6、AI学习实验室与ChatGPT在编程教育中的应用探索

AI学习实验室与ChatGPT在编程教育中的应用探索

在当今数字化时代，人工智能（AI）和编程教育变得越来越重要。本文将探讨AI学习实验室的评估情况以及ChatGPT在文本编程教育中对学生和教师的支持作用。

AI学习实验室的评估

在AI学习实验室中，学生有机会接触到各种与AI相关的学习活动。为了了解实验室的效果，研究人员进行了多方面的评估。
- 评估目标
1. 了解对计算机科学（CS）有高和低亲和力的学生对学习实验室的看法是否不同。
2. 找到可在学习实验室日常使用中永久使用的评估方法，以持续、易于解释地评估学生的认知和非认知方面，同时不干扰学习体验。
3. 调查学生在实验室接触AI基本概念后，是否理解并记住这些概念。
- 评估方法
- 问卷调查 ：通过教师问卷和学生投票箱调查来评估学生对CS的兴趣，以确定教师和学生看法的一致性。
- 数字测验 ：使用Kahoot数字测验来测试学生参观学习实验室后的概念知识。示例问题如下：

AI - Systems...
A: are always error - free due to the unambiguity of calculations
B: know your personality and character based on your data
C: collect data about you to make accurate forecasts
D: are the more erroneous, the more data they get (multi - tasking error)

• 评估结果
  • 学生兴趣和能力评估 ：教师对所有参与者的CS技能评估为平均水平。11年级学生对CS的兴趣较高，而10年级不同班级学生的兴趣有所差异，且学生和教师的评估存在偏差，这可能与教师的教学实施有关。在评估形式上，投票箱更适合进行个体评估。
  • 自我概念评估 ：学生的CS能力自我概念和学习实验室自我概念均呈积极趋势。动机因素与学习实验室自我概念有弱到中等程度的相关性，这表明学生在任务中的高动机对学习实验室相关自我概念产生积极影响至关重要。
  • 学习实验室对不同学生的影响 ：学习实验室似乎适合激发那些认为自己基本计算机技能较低的学生。然而，部分对CS态度积极的学生对学习实验室的体验评价为负面，原因有待进一步研究。
  • 概念知识测试 ：Kahoot测验可作为学习实验室的永久组成部分，但目前测试项目的区分度和难度存在问题，需要修订。虽然自我概念和概念知识之间没有有意义的相关性，但整体正确回答问题的数量较多，且非正式观察表明学习活动有助于理解AI核心概念。

ChatGPT在编程教育中的应用

教学文本编程在学校和大学环境中都面临着巨大挑战。ChatGPT作为一种基于大语言模型的工具，在编程教育中具有一定的应用潜力，但也存在一些问题。
- 研究背景
- 教学文本编程需要大量的实践、反思和时间，涉及解决编程问题所需的技术知识和基本概念的理解。
- ChatGPT最初是作为文本生成工具开发的，它能够产生类似人类的文本，这使其被用于解决编程任务。然而，它也可能被视为作弊工具，并且其结果的质量受到质疑，一些专家认为它只是组装预制文本模块，不能真正解决问题。
- 研究问题
1. RQ - 1 ：ChatGPT能为学生解决实际练习提供多少帮助？
2. RQ - 2 ：教师能否使用ChatGPT对学生的解决方案进行评分？
3. RQ - 3 ：ChatGPT还能提供哪些其他的编程教学支持？
- 相关工作
- 科学研究在教学编程方面，重点关注理解和支持新手程序员的认知发展。例如，Lister等人的研究探索了Bloom和SOLO分类法在区分编程任务和评估编程技能水平方面的应用；对编程技能的层次发展的研究，包括阅读、跟踪和编写程序代码，提供了宝贵的教育见解；Neo - Piagetian发展阶段为理解新手程序员的认知能力和转变提供了框架，强调了将编程任务与学生的认知发展相匹配的重要性。
- 在编程教育领域，还探索了许多策略，如明确教授解决问题的策略、理解新手程序员的心理模型、评估解决问题的能力等。

以下是AI学习实验室评估和ChatGPT研究的流程示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(AI学习实验室评估):::process --> B(确定评估目标):::process
    A --> C(选择评估方法):::process
    A --> D(得出评估结果):::process
    E(ChatGPT在编程教育中的应用):::process --> F(提出研究背景):::process
    E --> G(确定研究问题):::process
    E --> H(参考相关工作):::process

综上所述，AI学习实验室在激发学生对计算机科学的兴趣和提升自我概念方面有一定效果，但在概念知识评估方面还需改进。ChatGPT在编程教育中具有潜在的应用价值，但也需要谨慎使用，以充分发挥其优势，同时避免其带来的问题。后续研究可以进一步深入探讨如何优化学习实验室的评估方法和ChatGPT在编程教育中的应用策略。

AI学习实验室与ChatGPT在编程教育中的应用探索

ChatGPT在编程教育中的具体应用评估

为了回答关于ChatGPT在编程教育中的研究问题，研究人员进行了具体的评估。
- 对学生解决实际练习的帮助
- 研究人员选取了大学编程入门课程以及奥地利职业学校计算机科学课程中的实例和解决方案，让学生使用ChatGPT解决实际练习。评估发现，ChatGPT能够为学生提供一定的指导，帮助他们理解问题和优化解决方案。例如，在一些简单的编程任务中，ChatGPT可以给出代码示例和详细的解释，使学生更好地掌握编程思路。
- 然而，ChatGPT也存在局限性。它可能会生成错误的答案或解决方案，而学生由于缺乏相关知识，难以识别这些错误。这可能导致学生内化错误的概念，阻碍新能力的发展。
- 教师用于评分的可行性
- 研究尝试让教师使用ChatGPT对学生的解决方案进行评分。结果显示，ChatGPT可以提供一些参考，例如对代码的语法正确性、逻辑合理性等方面进行初步判断。但它不能完全替代教师的评分，因为编程评分不仅仅取决于代码的正确性，还涉及到学生的思考过程、创新能力等多个方面。
- 此外，ChatGPT可能无法理解一些具有创新性或个性化的解决方案，导致评分不准确。因此，教师在使用ChatGPT评分时，仍需要进行人工审核和判断。
- 其他编程教学支持
- ChatGPT可以为教师提供教学资源和建议。例如，它可以生成编程练习题、教学案例等，帮助教师丰富教学内容。同时，它还可以为教师解答一些编程相关的问题，提供技术支持。
- 然而，教师在使用这些支持时，需要对ChatGPT提供的内容进行筛选和评估，确保其准确性和适用性。

下面是一个关于ChatGPT在编程教育中应用效果的对比表格：
|应用方面|优点|缺点|
| ---- | ---- | ---- |
|帮助学生解决练习|提供指导，帮助理解和优化解决方案|可能生成错误答案，学生难识别|
|教师评分|提供初步判断参考|不能替代教师，可能评分不准确|
|其他教学支持|生成教学资源，提供技术支持|内容需筛选评估|

总结与展望

• AI学习实验室
  • AI学习实验室在吸引对计算机科学低自我概念的学生方面表现出一定的潜力，能够让更多学生接触和了解计算机科学相关内容。但在概念知识的评估方面，目前的方法还不够完善，需要进一步改进和优化。例如，对Kahoot测验的题目进行修订，提高其区分度和难度的合理性。
  • 未来可以深入研究学生在学习实验室中的具体学习过程，了解他们如何与学习材料和设备进行交互，以及这种交互对他们学习效果的影响。
• ChatGPT在编程教育中
  • ChatGPT在编程教育中具有一定的应用价值，可以为学生和教师提供支持。但由于其存在的局限性，需要谨慎使用。教师应该引导学生正确认识ChatGPT的优缺点，培养学生独立思考和判断的能力。
  • 未来可以探索如何结合ChatGPT和其他教学工具，形成更加完善的编程教学体系。例如，将ChatGPT与在线编程平台、虚拟实验室等相结合，为学生提供更加丰富和有效的学习体验。

以下是未来研究方向的流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(未来研究方向):::process --> B(优化AI学习实验室评估):::process
    A --> C(深入研究学习过程):::process
    A --> D(完善ChatGPT应用):::process
    D --> E(引导学生正确使用):::process
    D --> F(结合其他教学工具):::process

总之，AI学习实验室和ChatGPT在编程教育中都有着各自的优势和挑战。通过不断地研究和改进，我们有望充分发挥它们的潜力，提高编程教育的质量和效果，让更多的学生受益于人工智能和编程技术的发展。