AI赋能程序设计公共课数字化建设与教学

【主题】Al赋能程序设计公共课数字化建设【直播平台】线上多平台同步联播精彩活动预告精彩活动预告11月21日（19:30）第127期-东方专家-星环大模型及其应用11月29日（全天）第四届多学科协同人工智能理论与应用研讨会暨黑龙江省第五届人工智能教育大会12月5日（19:30）第128期-汪广盛主席-数据素养主题专家主编书籍扫码添加微信邀请进入社群赵广辉教授武汉理工大学《AI赋能程序设计公共课数字化建设》l国家级一流课程“Python程序设计基础”负责人l全国高等院校计算机基础教育研究会常务理事l获国家教学成果二等奖1项、湖北省教学成果奖4项l获武汉理工大学“卓越教学耕耘奖l主编《Python程序设计基础》获全国高等院校计算机基础教育研究会“优秀教材奖厦大数据库实验室主办AI赋能程序设计公共课数字化建设与教学赵广辉武汉理工大学20242024年11月14日02这是一个变革的时代这是最好的时代，这是最坏的时代；这是智慧的时代，这是愚蠢的时代；这是信仰的时期，这是怀疑的时期；这是光明的季节，这是黑暗的季节；这是希望之春，这是失望之冬；AIGC比肩蒸汽机的诞生查尔斯·狄更斯《双城记》积极应变主动求变变变03AI时代程序设计公共课教学的机遇与挑战AIfor程序设计程序设计程序设计程序设计人工智能程序设计forA程序设计forAI……编程猎聘大数据猎聘大数据智能AIGC领域人才需求激增智能612.5%专业兼具智能素养与专业能力德勤中国公司发布的《产业数字人才研究与发展报告(2023)》指出专业兼具智能素养与专业能力缺口在2500万至3000万AIGC对程序设计教学的影响01AI辅助数字化课程建设02ContentsAI赋能程序设计教学0305工业时代到生成式人工智能时代机器代替手工劳动农村人口下降城市人口提高自耕农民—>产业工人第二次工业革命第一次工业革命第二次工业革命第一次工业革命蒸汽机带动工业化生产电气化第三产业迅速发展新型经济：知识经济信息化涌现智能2026第四次工业革命?第三次工业革命第四次工业革命?第三次工业革命智能化计算机带动数字化生产智能化轻纺工业转为重工业新的产业：汽车、飞机、电话电力机械、家用电器等现代制造业新的职位：工程师、机械师、维修工、后勤工人、经理等智能化不仅仅是技术变革更是一场认知与思维革命会引起教育和教学的变革06AIGC带来的人力需求变革人力需求转变人力结构转变人力需求转变人力结构转变艾瑞咨询：艾瑞咨询：2024年AIGC+教育行业报告07AI+教育发展历程深度学习技术深度学习技术GPT模型多模态和交互式AIGCAIGC生成对抗网络生成对抗网络GPT-2和GPT-3诞生期摸索期产业期偏向于推理和分析，通过分析数据，发现其中的规律和模式并用于其他多种用途偏向于推理和分析，通过分析数据，发现其中的规律和模式并用于其他多种用途答疑、练习、模拟测试等环节代替部分教师的重复性劳动认知与思维革命教育和教学变革跃迁跃迁推动大规模的因材施教逐步落地艾瑞咨询：艾瑞咨询：2024年AIGC+教育行业报告08AIGC推动教育框架进化生成式AI技术在知识量、信息获取和处理方面的强势能力，迫使教育界进一步反思现有的教育框架更好的教学主体师-生-机协同教学AI更好的教学主体师-生-机协同教学AI强化师资力量AIGC教育框架思考与创造创造性社交性AIGC教育框架思考与创造更好的教学载体赋能教师因材施教更好的教学载体赋能教师因材施教更重要的教学内容高阶通识能力高阶通识能力个性化教学资源和路径跨学科复合能力AIGC技术素养个性化的学习主体培养批判性思维培养批判性思维AIGC带来的技术依赖可能弱化学习主体的主动性和敬畏感合理分配资源平衡教育和技术发展的需求09培养不被AI替代的人多样化多样化技能AIAI不会替代所有人但会替代不会使用AI的人专注需要创造力与情感智慧领域批判性思维战略思维利用AI批判性思维战略思维利用AI提高效率科学思维细致内细致内容创作复杂问题求解代码生成自动化测试自动化重构代码生成自动化测试自动化重构错误检测和修复代码优化o1模型是新范式的开端11生成式AI全民化与AI增强开发改变程序设计教学Gartner2024年十大战略技术趋势1.全民化的生成式人工智能2.AI信任、风险和安全管理(AITRiSM）5.平台工程6.AI增强开发7.行业云平台8.智能应用9.增强型互联员工队伍10.机器客户12关注创造力、解决问题能力和创新能力培养和发展人类的价值创造力AI人类编码程序员培养和发展人类的价值创造力AI人类编码程序员AI黄仁勋决问题能决问题能创新能力任务执行者创造力、技术知识和批判性思维的融合创新能力任务执行者创造力、技术知识和批判性思维的融合同理心、情商、对业务背景的透彻理解李彦宏核心工作:判断哪些任务需要完成定义不同任务完成标准核心工作:判断哪些任务需要完成定义不同任务完成标准研究任务的目标是什么如何与AI协作达成目标缺乏对复杂、未定义问题的深刻直觉和丰富的上下文理解和知识传授（从教师角度知识被浓缩为“知识点”布鲁姆学习目标分类体系斯金纳程序教学模式将要素重新组织在一起基于原则标准作出判断分析分解材料确定相互关系分析学习力应用学习力应用低阶认知理解低阶认知理解记忆从长时记忆中提取知识创新评价创新评价分析高阶认知问题分析问题分析降低学习难度需求需求定义平衡点算法设计程序设计教学难点平衡点算法设计程序设计教学难点程序设计编码•学习曲线陡峭程序设计编码测试•编程逻辑难以掌握测试评价•错误提示信息看不懂评价传统教学•复杂问题求解困难传统教学算法+编码创新算法+编码创新AIAI辅助教学利用大模型来处理低层次的实现任务减轻学习者的认知负担精力集中在关键概念上让学生更早地开始关注高层次的思维与算法将语法的深入和细微讨论推迟到以后进行减轻学习者的认知负担精力集中在关键概念上OpenAIOpenAIGPT-4GitGithubcopilot15提升教学目标，强化工程能力编程能力数据处理能力工程实践能力 问题分解问题分解沟通能力计算思维协作能力AIGC对程序设计教学的影响01AI辅助数字化课程建设02ContentsAI辅助程序设计教学0317AI在程序设计公共课程建设中的关键工作教学效率的提升个性化教学与学习项目驱动与创新教学教学资源的生成与优化,指出错误、优化建议和改进方向,帮助学生进行自我评估。、考试题库等材料。生成式AI可以从现有的美国高等教育信息化协会地平线报告：教与学版--关键教学技术与实践趋势自适应学习AI/机器学习学生成功分析教学设计开放教育资源扩展现实技术学习分析人工智能混合课程模式高质量在线学习开放教育资源微认证用于学习分析的AI用于学习工具的AI混合学习空间混合/远程学习模式的主流化混合/远程教学的专业发展微证书用于学习预测人工智能生成式人工智能模糊学习模式间界限混合灵活教学支持归属感和联系微证书寻找AI的适当用途支持人工智能流畅性支持平等和全纳学习保护数据隐私和安全如何浏览错误信息支持心理健康2024202320242023202020212022网络化数字化智能化教育数字化与智能化教育数字化与智能化转型加速混合教学常态化混合教学常态化19AI赋能支持个性化教学的数字化课程建设互联网+教育互联网+教育线上线上 实践实训教学管理线下线下讲授知识与方法 PPT课件 印刷教材线下课堂互联网+教育智慧教育线上(头歌实践教学平台)线下课堂完整教学数据，AI重塑个性化教学教学空间教与学关系学习方法教学空间教与学关系1005388824754323完成关卡总次数评测总次数44344320数字化课程支撑重构学习体系(第二版)2121基于jupyter的数字化教程内容丰富AI辅助Python程序设计(数字教材)Jupyter2222基于jupyter的数字化教程方便更新和扩展23自学引导项目建设知识方法讲解知识方法讲解实战环境练习实战环境练习实践能力要求智能评测反馈实践能力要求智能评测反馈24案例解析2.莱布尼茨级数法3.蒙特卡洛法(动画演示)4.梅钦法(迭代求高精度圆周率)5.拉马努金法6.莱昂哈德.欧拉公式7.BBP算法8.Chudnovsky公式25案例解析1.水仙花数（自幂数）2.数字方法3.字符串方法4.推导式方法5.提高效率7位数的自幂数耗时:0.018s(16s)14位数的自幂数耗时:2s19位数的自幂数耗时:22s20位数的自幂数[63105425988599693916]数据驱动的智能评价……这段代码的主要功能是处理和查询一个包含自行车站defcsv_to_list(这段代码的主要功能是处理和查询一个包含自行车站withopen(csv_file,'r',encoding='utf-8')asfr:……defrent_bike(station_id:int,id_……AAI工具评价代码27AI生成知识图谱支撑大28AI生成知识图谱支撑大消除数据孤岛消除数据孤岛31个性化教学案例设计32生成个性化教学数据根据中国居民身份证的编码规则生成一批虚拟身份信息，包括身份证号、姓名、性别、民族、出生、住址等完整信生成一个化学元素周期表的字典periodic_table={"H":1,"He":2,"Li":3,"Be":4,"B":5,"C":6,"N":7,"O":8,"F":9,"Ne":10,按这个格式生成一个化学元素周期表的字典periodic_table={"atomicmass":1.008},_"atomic_mass":15.999},"atomic_mass":12.011},"atomicmass":14.007},_}33分析文件设计案例34个性化教学与探究学习资源建设意义不同需求规范行企业规范AI技术加持下的教育教学AI技术加持下的教育教学径35AI+赋能教育有望打破“不可能三角”挑战传统教育领域“不可能三角”个性化规模化公平化36优化教学案例设计一个求解自幂数的教学案例，要求给出至少5种不同的方案，分析不同方案的优缺点，并给出一个高效的方案方案1：暴力枚举法方案2：提前计算幂值方案3：基于数字组合的方案方案4：递归+记忆化方案5：位数通用化的多位数自幂数搜索借助内置模块或第三方库设计一个更高效的方案，要求能在可接受的时间内计算19位的自幂数优化思路1.剪枝优化：在遍历过程中，如果当前数的部分和已经超过该数，则可以提前终止计算。2.预计算幂值：提前计算0到9的20次幂，避免重复计算。3.组合生成：与其枚举所有可能的20位数，不如直接生成可能的位数组合，减少无效计算。20位数的自幂数有[63105425988599693916]/tasks/gmjec89flh/jupyter37优化教学案例7位数的自幂数耗时:0.018s14位数的自幂数耗时:2s19位数的自幂数耗时:22s/shixuns/nxef8jz2/challenges38AI辅助设计MBPP数据集实践项目AI选取题目并排序重新设计题目描述、答案和输入39AI辅助设计教学案例建设贪食蛇（也叫贪吃蛇）是一款经典的小游戏。初始是像素版本，后来又衍生出3D版本、多人对战版本等pythonpygame40函数划分和功能41函数划分和功能游戏初始化游戏绘制方向、食物和分数，返回game_over_screen(scr等待用户选择重新开始handle_events(current_direc用于处理用户输入的事件（如方向键、退出键），返update_game_state(snake,更新蛇的位置、检查碰撞和食物是否被吃掉，返回更新后的蛇、move_snake(snake,用于根据当前方向移动用于检查蛇是否撞墙或撞到自己，返回是否发 42教学内容设计—生成式探究学习项目名称：2048小游戏开发1.项目介绍和背景1.12048小游戏的基本规则和玩法：1.12048小游戏的基本规则和玩法：1.2项目的目标1.3预期成果2.学生探究2.1独立或小组合作进行游戏探究和规划2.2思考以下问题：游戏界面如何设计和绘制？如何判断游戏胜利或失败的条件？3.指导和讲解3.1掌握基础知识和技能3.2与AI工具交互学习各子模块的功能实现3.3解释如何实现游戏的基本功能，如移动方块、合并方块、更新游戏状态等。4.1根据自己的理解和AI交互编写游戏代码4.2提供AI反馈和小组讨论克服困难和解决问题。5.测试和调试6.展示和反思6.1展示开发的2048小游戏，并分享学习心得和经验。6.2思考以下问题：在开发过程中遇到的挑战和解决方法是什么？学生在编程和项目开发中有何收获和成长？游戏的改进和扩展方向是什么？如何将所学的编程概念和技能应用到其他项目中？可进行文字和语音提问可进行文字和语音提问√√ContentsAIGC对教学的影响01Contents数字化课程建设AI辅助程序设计教学困境与风险55生成式探究学习技术变革不是附加式的，而是生态式的。新技术不仅仅是增加了一些东西，而是改变了一切。一著名教育家和媒体生态学家尼尔-波兹曼强调终身学习和适应性技能强调终身学习和适应性技能融合计算机科学和跨学科知识融合计算机科学和跨学科知识培养创新和解决问题的能力培养创新和解决问题的能力个性化学习和自主发展AI完成脑力劳动中的体力活确定函数想要实现的功能构建一段尽可能清晰的提示词来描述函数调整提示词不正确调整提示词不正确让AI生成相应的代码对代码进行测试，确认其是否正确判断其是否合理正确完成完成""""""print(check_password_strength('password'))print(check_password_strength('qwerty'))print(is_strong_password('123456'))"""强密码应至少包含一个大写字母、至少一个数字、"""return(any(c.isupper()forcinpassword)andany(c.isdigit()forcinpassword)andany(cin'!@#$%^&*()_+'forcinpassword))print(check_password_strength('password'))print(check_password_strength('qwerty'))print(check_password_strength('N3wY0rkJ375#'))print(check_password_strength('N3wY0rkJ375.'))"""强密码应至少包含一个大写字母、至少一个数字、"""returnany(char.isupper()forcharinpassword)and\any(char.isdigit()forcharinpassword)and\any(charinstring.punctuationforcharinpassword)print(check_password_strength('password'))print(check_password_strength('qwerty'))print(check_password_strength('N3wY0rkJ375.'))Trueprint(check_password_strength('Let1#'))"""强密码应至少包含一个大写字母、至少一个数字"""return(len(password)>=8andany(c.isupper()forcinpassword)andany(c.isdigit()forcinpassword)andany(charinstring.punctuationforcharinpassword))print(check_password_strength('password'))print(check_password_strength('N3wY0rkJ375.'))print(check_password_strength('Let1#'))password需要检查的密码,返回(是否符合requirements.appendrequirements.appenddefcheck_password(password):is_valid,requirements=check_password_strength(password)print(f"密码:{password}")print(f"是否有效:{'是'ifis_validelse'否'}")ifnotis_valid:print("不符合的要求:")forreqinrequirements:print(f"-{req}")print()ifnotre.search(rf"[{re.escape(string.punctuation)}]requirements.appendifre.search(r"(.)\1密码:Abcdefg111!是否有效:否不符合的要求:-密码不应包含连续重复的字符53复杂问题分解与粒度控制将问题分解为若干子问题，每个子问题都可以用一个函数实现，每个函数代码不超过20行划分能解决确定任务的小函数，这些函数可被一个或多个其他函数调用子问题可能仍然过于庞大，将该子问题进一步划分为多个子问题每个函数都足够简单，容易AI才能很好地解决它测试与修复错误，重构代码，改进代码的设计，例如减少代码重复风险评估法规遵从使用环境密码复杂度评分法规遵从使用环境密码复杂度评分密码熵计算密码破解时间估算常见密码检查密码泄露检查技术限制用户友好性密码更新策略密码管理工具get_password_suggestion()get_password_suggestion()check_passw动态密码强度评分、多维度评分系统、社会工程动态密码强度评分、多维度评分系统、社会工程学风险评估、预测密码被破解的可能性、检测密码中的语义模式、历史密码分析… 55生成式探究学习案例—“背单词”软件开发字典数据类型背单词软件开发通过一系列的探究活动通过一系列的探究活动来运用字典类型，并开发背单词小软件掌握问题分解能力、工程实践能力、创新能力和团队协作能力培养项目管理、团队合作和解决实际问题的能力分工合作完成项目的各个部分学生能够设计学生能够设计和实现一个完整的背单词程序，从代码编写到界面设计学生的学生的项目管理、团队合作和工程能力得到显著提升根据最终文档根据最终文档和汇报展示，评估学生的应用能力和工程能力通过通过观察小组讨论、数据处理应用过程，评估学生的参与度和合作情况自评与互评学生对自己的自评与互评学生对自己的学习过程进行反思，并对其他小组的成果进行评价，培养批判性思维。examine(chosen_wordsexamine(chosen_words)filter_words_by_letterfilter_words_by_letter…………57生成式探究学习案例—2048游戏开发AIGC可以生成复杂的游戏环境、角色和情节，提升程序教学的应用性和趣味性与传统的按章节划分知识点的教学与传统的按章节划分知识点的教学58生成式探究学习案例—“贪吃蛇”游戏开发掌握编程基础提升协作能力培养问题解决能力理解软件开发流程掌握编程基础提升协作能力培养问题解决能力理解软件开发流程从需求分析、设计、编码到测试，体验完整的软件开发过程。通过探究学习通过探究学习，面对问题并提出解决方案，逐步完善贪吃蛇游戏的功能。通过小组合作通过小组合作，学生将在协作中分工、沟通、协调，共同完成项目。学习并理解游戏开