人工智能时代下“Java程序设计”课程教学改革

韩冰 刘翠焕 黄振华 张波 陈明珠 张潇

关键词：人工智能时代;Java程序设计;课程教学改革;课程新模式

随着新一代信息科学技术的发展，为计算机专业人工智能课程教学模式的创新提供了更多的可能。在一些复杂繁重的科学及工程计算中，当代人已经不再将计算看作是难以完成的复杂任务，而是依靠现代计算机来完成复杂繁重的工作任务，在计算机相关专业的教学中，统一无须依靠人脑来承担计算，而是借助人工智能就可以实现对语言的编程和复杂的计算。“Java程序设计”是时下计算机相关专业中最受欢迎的编程语言，也是各大高校软件工程、计算机科学与技术等专业中必修的课程。

面对复杂的Java程序设计，其课程的教学具有抽象性，且课程主要以培养学生面向对象的独立编程能力和创新能力为主。传统的"Java程序设计”课程教学以教师为主，学生被动接受知识，学生对于Java语言编程缺乏独立理解和操作，既难提升学生的积极性和主动性，又不便于培养学生的创新思维。人工智能教学模式以融合了大数据、云计算等新一代信息技术，能有效地提高学生学习“Java程序设计”课程的参与性，增强学生对于Java语言编程的理解，有助于培养学生面向对象的独立编程能力。在这种背景下，研究基于人工智能的"Java程序设计”课程教学新模式对于提高"Java程序设计”的教学效率和教学质量有着重要的意义。

一、“Java程序设计”课程的概况

“Java程序设计”为计算机相关专业的重要课程之一，Java语言是一种简单的、跨平台的、面向对象的分布式、健壮性的动态语言，其应用非常广泛。目前已广泛应用于互联网、手机智能卡、手持式電子消费产品等领域。“Java程序设计”是一门面向对象的软件开发课程，主要通过学习Java语言编程与设计来掌握面向对象的软件开发，培养学生面向对象的独立编程能力及软件创新设计能力。近两年，随着Java编程技术的发展，“Java程序设计”课程中又融入了高级J2EE框架、大数据、人工智能等技术，增加了“Java程序设计”课程教学的难度。

二、基于人工智能的OBE教学模式及其方法

（一）OBE教学模式

OBE教学模式是一种基于学习产出的新的教学模式，又称成果导向教育。这种教学模式重视“学生学到了什么”，认为“学生学到了什么”与“是否成功”远比“怎样需学习”和“什么时候学习”重要。OBE教学模式在现有的教学体系中，围绕学生经过教学过程应该取得哪些关键成效而开展的相关教学工作。其关注的问题主要有以下几方面：（1）学生缺少什么样的学习成果;（2）为什么要让学生取得这样的学习成果;（3）如何有效帮助学生取得目标学习成果;（4）如何知道学生已经取得了哪些学习成果;（5）如何保障学生能够取得这些学习成果。从OBE教学模式关注的问题可以看出这种教学模式以学生为中心，强调学生学习的成功。

为了帮助学生学习的成功，可以采用相同或不同的学习方法，或根据学生个性化、个体化差异评定结果制定教学方法，并不断地根据评定的学生学习状态，及时调整教学目标、教学进度及教学方法，来最大程度地保证每个学生都能获得学习成功。以“Java程序设计”课程为例，强调在教学过程中引入网络爬虫、自然语言理解、文本的数据统计分析等人工智能技术，并充分利用互联网进行大范围的资源搜索，为Java语言教学提供更加丰富的内容和教学形式，来激发学生对学习Java语言的兴趣、积极性和主动性，从而确保学生对“Java程序设计”内容的掌握，来提高学生学习“Java程序设计”课程及相关内容的效率及学习质量。

（二）OBE教学模式下的教学方法分析

1.基于人工智能程序的信息获取

OBE教学模式以目标网站为信息获取源，学生可以通过人工智能程序搜集数据信息，获取重要的Java语言编程的资源。目标网站包含招聘指导性网站、大型招聘网站的用人需求信息等，获取方式以虚拟浏览器加载算法为主，提取关键词参考如下：（1）BrowserLoad：虚拟浏览器加载算法;（2）Input：URL对应网页的连接;（3）Output：Document-Stream浏览器内容数据流对象;（4）Begin：获取页面数据流DocumentStream对象的流程。

2.基于人工智能的“Java程序设计”课程教学目标及内容的调整

基于人工智能的OBE教学模式实践应用中，常根据学生个体化差异对学生学习状态进行评估，并根据评估结果调整课程目标及教学内容，以适应学生的学习进度。课程目标及教学内容调整步骤如下：首先，通过OBE设定课程目标，并对目标抽取技术关键词;其次，构建人工智能程序;最后，以关键词权值计算可调整的课时量，将教学目标对应的课时量设定为：基础课时+可调整课时。

构建人工智能程序时依据BrowserLoad算法从招聘网站的需求信息、Java测试信息中抽取文本数据，引入Java关键词的名称层次模板使用JavaKeywordTem-plateMgorithm算法对关键词进行加权。具体的权值计算参考公式如式1所示。按照以上流程计算出企业对Java编程人才的需求，并根据需求调整Java教学时间中的教学目标权重及课时量，确保教学与实际工作、就业目标保持一致。

3.基于人工智能的“Java程序设计”课程教学目标设定

根据OBE教学模式关注的问题，基于人工智能的“Java程序设计”课程教学实践中，可以将教学目标设定为以下四方面的内容：（1）了解及熟悉Java程序设计基础知识。（2）熟悉Java的面向对象思想和程序。（3）熟悉Java程序的结构和运行方式。（4）熟练Java的数据处理。

三、“Java程序设计”课程教学改革实践及其效果

应用OBE教学模式，以人工智能技术为基础进行“Java程序设计”课程教学改革，涉及的主要教学目标的权值结果如下表所示。从表中可以看出，教学目标中权值较高的教学领域有数据库编程、多线程、数据流，反映出企业对这方面人才的需求较大。知识权重较低的两个领域有异常处理、Windows与Applet设计，反映出企业对这方面人才需求较小。

根据上表权值结果，某校与2018年末，并于2019年6月正式实施了“Java程序设计”课程教学改革的方法。2020年6月，针对软件专业对“Java程序设计”课程教学改革前后两届学生组织了测试。下图为2018届、2019届学生“Java程序设计”测试成绩统计图，从下图可以看出2019届软件专业学生“Java程序设计”成绩均高于2018届学生，这说明基于人工智能对“Java程序设计”课程进行改革，组织实施OBE教学模式有利于提高软件专业学习成绩，基于人工智能实施的“Java程序设计”课程教学改革效果显著。

四、传统教学中“Java程序设计”课程面临的问题

（一）教学形式单一

传统教学中，“Java程序设计”课程以教师课堂讲授为主，教师讲、学生听的，教学形式单一乏味，学生学习被动，缺乏学习的主动性和积极性，更缺乏Java语言编程的实操练习，很难培养学生独立编程及软件开发的能力。

（二）教学内容有限

传统的“Java程序设计”课程教学内容依赖课本教材及大纲内容，知识范围有局限性，且教学内容存在滞后性。教学过程中，一般由学生提问，老师解答，或老师与同学一起讨论解决方法。由于教学内容仅限于课本，很难解决企业实际面临的问题，不仅教学效果差，而且教学进度缓慢、效率低。

（三）填鸭式教学难以激发学生学习兴趣

“Java程序设计”课程作为一门计算机专业的前沿课程，它的教学目的在于通过Java程序设计的教学培养学生在Java领域的创新能力和软件独立开发能力。传统的教学模式表现出典型的填鸭式教学，教师将理论及其原理讲给学生，学生被动接受知识，很难从根本上理解Java程序设计的抽象概念，也难以激发学生深入了解的兴趣及自主学习的能力，限制了学生创新思維的发展。

五、人工智能下“Java程序设计”课程教学改革的策略

（一）采用多样化的教学方式

在“Java程序设计”教学中，老师可以引入蓝墨云APP、雨课堂等移动终端开展移动教学，增加多样化的教学方式。在“Java程序设计”教学中，老师应该将课堂交给学生，以学生为主体、为中心，让学生在课堂积极地参与头脑风暴、课堂练习、课堂讨论，鼓励学习多进行课后练习，扩展学习内容，培养学习自主学习“Java程序设计”的兴趣和积极性，从而锻炼学生面向对象独立编程及软件开发的能力。

（二）利用互联网扩展教学资源及教学案例

人工智能时代，获取“Java程序设计”相关的内容及教学资源的途径有很多。教师在教学过程中可以充分利用互联网扩展教学资源，并构建软件专业教学资源数据库。教师应不断地整理和积累“Java程序设计”的教学案例，丰富教学资源数据库，教学案例可以是学生实验经典案例的总结，也可以通过虚拟浏览器获取，还可以是学生的优秀作品。数据库中还可以收集学生提出的问题，并通过平台开通问题讨论窗口，通过互联网与其他学校软件专业的学生或企业的前辈交流问题处理方法。

（三）采用自媒体、翻转课堂等培养学生兴趣及创新能力

在人工智能时代，教师可以利用自媒体、翻转课堂等开展启发式教育，以智能机器人、指纹打卡机等引导学生思考相关产品的工作原理和设计，鼓励学生自主开发人脸识别、指纹识别、专业课实训平台等软件，老师可通过学生所提供的软件开发的作品，对学生学习状态进行评估，并适当地调整课程目标及课程内容，保证学生在每个阶段都能完成学习目标。

六、结语

综上所述，人工智能时代下我们可以利用大数据、互联网及虚拟浏览的方式对Java程序员的市场需求及企业需求进行分析，并以具体的需求目标为指导实施“Java程序设计”课程教学改革，科学地设定“Java程序设计”课程设计及目标，并针对各个目标的权重值设定各个阶段的教学目标和教学内容，在此基础上采用多样化的教学手段进行教学，引导学生学习，并培养学生学习Java语言的兴趣及积极性，按照各个阶段教学来需求完成学习任务，达到预期教学目标，培养学生独立的基于Java面向对象的软件开发及系统维护等能力，使学生能够在有效的学习时间内学习更多的符合企业和市场需求的知识，更好地适应就业和Java语言程序设计及复杂工程的综合运用。