級語言程序設計教學數(shù)據(jù)，構建了數(shù)據(jù)可視化和智能計算模型，推進智能技術在課程教學中的融合創(chuàng)新，用智能技術實現(xiàn)教學的多維度分析決策。以數(shù)據(jù)分析和智能決策作為課程持續(xù)改進的驅(qū)動力，促進新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量再上新臺階。

3.4 分級定制教學資源和個性化推薦學習

國家工程教育專業(yè)認證倡導“以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，以持續(xù)改進為驅(qū)動力”的新工科教育模式，關注學生個體差異性，實施個性化的、針對性的教學指導，是落實以學生為中心理念的重要體現(xiàn)。在多年的高級語言程序設計教學過程中，發(fā)現(xiàn)學生的個體差異較為明顯，有部分學生在中學階段就具有較好的程序設計基礎，因此分級定制教學資源和個性化的推薦學習十分必要。課程組在教學資源建設時，將其劃分為基礎、提高和擴展3個層次，并在作業(yè)練習、課程實驗、綜合實訓等環(huán)節(jié)突出分級設計，構建重視基礎、促進提高、引導擴展的教學氛圍。在教學過程中，通過教學數(shù)據(jù)重點分析作業(yè)正確率高且在AustOJ 平臺答題排名位于第一方陣的學生，在AustOJ 平臺為其開通課程內(nèi)容的擴展提升板塊，更具針對性地進行自由專項訓練和答疑指導，取得良好的教學效果，有21 名學生順利通過校程序設計競賽的選拔，進入校程序設計競賽團隊得到了更好的訓練和發(fā)展。

在信息化教學平臺數(shù)據(jù)支撐下，通過Matplotlib 數(shù)據(jù)可視化技術和Pytorch 智能框架技術，實現(xiàn)課程章節(jié)目標達成度的分析和計算。在學習通APP 終端為章節(jié)目標考核不達標的學生點對點推送答疑講解和適量的達標鞏固試題，打破傳統(tǒng)教學過程“常規(guī)”和“相似”的壁壘，關注學生個體差異，滿足個性需求，激發(fā)學生參與教學活動的熱情，用改革創(chuàng)新促進教學效果提高。

4 高級語言程序設計智能化教學實施效果

在高級語言程序設計智能化教學框架和實施方案引領下，現(xiàn)代信息化教學和人工智能技術的創(chuàng)新融合促進了教學模式從粗放型向精準型和智能型轉(zhuǎn)變，學生學習氛圍濃厚，學習熱情高漲，為高級語言程序設計的教學注入了新的思想，釋放了新的活力。2020-2021 學年，高級語言程序設計智能化教學在2020 級計算機科學與技術班試點實施，并與2020 級智能科學傳統(tǒng)教學班進行對比分析，兩個教學班學生的課程總體目標達成度評價值散點圖如圖3 所示。經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)，智能化教學試點班的課程總體目標達成度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學班。兩個教學班的課程分目標達成度比較分析如圖4 所示。與傳統(tǒng)教學班相比，智能化教學試點班的課程分目標達成度呈上升趨勢，智能化教學實施效果良好，提升了課程教學質(zhì)量。

Fig.3 Comparative analysis of overall teaching effect圖3 總體教學效果比較分析

Fig.4 Comparative analysis of course sub-objectives圖4 課程分目標比較分析

5 結語

高級語言程序設計的智能化教學是新工科背景下課程改革創(chuàng)新的重要舉措，人工智能和高等教育的深度融合是未來教育發(fā)展的必然趨勢。本文通過分析高級語言程序設計課程待解決的關鍵問題，設計了一種智能化教學框架。圍繞智能化教學框架的體系結構和實施方案，結合課程實際并在教學過程中試點實施，結果表明該項改革方案在課程總體教學效果和課程分目標達成度方面均獲得了較好提升。在教學流程信息化、教學管理數(shù)字化和教學決策智能化方面取得了較好效果，促進了教學質(zhì)量的全面提升和課程教學的可持續(xù)發(fā)展。目前，各類創(chuàng)新性教學改革方案正逐步融入更多的人工智能元素。隨著教育理論研究和創(chuàng)新實踐的逐步深入，結合課程實際，因地制宜開展課程的智能化教學研究和實踐探索，智能化教學成為新工科背景下教學變革創(chuàng)新的升級方向，為新時代中國特色智能教育體系的發(fā)展和完善貢獻力量。新工科人才培養(yǎng)釋放了新的活力，為應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，提升我國高素質(zhì)復合型新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。