生成式人工智能賦能教師Python編程實(shí)踐探究

【摘要】生成式人工智能技術(shù)正推動(dòng)教育變革，為教師提供新機(jī)遇，尤其在賦能教師編程方面作用顯著。本文以五分鐘倒計(jì)時(shí)程序?yàn)槔敿?xì)闡述了生成式人工智能賦能教師編寫Python代碼的過程，進(jìn)而揭示生成式人工智能賦能教師編程的普遍方法和路徑。通過探討生成式人工智能賦能教師編程的應(yīng)用潛力與局限，以期為廣大教師提供有益的借鑒與啟發(fā)。【關(guān)鍵詞】生成式人工智能；Python編程；五分鐘倒計(jì)時(shí)編程是一種創(chuàng)造性的工作，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過編程能讓計(jì)算機(jī)按照人的意愿去完成各種任務(wù)。在眾多編程語言中，Python是一種非常流行且易于學(xué)習(xí)的語言。近年來，Python因其易用性、功能強(qiáng)大和廣泛的庫支持，成為初學(xué)者快速入門編程的首選工具。教師學(xué)習(xí)編程的必要性和現(xiàn)實(shí)困難隨著數(shù)字時(shí)代的來臨，教育領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)由技術(shù)驅(qū)動(dòng)的深刻變革。編程作為一項(xiàng)面向未來的核心技能，對(duì)于教師緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、適應(yīng)未來教育需求具有不可替代的作用。編程可以賦予教師靈活應(yīng)對(duì)教育變革的能力，為學(xué)生提供更加貼合時(shí)代要求的教育體驗(yàn)。通過不斷精進(jìn)編程技能，教師能夠更好地服務(wù)于學(xué)生，為培養(yǎng)適應(yīng)未來社會(huì)需求的復(fù)合型人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，編程還可以為教師參與科研項(xiàng)目創(chuàng)造機(jī)會(huì)，豐富學(xué)術(shù)經(jīng)歷，增強(qiáng)教育專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，編程更是跨學(xué)科融合教學(xué)的關(guān)鍵之一，有助于構(gòu)建綜合教學(xué)體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)與創(chuàng)新能力，從而滿足未來社會(huì)與職業(yè)需求。在未來教育環(huán)境中，編程技能將愈發(fā)關(guān)鍵，它將成為連接傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代科技應(yīng)用的橋梁。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的日益成熟與普及，教育勢(shì)必會(huì)迎來新的變革，這些技術(shù)將深度融入教育過程，推動(dòng)教育向個(gè)性化、智能化轉(zhuǎn)變。可見，編程技能對(duì)于教師而言，不僅是從容應(yīng)對(duì)教育領(lǐng)域變革的有力武器，更是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流、持續(xù)提升教育教學(xué)質(zhì)量所不可或缺的關(guān)鍵技能。在現(xiàn)實(shí)中，很多教師在入職前并未接受過編程教育，入職后面臨繁重的教學(xué)任務(wù)，很難抽出時(shí)間，堅(jiān)持長(zhǎng)期的編程學(xué)習(xí)。一直以來，教師普遍存在編程能力較弱的情況，把編程技術(shù)應(yīng)用到教育教學(xué)實(shí)踐中更是困難重重。因此，加強(qiáng)教師的編程培訓(xùn)與支持，提供靈活多樣的學(xué)習(xí)資源與實(shí)踐機(jī)會(huì)，對(duì)于提升教師隊(duì)伍的整體編程能力，推動(dòng)教育與技術(shù)的深度融合，具有至關(guān)重要的意義。生成式人工智能賦能教師編程概述1.生成式人工智能生成式人工智能（GenerativeArtificialIntelligence，以下簡(jiǎn)稱“生成式AI”）是利用復(fù)雜的算法、模型和規(guī)則，進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)，以創(chuàng)造新的原創(chuàng)內(nèi)容的人工智能技術(shù)[1]。生成式AI的核心在于其強(qiáng)大的模式識(shí)別與生成能力。如其在文本、圖像等多模態(tài)內(nèi)容生成領(lǐng)域，已非常成熟。在程序代碼生成與識(shí)別上，也表現(xiàn)優(yōu)秀，它能夠根據(jù)給定的需求或上下文，自動(dòng)生成高質(zhì)量的代碼片段，甚至完整的程序。這種能力極大地提高了軟件開發(fā)的效率，使得開發(fā)者可以更快地實(shí)現(xiàn)功能，減少手動(dòng)編碼的錯(cuò)誤率，并專注于更高層次的邏輯設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，生成式AI正逐漸成為推動(dòng)各行業(yè)創(chuàng)新與變革的重要力量，無論是在內(nèi)容創(chuàng)作，還是在教育科研、智能客服等領(lǐng)域，都有著極為廣闊的應(yīng)用前景與潛力，為人們的生活與工作帶來前所未有的便利與可能。目前，國(guó)內(nèi)比較有名的生成式人工智能有文心一言、訊飛星火、360智腦、Kimi、通義千問、智譜清言等，這些生成式AI都具有強(qiáng)大的語言理解和生成能力，具有持續(xù)學(xué)習(xí)和進(jìn)化以及應(yīng)用場(chǎng)景廣泛等特點(diǎn)。2.生成式AI在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀隨著生成式AI的蓬勃發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛且深入。在教學(xué)輔助層面，教師可利用它迅速生成高質(zhì)量的課件、教案以及豐富多樣的練習(xí)題，大大縮短備課時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)還能依據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異制定個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑，使教學(xué)更具針對(duì)性。在智能輔導(dǎo)方面，它如同隨時(shí)在線的專屬導(dǎo)師，即時(shí)解答學(xué)科疑惑，細(xì)致剖析作業(yè)難題并助力教師高效批改。生成式AI還能構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景，幫助學(xué)生理解復(fù)雜概念，完成一些特殊的實(shí)驗(yàn)。此外，生成式AI還能夠協(xié)助教育管理者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策支持、優(yōu)化資源配置、提升管理效率等，在教育領(lǐng)域多個(gè)方面發(fā)揮顯著作用。3.生成式AI重塑教師編程潛力生成式AI因其強(qiáng)大的語言理解和生成能力，在賦能教師編程方面展現(xiàn)出巨大的潛力和價(jià)值。一是，生成式AI允許使用者通過自然語言與其進(jìn)行交互，教師無須深入了解復(fù)雜的編程語法和規(guī)則，只需用自然語言描述需求或問題，生成式AI就能理解并嘗試給出相應(yīng)的編程解決方案或代碼示例。二是生成式AI可以為教師提供編程語言的教程、視頻講解和實(shí)戰(zhàn)案例，并對(duì)教師的編程作品進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估，給出詳細(xì)的反饋和改進(jìn)建議。三是生成式AI能執(zhí)行一些自動(dòng)化的編程任務(wù)，教師可以將更多精力投入到更有價(jià)值的創(chuàng)造性工作中去。生成式人工智能賦能Python編程實(shí)踐下面，筆者以五分鐘倒計(jì)時(shí)為例，介紹生成式AI，如文心一言賦能Python編程的實(shí)踐過程。一是構(gòu)建需求。制作一個(gè)五分鐘倒計(jì)時(shí)程序，程序具有一定的可控性，如可以隨時(shí)暫停倒計(jì)時(shí)、隨時(shí)可以重置倒計(jì)時(shí)等。二是對(duì)話交流（獲取代碼）。與生成式AI，如文心一言進(jìn)行對(duì)話：“我是一名編程小白，想用Python編寫一個(gè)五分鐘倒計(jì)時(shí)程序，請(qǐng)給出代碼?！蓖ㄟ^以上對(duì)話（以下簡(jiǎn)稱“基礎(chǔ)版對(duì)話”），擬獲取一個(gè)基礎(chǔ)版的五分鐘倒計(jì)時(shí)Python代碼。根據(jù)對(duì)話內(nèi)容，文心一言給出需求代碼及相關(guān)提示。三是調(diào)試代碼（完成任務(wù)）。PythonIDLE是Python自帶的集成開發(fā)環(huán)境，用于編寫、調(diào)試和運(yùn)行Python代碼。IDLE提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的文本編輯器，允許用戶編寫Python代碼，并且提供了運(yùn)行和調(diào)試這些代碼的功能。它還支持代碼高亮、自動(dòng)補(bǔ)全和其他一些基本功能，非常適合初學(xué)者或者進(jìn)行簡(jiǎn)單的Python編程任務(wù)。對(duì)于已獲得的Python代碼，可以復(fù)制到PythonIDLE窗口中進(jìn)行調(diào)試，得到簡(jiǎn)易的五分鐘倒計(jì)時(shí)效果。通過以上實(shí)例，可見借助生成式AI，哪怕是沒有編程基礎(chǔ)的教師，也可以通過對(duì)話的形式，快速獲得需要的編程代碼，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能需求。四是提升程序功能。為了進(jìn)一步提升程序的可操作性和功能性，繼續(xù)完善程序，思路同上。首先明確任務(wù)需求，組織對(duì)話內(nèi)容，獲取代碼，調(diào)試代碼，完成任務(wù)。對(duì)于五分鐘倒計(jì)時(shí)，在實(shí)踐中，通常會(huì)使用到“開始”“暫停/繼續(xù)”“重置”，這幾個(gè)按鈕來滿足使用者的使用需求。對(duì)話：請(qǐng)幫我編寫一個(gè)Python代碼實(shí)現(xiàn)五分鐘倒計(jì)時(shí)功能，具體要求是程序運(yùn)行后停留在5分鐘倒計(jì)時(shí)的等待狀態(tài)，按下“開始”按鈕后，倒計(jì)時(shí)開始；程序運(yùn)行中，如按下“暫停”按鈕則倒計(jì)時(shí)暫停，同時(shí)“暫停”按鈕變成“繼續(xù)”按鈕；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)處于暫停狀態(tài)下，如按下“繼續(xù)”按鈕，則倒計(jì)時(shí)繼續(xù)；任何時(shí)候，按下“重置”按鈕，則倒計(jì)時(shí)恢復(fù)到初始等待狀態(tài)。注意，程序中的數(shù)字字號(hào)設(shè)置為60。根據(jù)對(duì)話內(nèi)容（以下簡(jiǎn)稱“功能版對(duì)話”），文心一言給出需求代碼及相關(guān)提示。對(duì)于已獲得的Python代碼，同樣復(fù)制到PythonIDLE窗口中進(jìn)行調(diào)試，得到功能版的五分鐘倒計(jì)時(shí)效果。經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)功能符合使用需求。至此，一個(gè)功能版的五分鐘倒計(jì)時(shí)程序制作完畢（如有需要，可通過PyInstaller命令將Python代碼打包成獨(dú)立的可執(zhí)行文件，使之方便在其他電腦上運(yùn)行使用）。不同生成式AI賦能教師編程的實(shí)證研究為了全面評(píng)估生成式AI在賦能教師編程方面的潛力，筆者選取國(guó)內(nèi)三款知名的生成式AI產(chǎn)品，如Kimi、通義千問、智譜清言進(jìn)行對(duì)比實(shí)證研究。Kimi具備超長(zhǎng)文本處理能力，使得其在閱讀理解、文獻(xiàn)分析、長(zhǎng)文寫作等任務(wù)上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。下面以前例“五分鐘倒計(jì)時(shí)”中相同的提示語，測(cè)試其自然語言理解能力及編程能力。首先進(jìn)行“基礎(chǔ)版對(duì)話”，Kimi生成的Python代碼，經(jīng)PythonIDLE調(diào)試，可以較好地完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。接下來，進(jìn)行“功能版對(duì)話”，經(jīng)PythonIDLE調(diào)試，程序存在兩處問題：倒計(jì)時(shí)界面顯示為300，而不是5：00；倒計(jì)時(shí)暫停后，單擊“繼續(xù)”按鈕，倒計(jì)時(shí)不在暫停位置繼續(xù)下去。再次對(duì)話，修改程序。Kimi根據(jù)對(duì)話，給出解釋并再次給出新的代碼，經(jīng)PythonIDLE調(diào)試，問題反而更多了。再次對(duì)話，重新布置更清晰的任務(wù)，經(jīng)過本次對(duì)話，Kimi基本理解了對(duì)話內(nèi)容，幾乎實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的要求，唯有“重置”按鈕，功能還存在一點(diǎn)小問題。經(jīng)過幾輪對(duì)話后，Kimi終于給出了完全符合預(yù)期要求的Python代碼。通義千問是大規(guī)模語言模型，也是一款生成式AI，注冊(cè)后即可免費(fèi)使用。同樣用前例“五分鐘倒計(jì)時(shí)”中相同的提示語，測(cè)試其自然語言理解能力和編程能力。首先進(jìn)行“基礎(chǔ)版對(duì)話”，通義千問生成的Python代碼，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。然后再進(jìn)行“功能版對(duì)話”，一次性就生成了符合預(yù)期的Python代碼。經(jīng)調(diào)試，程序完全符合預(yù)期要求。智譜清言是生成式AI，注冊(cè)后即可免費(fèi)使用。進(jìn)行“基礎(chǔ)版對(duì)話”，智譜清言生成的Python代碼，呈現(xiàn)的效果符合預(yù)期，與文心一言等效果雷同；進(jìn)行“功能版對(duì)話”，經(jīng)PythonIDLE調(diào)試，存在問題：按下“繼續(xù)”按鈕后，倒計(jì)時(shí)并沒有往下繼續(xù)。再次對(duì)話：當(dāng)程序處于暫停狀態(tài)，“繼續(xù)”按鈕出來后，再按下“繼續(xù)”按鈕，倒計(jì)時(shí)并不往下進(jìn)行。智譜清言給出解釋并給出新代碼。再次調(diào)試發(fā)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)程序基本符合使用需求（還有幾處小細(xì)節(jié)，如字體、字號(hào)的大小有出入等，經(jīng)對(duì)話后皆可符合要求）。經(jīng)過以上實(shí)例驗(yàn)證，這些生成式AI在編寫五分鐘倒計(jì)時(shí)基礎(chǔ)功能代碼的生成上均表現(xiàn)優(yōu)異，當(dāng)面對(duì)更為復(fù)雜的功能需求時(shí)，它們的理解、生成能力卻表現(xiàn)不一。但經(jīng)過與其進(jìn)行多輪次的細(xì)致對(duì)話和逐步引導(dǎo)，這些生成式AI還是能夠出色地完成任務(wù)，提供滿足需求的Python代碼解決方案。結(jié)論與展望1.結(jié)論本文通過分析一個(gè)簡(jiǎn)單的五分鐘倒計(jì)時(shí)程序?qū)嵗沂玖松墒紸I在賦能Python編程方面的巨大潛力。這種技術(shù)的興起極大地降低了編程的入門障礙，使得即使是編程零基礎(chǔ)的教師也能在簡(jiǎn)單引導(dǎo)下，快速構(gòu)建出具有實(shí)際功能的程序。同時(shí)，生成式AI還提供了即時(shí)反饋和錯(cuò)誤識(shí)別功能，有助于教師快速發(fā)現(xiàn)并解決代碼中的問題。生成式AI還能擴(kuò)展教師的編程知識(shí)、提供編程范例和解決方案，有利于教師持續(xù)學(xué)習(xí)。值得一提的是，在實(shí)踐中，生成式AI在自然語言理解方面仍存在局限，可能導(dǎo)致生成的代碼不符合預(yù)期。但通過有效溝通和細(xì)致引導(dǎo)，生成式AI可以顯著提高代碼生成的準(zhǔn)確性與效率。特別是在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的編程任務(wù)時(shí)，教師與生成式AI之間進(jìn)行的深入對(duì)話和逐步引導(dǎo)是獲取滿足特定需求解決方案的關(guān)鍵。當(dāng)然，生成式AI在賦能教師Python編程時(shí)，如果教師過度依賴生成式AI，則可能出現(xiàn)一些不利于教師編程技能和解決問題能力發(fā)展的情況，以及抑制教師的創(chuàng)新思維和獨(dú)立思考等風(fēng)險(xiǎn)。2.展望隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，可以預(yù)見生成式AI將更加智能化，特別是深度學(xué)習(xí)和自然語言處理技術(shù)的進(jìn)一步突破，將顯著提升對(duì)話過程中的理解和響應(yīng)能力。同時(shí)，生成式AI在解析復(fù)雜編程需求和創(chuàng)作高質(zhì)量代碼方面的能力也將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。展望