0 引 言
随着人工智能技术的快速发展，对话系统已经成为人工智能中一个重要的人机交互界面。对话机器人技术在对话系统技术的发展中发挥着至关重要的作用，是对话系统技术发展的前沿[1]。在全球范围各行各业内引起广泛反响的应用代表为百度文心一言/ChatGPT，其在教育领域的应用越来越受到大家的关注和期待，特别是在高等学校的人工智能程序设计教育中，引入百度文心一言/ChatGPT 可以为学生带来更加先进和智能的教学模式。
对话机器人模型比如 ChatGPT，具有突出的自然语言处理能力和领先的人工智能技术，可以为学生提供更加全面和高效的学习体验，它还可以解释输入代码，在编程语言之间翻译代码等[2]。此外百度文心一言/ChatGPT 还可以根据学生已有的知识水平、个人习惯和兴趣爱好，提供个性化的交互式学习，更加智能化、人性化地指导学生。与传统的教学方式相比，百度文心一言/ChatGPT 可以更加深入和个性化地指导学生，学生自主学习的机会也更多。此外，通过交互式的互动方式，学生可以更好地将理论知识转化为实践技能，探索更多的程序设计方法和技术，并提高技术创新的能力。因此，引入百度文心一言/ChatGPT 等人工智能技术，可以为高等学校程序设计教育注入更多的智能元素，提高教育质量，进一步推动人工智能技术在教育领域中的应用和发展。
1 百度文心一言/ChatGPT 等人工智能技术在高等教育中的研究背景和意义
程序设计作为一个极其重要的学科，应深刻把握新时代的发展规律。目前高校的程序设计教学一直以来都是基于传统的教学方法，如课堂讲解、实践操作等，然而，由于传统教学的某些局限性，许多学生会遇到困难，难以真正理解和掌握相关知识和技能，因此，引入人工智能技术，如基于 OpenAI（Open Artificial Intelligence，开放人工智能）的百度文心一言/ChatGPT，可以提供一种全新的教学方法，帮助学生更好地理解和应用程序设计知识，同时提高学生的学习积极性和兴趣。在这个背景下，高等教育界开始探索在程序设计教学中应用百度文心一言/ChatGPT 的可行性和优势。
OpenAI 的目标是通过开展研究、制订政策和推动应用，培育和推进人工智能技术的发展和普及，其致力于开展基础科学研究和转化应用研究，致力于将 AI（Artificial Intelligence，人工智能）技术应用于医疗、农业、教育、安全等各个领域，改变人类的生活和工作方式。研究成果包括开发出 AlphaGo、GPT、DALL-E 等先进的人工智能系统，并在各种技术领域和学术界中广泛应用。
文心一言是百度全新一代语言模型文心大模型家族的新成员，能够与人对话互动，回答问题，协助创作，高效便捷地帮助人们获取信息、知识和灵感，提升效率，解决问题；它基于飞桨深度学习平台和文心知识增强大模型，具有持续从海量数据和大规模知识中融合学习以具备知识增强、检索增强和对话增强的技术特色。ChatGPT是基于 GPT-3（Generative Pre-trained Transformer）的大规模数据集训练的神经网络模型，具有较高的语言理解和生成能力，能够生成符合语法和语义规范的自然语言文本。GPT-3 是一个大型的预训练语言模型，通过在大量文本数据上预训练后调整模型参数，可以执行各种自然语言处理任务，如场景模拟、文本生成、问答、归纳总结等。ChatGPT 是基于大数据训练的语言生成模型（Language Generation Model based on Big Data Training）AI 虚拟助手，它在多任务、多语言和多模态方面的大多数任务上优于零样本学习的 LLM[3]，这使它能够更好地融合现有的教育方式。
作为一款基于自然语言处理技术的人工智能工具，百度文心一言/ChatGPT 可以快速学习和理解自然语言的特点和含义。在教育领域中，百度文心一言/ChatGPT 可以帮助学生自主学习、提供个性化教育支持、自动问答并实现自适应学习，从而提高程序设计课程学习的效率和质量。
百度文心一言/ChatGPT 可以以但不限于“智能教育助手”“自适应学习工具”或“编程教育智能辅助工具”这 3 种角色在程序设计课程中发挥作用。
智能教育助手（Intelligent Education Assistant）：百度文心一言/ChatGPT 在教学过程中，利用人工智能技术为学生提供个性化、自适应、即时式的学习支持、答疑、反馈和辅助。
自适应学习机器人（Adaptive Learning Robot）：百度文心一言/ChatGPT 能够根据学生的学习特点、差异性和学习进度，自动提供符合学生需求和水平的教学内容和资源，并给予即时的反馈和支持。
编程教育智能辅助工具（Programming Education AI Tool）：百度文心一言/ChatGPT 在教学过程中，利用人工智能技术为学生提供编程内容的自动评估、自适应学习、自动辅导和反馈，促进编程学习的提高和效率。
2 基于人工智能的程序设计教学设计方案
虽然在传统教育中有许多互动方式，如电子邮件交流、学生与学生的互动以及学生与教师的互动，但是这些都无法促进更方便学生的个性化学习体验。Chatbot 技术可以为学生提供更加个性化和引人入胜的学习环境。大型语言模型百度文心一言/ChatGPT 利用人工智能技术实现的智能程序，可以模拟人类之间的交互。在程序设计课程中，它可以为学生提供编程问题的自动问答、辅助学习和学习反馈，其中，百度文心一言/ChatGPT 作为自然语言处理领域最新的技术之一，可以模拟人类自然交流方式，具有自主生成语言的能力，为编程教育提供了更多的可能性。
为了设计基于百度文心一言/ChatGPT 的程序设计课程，我们需要考虑以下几个方面。
（1）目标学生群体：确定目标学生群体，如本科生、研究生等级别不同的学生需要不同深度的课程内容和难度。
（2）课程目标：明确课程的目标和学习成果，如学生需要掌握哪些编程语言、算法、数据结构等知识，还需要具备哪些技能，如问题解决能力、团队协作能力等。
（3）教学内容和教学方法：根据目标学生群体和课程目标，选择适合的教学内容和教学方法。教学内容包括编程语言、算法、数据结构、设计模式等方面的知识，教学方法可以选择讲授、演示、练习、项目等方式，注重实践和项目驱动的教学模式。
（4）评估方法：为了评估学生的学习成果，需要制订合适的评估方法，如编程作业、项目、考试等。评估方法要求明确、公平、准确。
（5）实践与反馈：在教学过程中，注重实践与反馈，给予学生充分的机会进行练习和实践，同时给予及时、具体、个性化的反馈，帮助学生及时发现和纠正错误，提高学习效果。
基于以上几点设计如下基于百度文心一言/ChatGPT 的程序设计课程教学设计方案。
（1）目标学生群体：本科生或者研究生。
（2）课程目标：通过百度文心一言/ChatGPT 模型的特性，加强学生的实践能力，培养解决问题的能力，并掌握 C 语言程序设计的基础知识和实践技巧，培养问题解决能力、团队协作能力和项目驱动的开发思维。
（3）教学内容：包含语言基础、数据结构和算法、百度文心一言/ChatGPT 三大部分。语言基础包括变量、数据类型、运算符、控制语句等；数据结构和算法则包含数组、链表、栈等数据结构，排序、查找、递归、动态规划等算法；百度文心一言/ChatGPT 模型的应用和特性，包括文本生成、语音识别等。应用百度文心一言/ChatGPT 开展个性化编程训练，让学生通过编写 C 语言代码进行处理和分析，激发学生的兴趣和创造力，同时帮助学生巩固 C 语言的语法知识和提高实践能力。
（4）教学方法：理论讲解、实践操作、项目开发。通过项目实践，培养学生的团队协作能力和项目管理能力，帮助他们逐渐熟悉软件开发流程和规范。
（5）评估方法：编程作业、项目评估、期末考试。
（6）实践与反馈：通过编写程序代码和参与项目实践，学生可以深入了解 C 语言和百度文心一言/ ChatGPT 模型，并掌握程序设计的实践技巧。老师将对学生提交的代码进行评估，并提供及时、具体、个性化的反馈，帮助学生及时发现和纠正错误，提高学习效果；同时，为了更好地应用百度文心一言/ChatGPT 模型，建议学生了解自然语言处理和机器学习等相关知识。通过项目实践，帮助学生掌握百度文心一言/ChatGPT 模型的应用技巧，并培养创新思维和实践能力。
3 基于人工智能的程序设计教学案例
基于百度文心一言/ChatGPT 的程序设计教学可以提供个性化教育支持，包括个性化学习内容和个性化的学习反馈。具体来说，基于百度文心一言/ChatGPT 的程序设计教学可以从以下几个方面实现。
（1）辅助学生学习：学生在学习 Python 编程语言时遇到了问题，可以向百度文心一言/ChatGPT 提问，如图 1 所示。例如学生提问如何在 C 程序设计中使用数组进行数据操作，百度文心一言/ChatGPT 将为学生提供详细的解释和示例代码，帮助学生掌握使用列表进行数据操作的方法。
（2）提供编程练习：百度文心一言/ChatGPT 设计了一系列关于数据结构和算法的编程练习题目，学生可以通过编写代码完成练习，并交由百度文心一言/ ChatGPT 自动评测，帮助学生巩固数据结构和算法的知识（如图 2 所示）。
（3）模拟面试场景：学生参加编程岗位的面试，百度文心一言/ChatGPT 扮演面试官的角色，向学生提出一个关于字符串操作的编程问题，要求学生在规定时间内编写代码解决问题，提高学生编写高质量代码的能力（如图 3 所示）。
（4）个性化教学：学生在学习 C 语言时，百度文心一言/ChatGPT 分析学生的学习情况和能力水平，根据学生的需要和能力提供个性化的学习建议和指导（如图 4 所示）。
具体可以从以下几个方面开展：①自动问答：通过百度文心一言/ChatGPT 智能回答编程学习中的问题，提供自动化的答疑服务，帮助学生更快地解决问题和掌握知识。②个性化学习：百度文心一言/ChatGPT 可以根据学生的学习兴趣和能力，提供符合他们需求和条件的编程学习方案和资源，提高学生的学习动力和兴趣。③学习反馈：通过百度文心一言/ChatGPT 的自动评估和反馈机制，帮助学生了解自己掌握的程度并提供自我提高的意见和建议。
（5）提供编程资源：学生在学习 C 编程语言时，百度文心一言/ChatGPT 向学生提供一些编程资源和资料，包括 C 编程教程、开发工具、C++ 编程书籍等，帮助学生扩展知识面和提高编程水平（如图 5 所示）。
在本案例中，我们将设计一个基于百度文心一言/ChatGPT 的编程教育辅助工具，方便学生学习编程并提高编程效率，在此基础上，实现百度文心一言/ChatGPT 的自我学习与自我适应，以提供更加符合学生需求的编程课程。在百度文心一言/ChatGPT 模型模式下，通过机器学习模型不断训练，对编程教学知识和技能实现快速学习。接下来，将介绍自适应编程教育环节和案例操作流程。
（1）环节一：选择编程语言和难度。学生可以根据自己的编程水平和兴趣选择编程语言和难度，百度文心一言/ChatGPT 会提供相应的编程学习资源和题目。例如，学生告诉百度文心一言/ChatGPT 自己刚刚学习完 C 语言的第二章基本输入输出，请百度文心一言/ChatGPT 为自己设计两个个性化训练题目（如图 6、图 7 所示）。
（2）环节二：自动问答。学生可以通过与百度文心一言/ChatGPT 对话来获得编程学习中遇到问题的解答，提高编程效率。例如，学生对 C 语言中为什么要使用指针感到困惑，可以通过询问百度文心一言/ChatGPT 得到精确、高效、完整的解答（如图 8、图 9 所示）。
（3）环节三：编程实践。学生可以使用百度文心一言/ChatGPT 提供的编程资源和题目进行实践，实时获得反馈和提高。例如，学生提交百度文心一言/ChatGPT 提供的编程题目后，百度文心一言/ChatGPT 进行实时评阅。百度文心一言/ChatGPT 的评阅非常符合个性化学习需求，它并不是简单的评阅对错。即使学生提交的答案是正确的，它也能够提出进一步的修改意见，帮助学生实现自我能力的提升（如图 10 所示）。
（4）环节四：学习反馈。百度文心一言/ChatGPT 会根据学生的编程实践和答题表现，提供适当的答案和反馈，并为学生提供持续学习以及提高的建议和方向（如图 11 所示）。
通过以上环节的组合实现基于百度文心一言/ChatGPT 的个性化编程教育，帮助学生更快地掌握编程知识和技能并提高学习效果和兴趣。
4 结 语
目前，新型的程序设计教学方法应运而生，人工智能程序设计教育便是其中的有力支持。百度文心一言/ChatGPT 能够模拟人类之间相互交流，促进学习体验的加强和能力的提升。随着深度学习技术、计算能力和自然语言处理技术的不断进步，百度文心一言/ChatGPT 在高等教育领域的应用更加广泛和可行，特别是在高等学校的程序设计教育中，引入百度文心一言/ChatGPT 技术可以获得明显的优势。百度文心一言/ChatGPT 作为一个基于 GPT-3 的对话机器人模型，具有强大的自然语言处理能力和灵活性，可以与使用者智能对话，提供个性化的交互式学习体验。在程序设计教学中，它可以为学生提供实时的问题解答和知识点补充，同时帮助学生更好地理解和应用所学的知识和技能。与传统教学相比，百度文心一言/ChatGPT 可以更加深入和个性化地指导学生，自主学习的机会也更多，更有助于激发学生的学习兴趣和探究欲望。因此，引入人工智能技术如百度文心一言/ChatGPT 可以提高程序设计教学的效果，为学生提供更好的学习体验和更多的机遇，培养学生的创新思维和实践能力，有望在推动技术进步的同时为教育事业作贡献。
百度文心一言/ChatGPT 作为一种新的教育模式，可以为学生提供更好的学习体验和个性化支持，帮助学生更快地掌握编程知识和技能。通过创建一个百度文心一言/ChatGPT 服务系统，在人工智能和教育方法的结合中孵化一个创新的学习环境和平台。通过百度文心一言/ChatGPT 提供编程问题的自动问答、辅助学习和学习反馈，旨在实现个性化教育和提高学生的学习兴趣和信心以及增强学生实际编程技能的能力，为人工智能技术与编程教育展开更广阔的空间和充分发挥其教育价值提供一个新契机。未来，我们可以将基于百度文心一言/ChatGPT 的编程教育进一步扩展和完善，探索更加智能、个性化的教育方式，提高教育的效果和质量。
参考文献：
[1] 王树良, 李大鹏, 赵柏翔, 等. 聊天机器人技术浅析[J]. 武汉大学学报, 2021(2): 296-302.
[2] Finnie-Ansley J, Denn P, Becker B A, et al. The robots are coming: Exploring the implications of OpenAI Codex on introductory programming in: Australasian computing education conference[EB/OL]. [2022-02-14]. https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3511861.3511863.
[3] Jin B Y, Cahyawijaya S, Lee N, et al. A multitask, multilingual, multimodal evaluation of ChatGPT on reasoning, hallucination, and interactivity[EB/OL]. [2023-02-28]. https://arxiv.org/abs/2302.04023.
基金项目：陕西省重点研发计划项目（2023-YBGY-012）；西北工业大学教育教学改革研究项目（2022JGZ15）；西北工业大学高等教育研究基金国际化专项（GJGZZD202301）；教育部产学合作协同育人项目（220605448095722）。
第一作者简介：汪芳，女，西北工业大学副教授，研究方向为计算机软件与理论，wangf@nwpu.edu.cn。
引文格式：汪芳，赵左，王毅航，等.人工智能在程序设计教学应用中的探索与实践[J].计算机教育, 2023(11):45-50.
转自：“计算机教育”微信公众号
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