朱凌

（浙江財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息管理與人工智能學(xué)院，浙江 杭州）

在財(cái)經(jīng)類高校中，如何讓程序設(shè)計(jì)此類技術(shù)類課程變得生動(dòng)、有趣，而且還能讓學(xué)生感受到時(shí)代的發(fā)展，是一個(gè)非常值得研究的問(wèn)題。根據(jù)我們課前的調(diào)研，傳統(tǒng)觀念上，學(xué)生在財(cái)經(jīng)背景下往往傾向于學(xué)校其他管理類強(qiáng)勢(shì)學(xué)科的學(xué)習(xí)。即使本身是人工智能專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)、信息系統(tǒng)與信息管理專業(yè)、軟件工程專業(yè)或其他理工類專業(yè)的學(xué)生，和其他理工類院校相同專業(yè)的學(xué)生相比，其具備的理工類學(xué)科的敏感度和抽象思維能力相對(duì)較弱，與人工智能時(shí)代的發(fā)展相距甚遠(yuǎn)。但是，從國(guó)務(wù)院在 2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和教育部2018年提出的《教育信息化》文件中我們獲知，要全面提高全社會(huì)對(duì)人工智能的整體認(rèn)知和應(yīng)用水平，就必須加大人工智能的科普與推廣的輻射力度，而開(kāi)展形式多樣的人工智能科普活動(dòng)則顯得尤為必要[1]。

由于程序設(shè)計(jì)課程的授課對(duì)象是信息技術(shù)類專業(yè)低年級(jí)學(xué)生，一般是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后最為基礎(chǔ)和骨干的專業(yè)課程。由于學(xué)科的特殊性，其知識(shí)構(gòu)造往往十分的抽象。由于沒(méi)有前期知識(shí)鋪墊，對(duì)于長(zhǎng)篇累牘的代碼設(shè)計(jì)，學(xué)生常常感覺(jué)抽象晦澀，抱怨吃力難懂，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶。此外，本課程的學(xué)習(xí)難度又比同時(shí)期的其他課程都更大，而所承擔(dān)的教學(xué)任務(wù)和教學(xué)考核手段，相對(duì)于同校的其他學(xué)科來(lái)說(shuō)則更為嚴(yán)謹(jǐn)與嚴(yán)格。所以，在本課程的講授過(guò)程中，無(wú)論是在教師教的環(huán)節(jié)，還是學(xué)生學(xué)的環(huán)節(jié)中，都很容易陷入枯燥乏味的境地[2]。

因此，如何在人工智能背景下改革傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課程是目前亟待解決的問(wèn)題。

一 創(chuàng)新教學(xué)方法的提出

所謂“人工智能+教育”，其重要載體是智能軟硬件程序設(shè)計(jì)教育。針對(duì)目前人工智能教育現(xiàn)狀，結(jié)合人工智能的發(fā)展趨勢(shì)，在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中嵌入人工智能普及教育勢(shì)在必行。眾所周知，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)在許多工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于受到教學(xué)場(chǎng)地限制，或?qū)嶋H設(shè)備費(fèi)用昂貴的約束，無(wú)法在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生得到較好的體驗(yàn)。

為了緩解以上困境，并幫助學(xué)生更加切實(shí)地體會(huì)與理解實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題，編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)與操控實(shí)際工程系統(tǒng)，并更好適應(yīng)于人工智能時(shí)代的發(fā)展，我們針對(duì)程序設(shè)計(jì)課程提出了一套人工智能視域下的創(chuàng)新教學(xué)方法：（1）采用線上線下混合式教學(xué)模式，通過(guò)相應(yīng)的在線資源網(wǎng)站和可視化平臺(tái)，線上引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，線下指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)；（2）搭建虛擬空間，適時(shí)融入人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的科技元素，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐分析；（3）精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，大膽改革，合理設(shè)計(jì)，設(shè)置生動(dòng)的場(chǎng)景教學(xué)，運(yùn)用情景案例講授法、教具演示法、實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)法、陶冶法、和游戲化的方式，改變以往傳統(tǒng)教學(xué)的死板；（4）注重課堂內(nèi)容與節(jié)奏的編排，通過(guò)啟發(fā)式、合作式、研究式等方式循序漸進(jìn)地組織教學(xué)，改變傳統(tǒng)課程的單調(diào)乏味感；（5）教學(xué)形式多樣化，以班級(jí)整體授課、小組合作討論，個(gè)體獨(dú)立研究等形式靈活穿插，將學(xué)生從被動(dòng)變成主動(dòng)，拋棄

以往配角的形式，改變?yōu)槌绦蛟O(shè)計(jì)課中的主角，提升其自主性學(xué)習(xí)的理念，以平等的身份共同參與進(jìn)整個(gè)教學(xué)過(guò)程中；（6）在教學(xué)實(shí)驗(yàn)考核中，采用多元化的評(píng)價(jià)方式，將實(shí)驗(yàn)程序代碼、實(shí)驗(yàn)效果、分析結(jié)論、和小組討論相結(jié)合，并綜合平時(shí)的操作表現(xiàn)、與在線程序評(píng)判系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試成績(jī)以及平時(shí)作業(yè)成績(jī)進(jìn)行權(quán)重比例分配組合考核[3]。

二 教學(xué)實(shí)踐對(duì)象

（一） 專業(yè)與年級(jí)

在《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》等必修課程中進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐時(shí)，主要面向信息管理與信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、人工智能、軟件工程、電子商務(wù)專業(yè)的低年級(jí)本科生；在《智能時(shí)代》等通識(shí)課程中教學(xué)實(shí)踐時(shí)，面向?qū)ο鬄槿＿x修人工智能課程群的各專業(yè)學(xué)生，不分年級(jí)，涵蓋了會(huì)計(jì)、財(cái)稅、工商、金融、經(jīng)濟(jì)、公共管理、數(shù)據(jù)科學(xué)、人文、藝術(shù)、法學(xué)、外語(yǔ)、信息與人工智能等全校各學(xué)院的文理科學(xué)生[4]。

（二） 基本知識(shí)和能力

本創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐主要用于專業(yè)必修課程《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》和通識(shí)課程《智能時(shí)代》的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也可用于《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在針對(duì)信息技術(shù)類專業(yè)的低年級(jí)本科生實(shí)施教學(xué)時(shí)，要求學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)的基本原理和方法，能夠運(yùn)用相關(guān)編程知識(shí)去設(shè)計(jì)實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題的解決方案；在單元操作實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，具備綜合性實(shí)驗(yàn)技能和分析能力。在針對(duì)其他專業(yè)的本科生實(shí)施教學(xué)時(shí)，要求學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)的思想和設(shè)計(jì)流程，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐案例，對(duì)人工智能等前沿信息技術(shù)有初步的認(rèn)識(shí)。

三 教學(xué)案例與分析

（一） 分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)

“分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)”是面向過(guò)程結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)三大控制結(jié)構(gòu)的第二大結(jié)構(gòu)，具有重要承前啟后的作用。由于順序結(jié)構(gòu)的程序只能實(shí)現(xiàn)計(jì)算和輸入輸出等簡(jiǎn)單功能，但是，大多數(shù)應(yīng)用問(wèn)題都是有條件限定的，順序結(jié)構(gòu)則無(wú)法完成判斷并選擇，所以，學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)非常有必要。分支結(jié)構(gòu)不同于順序結(jié)構(gòu)，它并非嚴(yán)格根據(jù)物理順序自上而下地執(zhí)行編程語(yǔ)句，而是按照一定的條件判斷去選擇執(zhí)行哪一個(gè)分支。分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的核心在于如何正確地分析程序流程，并構(gòu)造表達(dá)清晰邏輯合理的判斷條件，再根據(jù)不同的條件設(shè)置適當(dāng)?shù)姆种窂?。分支結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)讓學(xué)生真正意義上接觸到程序設(shè)計(jì)，也為后續(xù)學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)[5]。

為了幫助學(xué)生更好地對(duì)工程應(yīng)用問(wèn)題有感性直觀地認(rèn)識(shí)，我們?cè)诮虒W(xué)中采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生上臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)操作，利用各個(gè)傳感器控制彩色燈的操作，進(jìn)行親身實(shí)踐，不僅增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)工程應(yīng)用的體驗(yàn)，而且能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心。

圖1 分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

（二） 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)

“循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)”是本課程非常重要的部分。面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)有三大結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)是其中最復(fù)雜也是最核心的部分。循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)思想貫穿于本課程其他章節(jié)，如函數(shù)、數(shù)組、指針等方面的應(yīng)用，掌握好循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)學(xué)好本課程至關(guān)重要。在教學(xué)中，我們模擬生活中大家熟悉的場(chǎng)景案例，將應(yīng)用問(wèn)題簡(jiǎn)化，吸引學(xué)生的注意力，采用演示為主、板書(shū)演示為輔的教學(xué)手段，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)方案，寫(xiě)出相應(yīng)的程序，并上臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)操作演示實(shí)際應(yīng)用中霓虹燈帶的反復(fù)亮滅，親身實(shí)踐循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)物理世界的理解，和對(duì)簡(jiǎn)單工程應(yīng)用問(wèn)題程序設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用能力[6]。

圖2 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

（三） 人工智能綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本知識(shí)點(diǎn)“人工智能綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”在了解基本程序設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)提高實(shí)踐，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)設(shè)計(jì)一系列人臉識(shí)別、機(jī)器翻譯、物聯(lián)網(wǎng)控制等大約相關(guān)拓展實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生更加形象與深入理解智能時(shí)代的相關(guān)信息技術(shù)提供虛擬仿真的體驗(yàn)，并激發(fā)出學(xué)生綜合運(yùn)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

在此綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)中，我們利用樹(shù)莓派虛擬仿真平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生利用傳感器、攝像頭、顯示器等物理設(shè)備以及相關(guān)計(jì)算機(jī)元器件進(jìn)行交互式實(shí)踐，有助于學(xué)生在程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)之外，對(duì)電子學(xué)、自動(dòng)控制論、信息論、系統(tǒng)論、仿生學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等多種學(xué)科有基礎(chǔ)的認(rèn)知與了解，幫助學(xué)生在人工智能視域下更加系統(tǒng)全面地掌握信息技術(shù)知識(shí)、提高編程實(shí)戰(zhàn)技能，并為后續(xù)人工智能課程的進(jìn)階學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7-8]。

圖3 人工智能綜合應(yīng)用（人臉識(shí)別）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

四 結(jié)語(yǔ)

本文提出的人工智能視域下程序設(shè)計(jì)課程的創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐方法注重使學(xué)生在知識(shí)和能力方面有一定的掌握與內(nèi)化提升，其課程評(píng)價(jià)理念聚焦多元目標(biāo)體系，突出享受學(xué)習(xí)，符合新工科教育理念中使學(xué)習(xí)成為一種生活方式的要求，也順應(yīng)了人工智能時(shí)代人才培養(yǎng)的發(fā)展需求。

本方法結(jié)合人工智能等先進(jìn)前沿信息技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)元器件以及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等多媒體設(shè)計(jì)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)類課堂實(shí)驗(yàn)，支持課程多樣化的呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)前沿科技的探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。將人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的科技元素融入教學(xué)實(shí)踐中是本創(chuàng)新教學(xué)方法中最有特色的地方，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中獲得饒有趣味的體驗(yàn)，親身感受程序設(shè)計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域的重要作用，不斷鼓勵(lì)學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)，積極學(xué)習(xí)前沿科學(xué)技術(shù)，激發(fā)學(xué)生在人工智能視域下產(chǎn)生工程研究的興趣。通過(guò)多輪教學(xué)實(shí)踐表明，本創(chuàng)新教學(xué)方法設(shè)對(duì)于程序設(shè)計(jì)類課程的改革與完善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。