生成式AI辅助“数据结构”教学研究

摘要：生成式AI作为新兴的人工智能模型，可生成诸如文本、图像等新数据，引发教育界的关注。本文探讨了如何利用CodeGeeX这一专门辅助软件开发的生成式AI产品，助力数据结构教学，提升教学效果。借助CodeGeeX的智能生成算法代码、自动添加代码注释、智能解释代码、分析修复代码Bug以及实时智能问答等功能，教师可以更有效地引导学生深入理解基本数据结构的概念，熟练掌握其应用，解决实际问题，有助于提高教学质量和学生的学习效果。

关键词：生成式AI；CodeGeeX；数据结构；辅助教学

引言

“数据结构”是计算机类相关专业的核心基础课程，为后续学习操作系统、数据库技术等专业课程奠定基础。课程重点在于培养学生的计算思维和数据抽象能力，要求学生掌握数据结构基本知识后，在实际问题中灵活选用数据结构，设计高效的算法和存储结构，并准确分析算法的时间和空间复杂度。该课程不仅是学生进一步学习计算机领域其他课程前必备的基础，更是其从事大型信息工程开发的基础[1]。

生成式AI是一类新兴的人工智能模型，不仅可以理解和处理现有数据，还能创造全新的数据，包括文本、图像、音频、视频等。ChatGPT作为其代表产品，能以对话的方式接收输入，并生成连贯、合乎语境的文本回复，模拟人类对话。随后，文心一言、盘古、Bard等通用生成式AI产品以及Github Copilot、CodeGeeX等专门辅助软件开发的生成式AI产品相继问世。生成式AI不仅可以直接生成问题答案，甚至可以撰写课程论文和参加线上考试，在教育界引发了一场是否应在教育教学中应用生成式AI的讨论。虽然当前观点不一，但在高等教育数字化转型的大趋势下，如何有效利用生成式AI助力高等教育更快更好发展，是未来的主流研究方向[2]。

当前已有研究人员开展如何运用ChatGPT促进以知识点为核心的教学模式变革研究[3]、如何将ChatGPT用于計算机辅助教学[4]、如何将文心一言应用于数据结构教学的探讨[5]，但对如何将专门辅助软件开发的生成式AI应用于教学还未有相关研究。本文以“数据结构”课程为例，探讨如何利用CodeGeeX辅助教学，提高教学效果。

1. “数据结构”课程教学现状

“数据结构”课程的教学目标主要是引导学生掌握数据结构的基本概念及其实现，并培养他们的计算思维和解决问题的能力，为未来的学习和职业发展打下坚实基础。然而，在教学实践中仍存在以下问题：

（1）课程内容繁多。数据结构涉及的知识点非常多，包括线性表、栈和队列、树和二叉树、图等结构的原理和实现，以及查找和排序等应用，学生在有限的课时内掌握这些知识面临较大挑战。

（2）抽象思维理解难度大。数据结构是一种抽象的概念，需要学生具备一定的抽象思维能力。在教学实践中，虽然通过交互性课件、可视化算法执行过程等多种方式帮助学生理解，但对很多学生来说理解算法仍然很有难度。

（3）编码基础薄弱。数据结构是一门很注重实践的课程，学生需要具备较好的编程能力来实现各种数据结构和算法。然而，在教学实践中，虽然学生已经在前置课程中学习过C语言，但对于数据结构中需要用到的指针、结构体、递归等内容普遍掌握较差，不能独立编写完整的算法，不会通过Debug解决代码错误。

如何提高教学效果，提升学生实际学习成效，为后续专业课程学习做好准备，是“数据结构”课程教学改革亟须解决的问题。

2. CodeGeeX概念

CodeGeeX是一款基于ChatGLM2-6B模型的智能编程助手，经过600B代码数据的预训练，能够自动生成和补全代码、添加注释、进行代码翻译以及提供智能问答服务[6]。

CodeGeeX支持C/C++、Python、Java等主流编程语言，并采用插件形式集成到VSCode、HBuilderX、IntelliJ IDEA等多种IDE。安装过程非常便捷，以VSCode为例，只需在扩展界面中搜索并安装即可使用，无须进行复杂配置。

3. CodeGeex辅助教学实例

3.1 智能生成并优化算法代码，降低课程编码能力要求

在算法实践时，部分编码能力较弱的学生需要花费大量时间在编码上，导致他们不能对算法进行深入分析，影响了教学目标的实现。CodeGeeX可以一键生成常见的算法代码，极大缩短编码时间，让编码能力较弱的学生也能将精力聚焦在算法理解和分析上，提高教学效果。例如，在CodeGeeX对话框中输入：“使用C语言编写一个冒泡排序算法”，CodeGeeX自动用C语言生成了对应的算法代码，并给出了冒泡排序的基本原理，如图1所示。

CodeGeeX还具备算法优化能力，继续与CodeGeeX对话，输入“优化这个算法效率”，CodeGeeX会分析原始冒泡排序算法效率不高的原因，并提供优化思路和优化后的算法代码，帮助学生深入理解算法，掌握如何提高算法效率的技巧。

3.2 自动添加代码注释，辅助算法学习

在教学实践中，大多数学生只有基本的编程能力，不能独立分析课程的示例代码。教师需要花费很多时间逐行解释代码，甚至一节课只能讲解1个算法，导致教学效率低下。

CodeGeeX可以自动为每行代码添加注释，通过详细说明每个变量、每行代码的作用，既能提高教师课堂讲解算法代码的速度，也可以提升学生自学效果。

3.3 智能解释代码，高效掌握算法实现

在学习复杂算法时，尽管教师已使用伪代码和交互性动画来讲解算法原理及执行过程，但部分学生仍然难以将算法代码与算法原理建立联系，学生产生了较强的畏难情绪，导致教学效果不佳。

CodeGeeX可以智能解释代码段在算法中的作用并说明执行过程，就像有一位经验丰富的软件工程师在实时解释代码。该功能可有效降低学习复杂算法的难度，消减学生的畏难情绪，提高教学效果。例如，在学习八皇后算法的时候，学生对于解决冲突的while循环代码段的作用不理解，只需将该代码段选中，然后在CodeGeeX对话框中输入：“代码含义”，CodeGeeX智能分析整个算法后给出了该代码段的作用，如图2所示。

3.4 智能分析修复代码Bug，提高实验效率

数据结构是一门理论性和实践性并重的课程，在教学过程中需要进行多次实验。学生虽然已经学习过C语言，但对C语言的掌握普遍比较薄弱，对于实验过程中出现的编译错误、运行时错误等Bug往往摸不着头绪，不知如何解决，解决代码Bug占用了实验课的大量时间，导致学生在实验课中往往无法按时完成实验，影响了实验教学目标的达成。

CodeGeeX能智能分析代码Bug，并给出修改建议。如图3所示，在代码段中，有一个教学中常见的代码错误：if条件中的==被误写成了=，该问题在语法上没有错误，程序可以正常编译，但运行结果不正确。对于这类逻辑Bug，学生往往需要耗费大量的时间才能修复。而使用CodeGeeX分析这段代码，CodeGeeX会直接指出有逻辑错误的代码行，并详细给出原因分析和修改建议。此时继续输入“修复bug”，CodeGeeX会自动生成修复后的代码。如此可快速修复代码Bug，有效提高实验课效率。

3.5 智能问答，实时伴随学习

数据结构课程内容多，思维抽象，学生在学习过程中，经常会碰到难理解的知识点。由于课时有限，学生不一定能及时得到教师帮助，而在网络上搜索，又很难直接找到答案，往往需要耗费大量的时间才能解决疑问。CodeGeeX基于大模型提供的智能问答功能可以实时生成准确的回答，有效提高学习效率。例如，在学习排序算法时，学生不理解为什么快速排序的时间效率比较高，此时就可以向CodeGeeX提问：“快速排序算法为什么快”，如图4所示，CodeGeeX实时生成的答案正确回答了该算法效率高的原因。此场景下，CodeGeeX就像一位知识渊博的老师在陪伴着学生学习，能够有效提高学生学习效果。

结语

CodeGeeX展现出了在“数据结构”课程辅助教学中巨大的应用潜力，作为一种专门针对软件开发的智能编程助手，既是教师备课的助手，又是学生学习的伙伴。通过CodeGeeX可以快速生成和补全算法代码，提高编程效率，帮助学生更好地理解和掌握编程语言和编程技巧。CodeGeeX还可以智能生成算法代码，减少手动编写代码的时间，将有限的实验课时聚焦在对算法的理解和分析上。CodeGeeX还可以自动添加注释、分析代码和修复代码Bug，能有效帮助学生理解代码，提供个性化学习支持和自适应教学。

生成式AI以其独特的创造性和想象力，能够生成新颖且有价值的内容，为教育领域注入新活力。其辅助教学的优势：（1）快速生成文本、图片、视频等教学资源，提供多样化学习方式；（2）根据学习情况提供辅导和学习资源推荐，进行个性化教学；（3）自动完成整理资料、批改作業等重复性工作，减轻教师工作负担。同时，也要关注生成式AI辅助教学的挑战：（1）生成式AI的引入改变了教师的角色和工作方式，需要教师积极适应变革；（2）需要引导学生正确使用生成式AI辅助学习，避免过度依赖AI技术；（3）当前生成式AI技术仍在发展，其生成内容的准确性和质量还有待提高；（4）生成式AI需要大量数据来训练和优化，如何保障教师、学生的数据隐私和安全是一个不容忽视的问题。总之，生成式AI辅助教学潜力巨大，未来需继续探索其优势，解决问题和挑战，为教育进步作出更大贡献。

参考文献：

[1]董薇，张淑丽.持续改进中的数据结构实验教学探讨[J].中国现代教育装备，2023（19）：137-139.

[2]董艳，夏亮亮，李心怡，等.ChatGPT赋能学生学习的路径探析[J].电化教育研究，2023，44（12）：14-20，34.

[3]陈静远，胡丽雅，吴飞.ChatGPT/生成式人工智能促进以知识点为核心的教学模式变革研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2023，41（7）：177-186.

[4]于刚，贾志娟.关于ChatGPT用于计算机辅助教学的探讨[J].互联网周刊，2023（18）：58-60.

[5]郭乃瑄，董琴，徐秀芳，等.基于文心一言的数据结构课程教学方法初探[J].科教文汇，2023（21）：95-100.

[6]CodeGeeX.CodeGeeX：Tab一下，代码生成！[EB/OL].（2022-11-17）[2024-02-17].https：//codegeex.cn/zh-CN/bloginfo/2b34c45370a34c80a27244004f259510.

作者简介：张华锋，硕士研究生，助教，研究方向：物联网技术、AIGC。