人工智能赋能C++程序设计课程的教学改革与实践研究

摘要：文章探讨了将人工智能（AI）技术融入C++程序设计课程教学的必要性和可行性，并根据C++程序设计课程的特点，提出了一套创新的教学模式。通过结合AI工具和应用案例来优化传统教学方法，旨在提升学生的编程能力、问题解决能力和创新思维，顺应现代信息技术发展趋势，培养具有较高综合素质的计算机专业人才。课程的教学改革与实践结果表明，AI技术在提升教学质量、个性化教学以及优化学习效果等方面都取得了显著成效。

关键词：人工智能；C++程序设计；教学改革；计算机教育；人才培养

中图分类号：G642文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）35-0178-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1背景

1.1课程重要性与挑战

在计算机科学与技术教育领域，C++程序设计课程占据着举足轻重的地位。该课程不仅为学生奠定了坚实的编程基础，还着重培养了其面向对象的系统分析和设计能力。C++作为一门既具备高性能又兼具灵活性的高级编程语言，是众多复杂软件系统开发不可或缺的基础工具，尤其在游戏开发、嵌入式系统、高性能计算[1]等领域有着广泛的应用。通过学习C++，学生能够深入洞悉程序运行机制，熟练掌握内存管理、指针操作等核心编程技能。然而，在信息技术日新月异的当下，C++课程的教学正面临着多重挑战。一方面，由于C++语言本身的复杂性，初学者需投入大量时间去理解和消化相关概念，这无疑加大了教学难度，使得学生的学习曲线变得陡峭。另一方面，随着Python、Java等易于上手的语言的普及，以及人工智能（AI）技术对编程环境的深刻影响，如何保持C++课程的吸引力，并巧妙融合新兴技术以提升学生的实践能力和创新思维，已成为教学改革亟待解决的关键问题。

1.2人工智能技术应用

当前，AI技术在编程教育领域的应用正展现出显著的影响力和革新价值[2]。特别是一系列AI辅助编程工具的蓬勃发展与广泛普及，正在悄然改变着传统C++课程的教学模式，并在提高学习效率、降低初学者入门难度方面取得了显著成效。

AI辅助编程工具，如代码智能提示系统、自动代码补全软件以及集成化在线开发平台等，能够实时分析学生输入的代码片段，并提供极具针对性的建议，从而大幅减少了错误编写的时间成本，显著提升了代码编写的正确率与速度。此外，基于深度学习模型的智能教程生成器，能够根据学生的学习进度和理解程度，自适应地推送相关教学资源，确保学习内容的个性化与循序渐进[3]。这一创新举措有效降低了初学者接触C++语言时所面临的复杂性和挫败感。同时，AI驱动的交互式编程环境[4]使得学习过程变得更加直观和生动。诸如可视化编程[5]和动态调试功能等创新元素，能够帮助学生直观理解程序运行机制，使抽象的编程概念变得易于消化吸收，从而进一步降低了C++学习的入门门槛。

AI技术在编程教育中的应用不仅极大地优化了教学手段，还显著提升了学习体验。对于激发学生学习兴趣、增强自主学习能力以及提高C++课程的教学质量而言，其价值不容小觑。

2基于人工智能的教学改革策略

2.1AI融合课程体系构建

在当前教育改革的浪潮中，将AI技术融入C++程序设计课程的教学，已成为提升教学质量、顺应技术发展的重要途径。

针对教学内容的拓展与更新，首要任务是引入AI领域的基础知识与最新研究成果，并将其与传统的C++编程教育紧密融合。例如，在讲解C++语言特性及数据结构时，可适时融入机器学习算法的实现、深度学习框架下的C++应用开发等内容，引导学生运用C++解决实际AI问题，从而丰富并完善其知识结构。

在构建以AI为导向的C++课程体系过程中，应遵循由浅入深、理论与实践相结合的原则。初级阶段应侧重奠定扎实的C++语法基础，同时借助AI案例分析，启发学生对相关领域产生认知；随着学习进程的深入，逐步介绍并实践基于C++的主流AI库（如Ten⁃sorFlowC++API[6]、OpenCV等），培养学生运用C++进行高效算法编程的能力；高级阶段则聚焦于复杂AI项目的系统性开发，包括模型训练、优化及部署等全流程，促使学生从单纯的语言使用者转变为具备创新能力的AI解决方案开发者。

2.2AI工具驱动的项目式学习

C++是一门实践性极强的编程语言。在基于AI技术赋能教学的过程中，实践环节的设计与实施是实现教改目标的关键路径。针对实践环节，可以利用AI工具来促进项目式学习和实验教学的创新[7]。

首先，在项目式学习方面，借助AI技术，可引导学生运用C++语言解决实际AI应用场景中的问题。具体来说，可以设计一系列结合AI技术的C++编程项目，如基于机器学习算法的预测模型、基于深度学习框架的目标识别系统[8]等。通过这些项目，学生不仅能深入理解C++的高级特性与应用，还能切身体验到AI技术在现代软件开发中的核心地位，从而提升其综合应用能力及创新能力。其次，在实验教学环节，引入AI工具和平台作为辅助教学手段，能极大地丰富C++课程的实验内容。例如，教师可指导学生使用集成有C++接口的主流AI库（如TensorFlow、PyTorch的C++API）进行实验操作，或在AI云平台上搭建并优化C++实现的模型。这种做法旨在让学生直观感受C++在高性能计算、实时处理等方面的优势，并学会如何将AI技术与传统C++编程相结合，以应对复杂系统的开发挑战。

2.3混合式教学与个性化学习

在AI赋能C++课程的教学改革与实践过程中，探索和实施线上线下混合式教学模式[9]，以及利用AI平台实现个性化学习路径，是关键的教学改革措施之一。

在线上教学方面，借助AI技术搭建的智能化教育平台，可以提供丰富的多媒体教程、互动式编程环境和即时反馈机制。学生通过在线模块自主学习C++基础知识，AI驱动的自适应学习系统能根据学生的掌握程度和学习行为动态调整教学内容，推送定制化的练习题目和案例分析，从而实现个性化的学习进程。

线下教学则聚焦于深化理解、强化应用与合作交流。教师以辅导者和引导者的身份，组织研讨课、项目实训和答疑环节，针对线上学习中的难点及实践应用问题进行深入探讨，鼓励团队协作完成具有AI元素的C++实战项目，确保理论知识与实践技能的有效融合。

结合AI平台的大数据分析能力，教学团队可实时监测学生的学习进度、困难点和兴趣倾向，进而优化线下课堂教学内容和节奏，形成精准指导和个别化关注。同时，线上线下的无缝衔接与深度融合，不仅增强了教学效果，也培养了学生独立解决问题的能力和终身学习的习惯。

3方案实施与成效评估

3.1方案执行与实施难点

教学改革方案的具体执行步骤如下：1）课程内容重构：将AI相关理论知识和实际案例融入C++课程中，构建包含深度学习、机器学习等算法模块的C++实践项目库。2）技术平台搭建：整合智能教育工具与在线编程环境，提供一个集AI示例剖析、代码编写、即时反馈等功能于一体的互动式学习平台。3）教学方法创新：采用线上线下混合式教学模式，线上通过自主学习引入AI实例视频讲解，课堂上则以小组合作、研讨等方式进行C++实战训练。4）师资培训强化：组织教师参加AI技术研修，提升其将前沿科技与C++教学相结合的能力。

然而，在实施过程中也面临诸多挑战与难点：1）技术更新快速：AI领域发展日新月异，如何及时更新课程内容，保持与行业前沿同步，是一大难题。2）资源配备优化：确保每位学生都能获得充足的软硬件支持，以顺利完成“AI+C++”实践项目，需要合理调配教学资源。3）学生适应性培养：部分学生可能对新型教学方式存在一定的适应期，需有针对性地进行引导和辅导。

3.2学生学习成效评价

在实施AI赋能C++课程教学改革后，通过量化数据统计与定性反馈调查，对学生的学习成效进行了深入分析。发现在以下几个方面有着显著变化：1）学习成绩的提升：改革后的C++课程融入了AI元素，丰富了课程内容，提高了其实际应用价值。如表1所示，通过对2022—2023学年第一学期与2023—2024学年第一学期的学生成绩数据进行统计分析发现，相较于改革前，学生的理论考试成绩平均提高了18.7%，项目得分平均增长了25.2%。这充分反映出学生对课程知识理解的深化和掌握程度的提高。2）编程能力的发展：在引入AI赋能的教学模式后，学生不仅掌握了基础的C++编程技能，更能够在解决复杂问题时运用智能算法和工具。实践数据显示，改革后的学生在完成AI相关编程任务的速度及正确率上均有显著提升，这体现了他们在实战编程能力上的飞跃进步。3）创新能力的激发：通过课程项目中的AI模块实践，学生们展现出了更强的创新思维和探索精神。许多学生能够独立或合作开发出融合C++与AI的应用案例。提交的创新项目数量较改革前增加了42.9%（见表1），且部分项目具有较高的实用性和原创性。这验证了改革对于培养创新人才的重要性和有效性。

以AI赋能C++程序设计课程的教学改革有效地提升了学生的学习成绩、增强了编程实践能力，并成功激发了他们的创新能力。这为高等教育信息技术人才培养树立了新的典范。

3.3改革效果反馈调查

首先，在改革实施阶段，本文设计并发放了针对学生学习体验及教师教学感受的调查问卷。如表2所示，95%以上的学生认为AI赋能的C++课程增强了他们的学习兴趣和参与度。他们表示，通过与智能编程工具的交互实践，对复杂概念的理解更加深入。同时，90%以上的教师反映，此种改革有效减轻了他们在基础教学上的负担，使他们能更多关注个性化指导和创新能力培养。其次，从具体教学效果的数据统计来看，对比改革前后学生的学习成绩、项目完成质量和课堂互动频率等关键指标，各项数据均显示出积极变化。学生的期末考试优秀率显著提高，课程项目完成时间大大缩短，小组合作项目的创新点数量明显增加。这进一步证实了教学改革对学生学业表现和综合能力的积极推动作用。

通过对学生与教师的反馈进行细致的数据统计与分析，可以得出结论：AI赋能C++程序设计课程的教学改革在实际执行过程中取得了明显成效，并得到了师生双方的高度认可。这有力地推动了教学质量与教学效率的双重提升。

3.4持续改进与策略优化

在教学改革实施过程中，需要持续跟踪评价，并依据教学数据和反馈数据不断改进实施方案。具体如下：首先，在教学改革的实施过程中，搭建了一套智能教学管理系统，用于实时收集和分析学生在学习C++编程过程中的各类行为数据。包括在线学习时长、代码编写频次、习题完成情况及测验成绩等核心指标。通过深入挖掘这些数据资源，揭示出不同教学环节对学生技能掌握的影响程度。其次，针对统计数据反映出的学习瓶颈和知识难点，如指针概念的理解、类与对象的应用等问题，运用AI算法进行辅助识别，并据此迭代优化教学方法与策略。

4结束语

本文通过实施AI赋能的C++程序设计课程教学改革，成功验证了AI技术在提升教学质量、实现个性化教学以及优化学习效果方面的积极作用。首先，整合AI辅助工具有效增强了学生对复杂编程概念的理解和实践能力的提升；其次，基于数据驱动的教学方法能够精准定位学生的学习难点，并据此动态调整教学策略，从而显著提升了教学效率。在未来的教学实践中，将结合区块链、大数据等前沿技术，构建更为全面的教学质量评估与反馈体系。以期在C++程序设计教学中实现更深层次的AI融合，推动我国高等教育信息化进程迈向新的台阶。

参考文献：

[1]陈国良.高性能并行计算的发展历程[J].计算机科学，2024，51（1）：1-3.

[2]汪芳，赵左，王毅航，等.人工智能在程序设计教学应用中的探索与实践[J].计算机教育，2023（11）：45-50.

[2]汪芳，赵左，王毅航，等.人工智能在程序设计教学应用中的探索与实践[J].计算机教育，2023（11）：45-50.

[4]王鹏.Python在线交互式编程平台[J].中国信息技术教育，2022（4）：64-67.

[5]徐航，印月，孙曼，等.可视化图形编程在新工科实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2023，21（4）：54-58.

[6]李铮铮，贾金娜，姜彦民，等.基于项目式教学的程序设计类课程翻转课堂教学案例：以TensorFlow应用与开发课程为例[J].计算机教育，2024（2）：100-105.

[7]吴海涛，郭丽红，沙爱军.基于OBE理念的项目驱动式编程能力提升方案[J].中国现代教育装备，2023（23）：91-93.

[8]义凯.基于优化YOLOv5s的道路场景车辆检测算法研究[J].机械工程与自动化，2024（2）：15-17.

[9]欧莉莉，庞康韶“.线上+线下”混合式教学模式的构建与实施[J].办公自动化，2024，29（4）：25-27.

【通联编辑：代影】

基金项目：国家自然科学基金面上项目“基于多分辨率体素胶囊网络的三维点云目标检测”（62076107）；江苏省自然科学基金面上项目“基于注意力胶囊特征金字塔网络的三维点云目标检测”（BK20211365）