融合“四新”案例的學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)探索與實踐

王順曄 王寧 郭順超 劉大勇

【摘? ?要】? ?針對計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)人才培養(yǎng)中存在的師范教育弱化、教師對實踐能力理解不充分，教學中案例資源單一、短缺等問題，通過實踐研究，提出面向中學人工智能教育的“四新”師范人才培養(yǎng)理念，明確創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要路徑，豐富“四新”案例資源，探索“六位一體，做有溫度的課程思政”的教學理念。經(jīng)實踐檢驗效果良好，對人才培養(yǎng)、專業(yè)建設(shè)、創(chuàng)新實踐能力等方面有較好的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】? ?師范生培養(yǎng)；“四新”案例；創(chuàng)新實踐能力

Exploration of Cultivating the Innovation and Practice Ability of the Students by Combining the "Four New Disciplines" Cases：Taking the Normal Profession of Computer Science and Technology as An Example

Wang Shunye1， Wang Ning1*， Guo Shunchao2， Liu Dayong1

（1. Langfang Normal University， Langfang 065000， China;

2. Qiannan Normal University for Nationalities， Duyun 558000， China）

【Abstract】? ? There are a few problems in the training of normal professionals about computer science and technology， such as the weakening of teacher education， teachers' insufficient understanding of practical ability， and the shortage of resources cases in teaching. Through research and practice， this paper puts forward the "four new disciplines" teacher training concept for secondary school with AI education， and emphasizes the important path of innovative practical ability training， enriches the "four new disciplines" cases， and explores the teaching concept of moral education. This practice has proved that the effect is good， which has a good significance for personnel training， professional construction and innovation and practical ability cultivation.

【Key words】? ? ?training of normal students; "four new disciplines" cases; innovative practical ability

〔中圖分類號〕? G652? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0110 - 04

0? ? ?引言

近年來，由于市場對計算機專業(yè)人才的需求，眾多計算機科學與技術(shù)專業(yè)的畢業(yè)生都到企業(yè)工作，使得一些高校甚至是傳統(tǒng)師范大學暫停計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)招生，謀求專業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，這對計算機科學與技術(shù)師范教育產(chǎn)生了很大沖擊［1］。即使有些學校保留了師范專業(yè)，但是在培養(yǎng)過程中也存在偏差，重視學生的學科能力，而輕視教育教學能力，尤其是教學實踐能力。

隨著人工智能技術(shù)的普及和應(yīng)用，社會各個領(lǐng)域?qū)Ω鲗I(yè)畢業(yè)生的計算思維能力和信息素養(yǎng)提出了更高要求。而中小學信息技術(shù)課是啟蒙計算思維、培養(yǎng)信息素養(yǎng)、樹立信息意識的唯一課程［2］，計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)培養(yǎng)的畢業(yè)生成為中小學信息技術(shù)課程的主要師資，再次受到關(guān)注［3］。因此，師范類高校人才培養(yǎng)從“供給側(cè)”進行改革，特別是計算機科學與技術(shù)（師范）專業(yè)本科生技能培養(yǎng)要適應(yīng)中小學信息技術(shù)教師的需求［4］。教育部相繼出臺初高中信息技術(shù)新課標，不斷推進中學信息技術(shù)向人工智能教育方向改革，所以高等學校進行師范認證，加大計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)的教育教學改革，全面實施師范教育改革，提升學生實踐能力培養(yǎng)迫在眉睫。

1? ? ?師范專業(yè)建設(shè)中存在的問題

1.1? ?師范教育弱化

隨著科技高速發(fā)展，綜合考慮社會需求和學生的就業(yè)意愿，計算機科學與技術(shù)專業(yè)在人才培養(yǎng)過程中，工程教育占據(jù)上風，師范教育弱化。在師范認證主導(dǎo)下，回歸師范教育已迫在眉睫，在提升學科素養(yǎng)的同時，還需加強學生的教育教學情懷和教育教學能力的培養(yǎng)。但對于工程教育和師范教育的區(qū)別，尤其是二者在計算機科學與技術(shù)專業(yè)所展現(xiàn)的辯證關(guān)系上，無論是教師還是學生都表現(xiàn)出不同程度的困惑。

1.2? ?實踐能力培養(yǎng)認知有局限性

由于諸多專業(yè)課任課教師為非師范專業(yè)畢業(yè)，所以在應(yīng)用型改革浪潮下對創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的理解和研究尤其不足。教師對工程教育的應(yīng)用型創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)易于理解，即提升學生的動手實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，但是對師范專業(yè)面對應(yīng)用型創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的理念，就有些不知所措，目前還僅僅停留在學科素養(yǎng)方面的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，忽略了教育教學方面的實踐能力培養(yǎng)。如何在課程教學中既體現(xiàn)學科素養(yǎng)，又強調(diào)教育教學能力，成為師范教育的研究重點。

1.3? ?教學案例不能滿足教學需求

基于專業(yè)特點，課程教學中多采用項目案例式教學，但教學案例的選擇直接影響教學效果和學生實踐能力的培養(yǎng)。要切實提升學生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，項目案例的選擇就顯得尤為重要，如何在同一個項目案例上既培養(yǎng)學科實踐能力又培養(yǎng)學生的教育教學能力，建設(shè)具有前沿性、創(chuàng)新性的豐富案例資源成為擺在師范專業(yè)建設(shè)中的重點和難點。

2? ? ?提升計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)學生創(chuàng)新實踐能力的策略

2.1? ?確定面向中學人工智能教育的“四新”師范人才培養(yǎng)理念

“四新”是指“推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)”。［5］隨著高中、初中信息技術(shù)新課標的發(fā)布，人工智能技術(shù)也成為中學教學的重點內(nèi)容。專業(yè)教師通過仔細閱讀文獻、調(diào)查了解其他地方院校計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)基本情況和教學理念，在深入討論的基礎(chǔ)上，確定并提出了在師范專業(yè)建設(shè)中，面向中學人工智能教育的“四新”師范人才培養(yǎng)理念，尤其是在課程教學的項目中融入“四新”案例，學生以小組實現(xiàn)并講授案例是對學生學科實踐能力和教育教學實踐能力的雙鍛煉雙培養(yǎng)。該理念的確立既繼承了原有工程教育的思想，又擴展和加強了與其他學科的交叉融合，同時提高了學生的教育教學培養(yǎng)質(zhì)量。

2.2? ?明確人才培養(yǎng)過程中創(chuàng)新實踐能力的范疇

通過參加師范認證培訓交流會，認真研究師范認證標準和中學課程標準；通過認證小組長會議、全系教師師范認證準備會、教師學生座談會等多種形式，在教師和學生心中樹立學科素養(yǎng)和教學能力并重的理念，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的同時，促進教育教學實踐能力提升；同時參加企業(yè)人工智能方面的師資培訓，整理總結(jié)“四新”案例，豐富教學實踐資源。梳理創(chuàng)新思路，總結(jié)創(chuàng)新經(jīng)驗，在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和競賽中落實創(chuàng)新應(yīng)用。

2.3? ?加強教育教學實踐能力培養(yǎng)

在計算機科學與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，除通過集中的師范生教學實踐周、校內(nèi)外雙導(dǎo)師制活動、學科教學討論實踐教學培養(yǎng)學生的教育教學實踐能力外，還充分借助學科教學的優(yōu)勢，開展教育教學能力培養(yǎng)。尤其是學科實踐性較強的課程，教師改革教學方式，豐富教學手段，搭建專業(yè)實踐教學平臺，提升學生的積極性和參與度［6］。課程廣泛采用小組協(xié)作完成項目案例式教學方式，然后以小組匯報或答辯的形式說明設(shè)計方案和實現(xiàn)流程，老師和學生提出意見建議，隨后小組學生經(jīng)過討論、反思完善項目。部分課程要求學生以制作微課、錄制項目微視頻、創(chuàng)作思維導(dǎo)圖等形式充分展示項目成果。在這個過程中既培養(yǎng)了學生的學科實踐能力，又提升了學生的溝通合作能力、反思能力和知識傳授能力，訓練了學生的教育教學能力。

2.4? ?與時俱進豐富“四新”教學案例

確定面向中學人工智能教育的“四新”師范人才培養(yǎng)理念后，在Python程序設(shè)計、人工智能、機器學習、計算機視覺、深度學習等較前沿的課程教學中不斷融入“四新”案例，以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，廣泛開展學科交叉融合，尤其是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、社會科學等方面的應(yīng)用案例，提交大作業(yè)時學生可根據(jù)個性化發(fā)展需求選擇感興趣的項目進行開發(fā)，提交文檔和程序。同時還將提交小組頭腦風暴研討及項目功能描述兩個微課視頻，作為教育教學實踐訓練成果。為不斷豐富“四新”案例并提升項目案例的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，還應(yīng)將教師的科研成果和畢業(yè)設(shè)計項目加入到案例庫，進而提升整體教學案例的廣度。

3? ? ?“四新”教學案例精選

教師廣泛開展學科交叉，閱讀大量文獻，探索人工智能在社會科學和自然科學方面的應(yīng)用，整理“四新”案例，豐富教學資源，如基于圖像增強的醫(yī)學圖像處理、圖像分類提取地面農(nóng)作物信息、多模態(tài)教育情感分析、智慧交通應(yīng)用、智能英語口語評測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)輿情內(nèi)容和演化分析、基于圖像預(yù)處理的木材材積檢測、番茄病蟲害專家系統(tǒng)、玫瑰花識別專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、基于圖像處理的舌診圖譜分析、基于智能算法的物流路徑規(guī)劃、基于深度學習的手寫體識別等。教學實踐中根據(jù)社會發(fā)展和熱點事件融入課程思政更新教學案例，如疫情謠言傳播、政府文件公告關(guān)鍵詞提取、熱門電影評論、情感分析等。

3.1? ?圖像處理技術(shù)在醫(yī)學骨骼分析中的應(yīng)用

在人體信息可視化的基礎(chǔ)上，通過醫(yī)學圖像處理進一步對目標圖像分析、識別、分割、理解、分類等，以便醫(yī)生更加直觀地利用信息做出臨床診斷。如利用伽馬射線成像得到的骨骼掃描圖像，通過對比度拉伸方法增強圖像后，得到較為理想的骨骼結(jié)構(gòu)圖像，從而增強感興趣區(qū)域的細節(jié)信息［7］。如圖1所示，圖像處理在醫(yī)學教學、研究中具有廣闊的應(yīng)用價值。

3.2? ?圖像分類在農(nóng)作物信息提取中的應(yīng)用

通過對假彩色圖像分類提取地物信息，構(gòu)建農(nóng)作物的空間分布圖，如圖2所示，統(tǒng)計農(nóng)作物像元數(shù)量。根據(jù)每個像元對應(yīng)的面積，進而得出該地區(qū)目標作物的種植數(shù)量，為后續(xù)測算提供必要的數(shù)據(jù)支撐［8］。

3.3? ?多模態(tài)教育情感分析研究

在教育領(lǐng)域，針對線上線下不同教育場景，通過多模態(tài)數(shù)據(jù)收集，應(yīng)用人工智能算法和特征提取方法，識別文本、語音、圖像、視頻中學習者的情感，構(gòu)建決策層的數(shù)據(jù)融合，建立課堂教學評價模型，幫助改進教育教學方法，優(yōu)化教學內(nèi)容，提升教育教學效果，如圖3所示。同時還關(guān)注在線學習行為分析，構(gòu)建了基于注意力機制的在線學習圖像情感分類模型［9］。

3.4? ?智慧交通應(yīng)用案例

案例研究內(nèi)容主要包含3個方面，如圖4所示：（1）面向交通參數(shù)提取、交通事件檢測、行人檢測與行為分析、出行服務(wù)的智能交通信息處理；（2）智能交通優(yōu)化控制，人-車-路協(xié)同及車聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化控制技術(shù)研究；（3）基于深度學習的交通流量預(yù)測，通過模型訓練，改進研究方法，應(yīng)用數(shù)據(jù)集資源以保障交通流量預(yù)測技術(shù)的持續(xù)改進［10］。

3.5? ?智能英語口語評測系統(tǒng)

系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，根據(jù)自主收集的學生英語口語錄音數(shù)據(jù)，進一步建立口語準確度的訓練模型，將最終結(jié)果與專家評估結(jié)果進行對比，達到英語口語評估的目標。其中語音信號處理，本例運用人工智能技術(shù)解決英語口語評測中的主觀問題，對目前學生的口語訓練以及口語糾正有著很大的作用。

3.6? ?網(wǎng)絡(luò)謠言治理案例

在社會學領(lǐng)域，應(yīng)用文本挖掘和計算傳播學理論，解決流量經(jīng)濟背景下生態(tài)化的虛假信息和謠言治理問題。案例通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲，構(gòu)建謠言數(shù)據(jù)庫，通過情感計算和內(nèi)容特征分析，對網(wǎng)絡(luò)謠言進行預(yù)判，極大地減少了網(wǎng)絡(luò)謠言的傳播和影響。

4? ? ?教學成效分析

4.1? ?厘清師范教育與工程教育之間的關(guān)系，樹立正確的人才培養(yǎng)理念

在師范專業(yè)開展工程思維訓練，不違背師范教育的要求。計算機科學與技術(shù)專業(yè)學科教學內(nèi)容是面向計算思維的工程訓練模式，具有工程應(yīng)用背景，因此學科邏輯上是工程教育。師范教育除了學科素養(yǎng)還有教育教學能力培養(yǎng)，使學生能夠勝任中學信息技術(shù)課程的講授工作，尤其是人工智能教育。人工智能教育應(yīng)用場景較多，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、社會科學等領(lǐng)域都有創(chuàng)新，開展人工智能教育，不僅能夠滿足中學生對這方面知識的渴求，而且有利于中學生的興趣培養(yǎng)和未來的專業(yè)選擇。因此，教學中確立了“四新”師范人才培養(yǎng)的理念，深耕人工智能交叉融合發(fā)展。

4.2? ?明確專業(yè)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的重要路徑

計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)包含學科實踐能力培養(yǎng)和教育教學能力培養(yǎng)兩個方面。在教學過程中，學科教育和師范教育并駕齊驅(qū)，同向同行。改進教學手段、豐富教學方法，使得學生學科實踐能力和教育教學實踐能力同時得到鍛煉提升，尤其是在項目案例式教學中，將學科知識、小組協(xié)作、溝通交流、反思和教學能力訓練融會貫通，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4.3? ?豐富“四新”案例庫資源，擴展人工智能交叉應(yīng)用場景

在明確的教學目標任務(wù)下，創(chuàng)新選擇人工智能應(yīng)用場景，促進人工智能技術(shù)與工科、農(nóng)科、醫(yī)科、文科的深度交叉融合，開闊學生視野，同時與時俱進不斷更新案例庫資源，關(guān)注科技創(chuàng)新和社會熱點，融入教師科研成果和學生畢業(yè)設(shè)計研究項目，提升項目高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的同時，學生可以根據(jù)個人興趣愛好有選擇地完成項目案例。

4.4? ?“六位一體，做有溫度的課程思政”理念

由于融合“四新”的創(chuàng)新案例師范生培養(yǎng)涉及多學科，所以在教學過程仔細研讀《高等學校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，既要關(guān)注實驗實踐課程中注重學思結(jié)合、知行統(tǒng)一、增強學生勇于探索的創(chuàng)新精神，善于解決問題的實踐能力的思政元素，還要關(guān)注理工學類、農(nóng)學類、醫(yī)學類、文史哲類、經(jīng)管法類課程思政的著眼點，尤其是教育類課程“四有”好教師的發(fā)展要求［11］。通過綜合分析并逐步在教學過程中形成價值引領(lǐng)、教育情懷、時政教學、實踐育人、科研育人、文理兼修的“六位一體”的課程思政內(nèi)容。同時注重課程思政的引入，避免說教式融入，做有溫度的課程思政，真正做到如鹽入水、潤物無聲，使學生在智力層面、精神層面和國家社會層面都有提升和感悟。

4.5? ?師生齊頭并進，教學科研協(xié)同發(fā)展

近5年，教師在教育教學研究、師范教育和科學研究方面不斷創(chuàng)新，總結(jié)梳理教學實踐成果，發(fā)表教育教學論文。秉承“科研促進教學”的理念，不斷研究人工智能場景應(yīng)用創(chuàng)新，尤其是在社交網(wǎng)絡(luò)、文本挖掘、圖像處理等方面，撰寫科研論文。同時通過指導(dǎo)學生開展創(chuàng)新實踐項目及競賽，帶領(lǐng)學生總結(jié)研究過程、研究內(nèi)容、研究成果，撰寫項目案例式教案，梳理成文［12-15］，提升學生的教育教學研究能力、科學研究能力、寫作能力。

5? ? ?結(jié)語

本文針對計算機科學與技術(shù)師范專業(yè)學生培養(yǎng)中的問題，提出了融合“四新”的師范人才培養(yǎng)理念，為該專業(yè)發(fā)展和師范認證提供了有效思路，也為人工智能交叉融合的“四新”應(yīng)用下學生的創(chuàng)新發(fā)展指明了方向。

［參考文獻］

［1］ 馬艷芳，肖建于，于春紅.計算機科學與技術(shù)（師范）專業(yè)人才培養(yǎng)模式探析——“自主發(fā)展的互動型”教育模式［J］.淮北師范大學學報（自然科學版），2022，43（1）：86-92.

［2］ 鄧萬村，李明江.中學生信息意識現(xiàn)狀調(diào)查及研究——以某民族中學為例［J］.黔南民族師范學院學報，2020，40（4）：120-123.

［3］ 王順曄，王寧，劉大勇，等.中小學人工智能教育現(xiàn)狀調(diào)查及對策研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2019，15（33）：129-131.

［4］ 胡星宇.基于中小學信息技術(shù)教師發(fā)展方向的師范類高校計算機科學與技術(shù)（師范）專業(yè)本科生技能培養(yǎng)探析［J］.造紙裝備及材料，2020，49（1）：190.

［5］ 馬陸亭.新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科——從教育理念到范式變革［J］.中國高等教育，2022（12）：9-11.

［6］ 任建強，張玲娟，馮越，等.新工科信息類專業(yè)開放式實踐教學平臺研究［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2022，22（1）：99-103.

［7］ 岡薩雷斯， R.C.， 伍茲，等. 數(shù)字圖像處理：英文版［M］. 北京：電子工業(yè)出版社， 2010.

［8］ 朱文泉， 林文鵬. 遙感數(shù)字圖像處理——實踐與操作［M］. 北京： 高等教育出版社， 2016.

［9］ Shunye Wang， Dayong Liu， Ning Wang， et al. Design and Implementation of an Online Python Teaching Case Library for the Training of Application-Oriented Talents［J］. International Journal of Emerging Technologies in Learning， 2020，15（21）：217-230.

［10］ 任建強，馮越，張玲娟，等.京津雄三角區(qū)道路交通路網(wǎng)分布及智能化建設(shè)研究［J］.中國建設(shè)信息化，2018（8）：72-74.

［11］ 王順曄，楊志芳，王彥華，等.國內(nèi)高校“課程思政”研究現(xiàn)狀及對策分析［J］.高教學刊，2020（36）：193-196.

［12］ 趙子花，若彤，劉爽，等.融合氣象數(shù)據(jù)的協(xié)同過濾推薦服裝智慧穿搭A(yù)PP設(shè)計［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2020，20（3）：16-20.

［13］ 封世龍，潘思宇，王嘉偉，等.基于自媒體視頻平臺的輿情分析［J］.現(xiàn)代計算機，2020（21）：40-45.

［14］ 趙芬，雷珍臻，楊曉云，等.基于百度貼吧大學生網(wǎng)絡(luò)輿情分析［J］.電腦知識與技術(shù)，2018，14（28）：227-229.

［15］ 李紀偉，段中帥，王順曄.非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫MongoDB的數(shù)據(jù)存儲［J］.電腦知識與技術(shù)，2018，14（27）：7-9.