大模型时代背景下程序设计课程层次化教学探索与实践

摘要：随着大模型时代的来临，传统程序设计课程的教学方法和手段正面临着深刻的变革。文章探索了大模型时代背景下程序设计课程的层次化教学，将课程内容划分为入门层、基础层和实践层共三个认知层次，并利用大模型技术辅助各层次教学实践，同时结合各层次教学内容特点融入课程思政，使学生能更加主动地利用大模型技术提高学习效果。设计了多元过程化考核方案，实践结果表明，此教学模式不仅能提高学生成绩，还有助于学生将程序设计课程与各自专业相结合并实现很多有价值的案例，从而提高了计算思维的培养质量。

关键词：大模型；计算思维；过程考核；程序设计；思政

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）05-0135-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

随着人工智能（AI） 技术的飞速发展，大模型已成为当今科技领域的热点之一。2023年9月，联合国教科文组织颁布了《教育和研究中使用生成式AI指南》，这一里程碑式的事件标志着生成式人工智能在教育领域的应用正式得到了国际组织的认可与指导。与此同时，中国的教育部门也提出将人工智能技术深入教育教学和管理的全过程、全环节，并研究其有效性、适应性。在这一背景下，程序设计课程也迎来了前所未有的机遇与挑战。

大模型一方面为程序设计课程提供了丰富的教学资源和手段，另一方面也为学生提供了全新的学习平台，使其能够在与机器的交互中，更直观地理解编程逻辑并提升编程技能。然而，大模型的应用也给程序设计课程带来了不小的挑战：首先，如何将大模型技术融入传统的教学体系并确保新技术与传统教学内容的有机结合，这是一个复杂的实践过程；其次，学生可能会过度依赖大模型工具而忽视对基础编程知识和技能的掌握。此外，大模型生成的代码虽然高效，但是其缺乏正确性的验证，可能导致学生缺乏独立思考和创新的能力。因此，如何充分利用大模型的优势并克服其可能带来的负面影响，是一个需要在实践中深入探索的问题。

许多学者已经进行了多方面的有益探索。一些研究人员将多模态教学资源与大模型相结合来增强学生的学习体验，助力学生的知识获取、能力提升和价值塑造[1]。针对编程教学所面临的挑战，一些学者提出了基于大模型的个性化解决方案[2]。还有一些学者通过人工智能对话机器人在程序设计教学中的探索与实践，为教育者和学习者提供了新的学习经验[3]。一些教育工作者提出了基于大模型和知识转化模型的实践教学模式，以提升学生的数字素养和创新思维[4]。这些探索工作展现了大模型在程序设计教学中的潜力和初步应用成果。为了更加系统性地利用大模型培养学生的计算思维，本文设计了层次化的教学模式，并且在每个层次融入课程思政，使得学生能够更加主动地利用大模型技术提高学习效果，设计了一种多元过程化考核方案，以全面、客观地评价学生的学习成果和能力提升情况。

1 大模型辅助程序设计课程层次化教学

随着大模型技术的迅速发展，传统的程序设计课程教学已经难以满足新时代的需求，为了更好地培养学生的计算思维和实践能力，本文构建了一个层次化的教学框架，包括入门层、基础层和实践层，如图1所示。入门层主要介绍计算的本质与文化，基础层介绍程序设计语言的基本语法和常用算法设计思路，实践层介绍面向对象，软件工程等复杂程序设计方法。这个框架不仅体现了循序渐进的教学原则，而且充分考虑了大模型技术在不同教学阶段的应用方式。这样的层次化教学，不仅能够让学生逐步从对编程的初步认识过渡到熟练掌握编程技能，还能够引导他们在实践中不断创新。下面将详细介绍这个层次化的教学框架及其在各阶段的教学目标和大模型应用方式。

1.1 入门引导：大模型辅助代码理解

在入门阶段，教师可以通过详细分析温度转换这样的典型案例，使学生迅速了解程序设计语言的基本语法特征并能够模仿编写一些简单程序。在此阶段，学生经常会遇到各种错误，这些错误主要是一些常见的语法错误，例如将西文逗号写成了中文逗号、缩进没有对齐、括号不匹配或者缺少某些语法标记等。虽然编译器会针对这些语法错误给出提示，但是由于提示有时不是很精准，因此还是会给学生带来很大的困惑。

这时大模型就能起到很好的辅助查错和解释的作用，从而能够迅速帮助学生扫清语法上的学习障碍，养成严谨编程习惯。对于初学者而言，另一个问题就是其对代码的理解不是很透彻，这时大模型可以为程序生成每一行代码的详细注释，从而帮助学生理解代码的含义和执行流程，为下一步的学习打好基础。在编程的入门教学中，虽然大模型等先进技术工具能够提供有力的辅助，但教师的引导作用仍然不可或缺。学生最初对计算机的理解可能仅仅停留在“一种高科技工具”的层面，此时教师的首要任务便是引领学生深入了解计算机的本质和发展[5]，包括图灵提出的计算机理论模型——图灵机，到冯诺依曼基于图灵机提出的计算机物理模型，再到第一台通用电子计算机INIAC的诞生。随着计算机软硬件技术的不断发展，计算机的性能越来越强大，并且影响到人类社会的每一个角落，在这一过程中，中国的计算机技术也经历了从追赶到超越的历程。例如，中国自主研发的超级计算机“天河一号”和“太湖之光”很早就已超越了欧美的同类产品。将这些案例融入教学，不仅能帮助学生更深入地理解计算机的本质和发展，还能激发他们的爱国热情，从而树立科技报国的远大理想[6]。

1.2 基础强化：大模型辅助代码优化

在入门阶段了解了基本的语法语义之后，学生在基础阶段要通过更多的练习提高语用能力。在练习的过程中，教师应鼓励学生从代码可读性、时间复杂度和空间复杂度的角度优化代码。例如，在求解素数时，可以将循环的次数从n 次降为log（n），统计数值串长度可以利用整除取模不断累加的方式，也可以通过先转化为字符串类型再求长度，或者其他通过减少循环次数提高算法执行效率的方法等。随着问题越来越复杂，解题的方式也越来越多，教师要鼓励学生尝试不同的方法，尽量使得代码简洁高效。在尝试的过程中，学生遇到的问题也会越来越多，之前在入门阶段这些问题主要表现为显性的语法错误，在基础阶段它们主要表现为逻辑错误，往往更加隐蔽，会给学生带来很大的困惑。大模型在这时能起到很好的辅助查错和代码优化的作用，也能为学生提供更多的解题思路，这不仅有助于培养他们的创新思维，也能够帮助他们在实践中积累编程经验。

循环是学生在基础层需要掌握的重点和难点。循环的执行过程在精神层面类似于精益求精和追求卓越的工匠精神。为了避免学生过分依赖大模型而缺乏独立思考，教师在教学过程中要引导学生养成精益求精、追求卓越的态度，不断优化代码逻辑，力求以更加简洁高效的算法解决可计算问题。以求π为例，首先介绍中国古代科学家祖冲之采用割圆术的方法经过多年的努力将π的计算精度精确到小数点后面7 位，这在当时是非常了不起的成就。其次介绍蒙特卡洛方法，它利用概率统计近似求解不规则面积比例进而得到π值，这种方法体现了计算机解决问题方式的特点，即通过不断地枚举、计算和验证来解决复杂计算问题。蒙特卡洛方法利用随机数进行模拟，其计算精度在求解过程中会有波动，但是随着样本量的增大，结果会逐渐趋近于更加精确的值。虽然这两种方法的计算过程不同，但都体现了一种精益求精、追求卓越的工匠精神。只有具备了这样的精神，学生才有强大的内驱力利用大模型不断地优化代码，创新实现方法，从而更好地培养创新思维和计算思维。

1.3 实践应用：大模型辅助代码实现

传统的程序设计教学对于非计算机专业的学生来说，学习的效果一般只能是解决一些数学计算问题或者实现一些简单的应用。但是在大模型时代，有了大模型的辅助和引导，学生可以克服更多的困难，解决一些复杂的应用问题。例如，在人物拼图游戏这一相对复杂的编程案例中，大模型发挥了重要的辅助作用。根据案例需求，大模型首先将项目分解为界面设计、碎片处理、拖拽交互和验证逻辑等功能模块，并且为每一个模块提供了实用的代码片段和示例，使学生能够迅速掌握并实现所需功能。特别是在界面设计和拖拽交互上，大模型的引导让学生轻松创建了交互友好的游戏界面，并实现了流畅的拖拽操作。在验证逻辑方面，大模型不仅提供了传统方法，还启发学生运用图像识别技术进行创新验证。最后，大模型还协助学生进行全面的测试和调试工作，以确保游戏的稳定性和娱乐功能。在大模型的辅助下，学生们不仅顺利地完成了游戏开发工作，还收获了宝贵的编程经验和技能。

虽然大模型能够提供强大的辅助功能，但是学生在解决实际问题的过程中，仍然会面临很多的困难，这时要想成功地解决问题就需要有坚韧不拔和持之以恒的精神。函数是将复杂问题简化处理的重要手段，而递归是函数的高级应用。递归的执行过程类似于人的探索和研究过程，二者都需要不断地递推分析，直到找到最底层问题的答案，然后逐层回溯以解决顶层的复杂问题。递归在实现的过程中，由于每次递推都要保留上一层调用函数的参数、变量和返回值地址等数据，因此会消耗大量的时间和空间。虽然有些问题可以通过非递归的方式来实现，但是有些复杂的非线性递推问题只能通过递归来实现。学生在实践应用中遇到困难的时候，要发挥类似递归这样的钻研精神，通过层层分解，将复杂任务分解为小任务，并且利用好大模型的辅助实现功能，在实践中不断提高分析问题和解决问题的能力。

2 多元过程化考核评价

在大模型时代背景下，程序设计课程的层次化教学显得尤为重要，而多元过程化考核则是确保这一教学模式有效实施的关键环节，如表1所示。首先，通过多元过程化考核，教师能够分阶段地检验学生在不同教学层次中的学习成果，从而及时调整教学策略，确保各层次教学目标的顺利实现。其次，多元过程化考核有助于促进大模型在教学中的有效应用，引导学生在实际操作中提升其编程能力。再次，定期的考核和反馈机制能持续激发学生的学习动力，培养他们的自我管理能力。同时，全面的考核内容使得教师能够准确评估学生的综合素质，为个性化教学提供依据。最后，多元过程化考核在实现立德树人教育目标方面也发挥着重要作用。通过对学生在学习过程中的态度、合作精神和解决问题能力等方面的考核，教师可以有针对性地培养学生的理想信念、工匠精神和意志品质。这种考核方式不仅关注学生的知识和技能掌握情况，更注重在学习过程中培养学生的综合素质和品德修养。

多元过程化考核通过考查课堂参与度、作业完成质量、阶段测试成绩、案例作业或项目开发成果以及期末考试表现等多个维度，全方位评价学生的学习成效。在入门阶段，考核重心在于学生对程序设计基础概念和知识的掌握。进入基础阶段后，重点则转向学生对编程语言的理解和应用能力。阶段测试是检验学生知识掌握情况的重要手段，通过定期的测试，教师能够及时了解学生在不同阶段的学习状况，从而调整教学策略和重点。同时，学生在大模型的辅助下，可以更好地理解和掌握编程语言的语法和逻辑，提高编程的准确性和效率。到了实践阶段，多元过程化考核更加看重学生的实际操作能力和创新思维，特别是通过案例作业和项目开发来检验学生解决问题的能力。期末考试则是对学生整个学期学习的全面检验，如表1所示。

这种多元化的考核方式，不仅使学生的学习效果有了明显的提升，而且促进学生将学到的程序设计知识与各自专业相结合，提高了学生的实践能力，开发了很多具有实际应用价值的案例和系统。例如，心理学专业学生充分利用所学的心理学知识和编程技能，在大模型的辅助下，开发了一个认知性警戒作业模拟及绩效测试系统，这个系统旨在模拟在不同警戒任务下的认知负荷，评估个体在不同压力环境下的反应速度和准确性，助力科学选拔与评估作业人员，促进疲劳管理和健康监控，具有很高的实用价值和应用前景。通过这一实践过程，学生不仅加深了对认知性警戒相关概念和理论的理解，更在实际操作中锻炼了编程技能。大模型背景下的过程化考核不仅考查了学生的知识掌握情况，更重要的是，它培养了学生的实际问题解决能力、创新思维和团队协作能力。面对系统开发中的种种挑战和困难，学生们也展现出了不懈的探索精神和顽强毅力，这种品质对他们的个人成长和职业发展都至关重要。

3 结束语

本文探索了在大模型时代背景下程序设计课程的层次化教学实践，将大模型技术融入程序设计的各个教学环节，并通过多元过程化考核验证了其可行性及效果。实践结果表明，该教学模式不仅提高了学生的计算思维，而且培养了他们的工匠精神和创新能力。随着技术的不断进步，未来仍需进一步探索大模型在程序设计教学中的潜力。在后续实践中，将继续优化课程体系，拓展大模型的应用范围，进一步完善多元过程化考核方案。同时，也将重点关注学生在新技术环境下的学习动态以确保教学模式与时俱进，从而为学生的全面发展提供有力的支持。

参考文献：

[1] 袁景凌，张鑫，钟忺，等.GPT背景下的多模态在线教学资源数智化建设[J].计算机教育，2023（12）：293-297.

[2] 徐慧，鞠小林，王皓晨.大模型下编程教学面临的挑战与应对[J].计算机教育，2023（11）：60-64.

[3] 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.

[4] 刘春红，张正玲，洪双喜，等.基于大模型的提升数字素养的计算机网络课程实践教学模式[J].计算机教育，2024（3）：85-90.

[5] 姜洋，衡红军，李俊生.基于计算思维层次化认知的大学计算机教学改革实践[J].中国大学教学，2020（11）：59-63.

[6] 姜洋，张志远，何志学.程序设计课程思政系统化教学模式探索[J].计算机教育，2022（10）：106-109.

【通联编辑：王 力】

基金项目：中国交通教育研究会教育科学研究项目（JT2022YB461），天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划重点项目（B231005915） ；高校教育教学改革与研究项目（CAUC-2023-GL-A01）