融合“四新”案例的学生创新实践能力培养探索与实践

王顺晔 王宁 郭顺超 刘大勇

【摘   要】   针对计算机科学与技术师范专业人才培养中存在的师范教育弱化、教师对实践能力理解不充分，教学中案例资源单一、短缺等问题，通过实践研究，提出面向中学人工智能教育的“四新”师范人才培养理念，明确创新实践能力培养的重要路径，丰富“四新”案例资源，探索“六位一体，做有温度的课程思政”的教学理念。经实践检验效果良好，对人才培养、专业建设、创新实践能力等方面有较好的借鉴意义。

【关键词】   师范生培养；“四新”案例；创新实践能力

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

〔中圖分类号〕  G652                            〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）01- 0110 - 04

0     引言

近年来，由于市场对计算机专业人才的需求，众多计算机科学与技术专业的毕业生都到企业工作，使得一些高校甚至是传统师范大学暂停计算机科学与技术师范专业招生，谋求专业转型发展，这对计算机科学与技术师范教育产生了很大冲击［1］。即使有些学校保留了师范专业，但是在培养过程中也存在偏差，重视学生的学科能力，而轻视教育教学能力，尤其是教学实践能力。

随着人工智能技术的普及和应用，社会各个领域对各专业毕业生的计算思维能力和信息素养提出了更高要求。而中小学信息技术课是启蒙计算思维、培养信息素养、树立信息意识的唯一课程［2］，计算机科学与技术师范专业培养的毕业生成为中小学信息技术课程的主要师资，再次受到关注［3］。因此，师范类高校人才培养从“供给侧”进行改革，特别是计算机科学与技术（师范）专业本科生技能培养要适应中小学信息技术教师的需求［4］。教育部相继出台初高中信息技术新课标，不断推进中学信息技术向人工智能教育方向改革，所以高等学校进行师范认证，加大计算机科学与技术师范专业的教育教学改革，全面实施师范教育改革，提升学生实践能力培养迫在眉睫。

1     师范专业建设中存在的问题

1.1   师范教育弱化

随着科技高速发展，综合考虑社会需求和学生的就业意愿，计算机科学与技术专业在人才培养过程中，工程教育占据上风，师范教育弱化。在师范认证主导下，回归师范教育已迫在眉睫，在提升学科素养的同时，还需加强学生的教育教学情怀和教育教学能力的培养。但对于工程教育和师范教育的区别，尤其是二者在计算机科学与技术专业所展现的辩证关系上，无论是教师还是学生都表现出不同程度的困惑。

1.2   实践能力培养认知有局限性

由于诸多专业课任课教师为非师范专业毕业，所以在应用型改革浪潮下对创新实践能力培养的理解和研究尤其不足。教师对工程教育的应用型创新实践能力的培养易于理解，即提升学生的动手实践能力，培养学生的创新意识，但是对师范专业面对应用型创新实践能力培养的理念，就有些不知所措，目前还仅仅停留在学科素养方面的创新实践能力培养，忽略了教育教学方面的实践能力培养。如何在课程教学中既体现学科素养，又强调教育教学能力，成为师范教育的研究重点。

1.3   教学案例不能满足教学需求

基于专业特点，课程教学中多采用项目案例式教学，但教学案例的选择直接影响教学效果和学生实践能力的培养。要切实提升学生的创新实践能力培养，项目案例的选择就显得尤为重要，如何在同一个项目案例上既培养学科实践能力又培养学生的教育教学能力，建设具有前沿性、创新性的丰富案例资源成为摆在师范专业建设中的重点和难点。

2     提升计算机科学与技术师范专业学生创新实践能力的策略

2.1   确定面向中学人工智能教育的“四新”师范人才培养理念

“四新”是指“推进新工科、新医科、新农科、新文科建设”。［5］随着高中、初中信息技术新课标的发布，人工智能技术也成为中学教学的重点内容。专业教师通过仔细阅读文献、调查了解其他地方院校计算机科学与技术师范专业基本情况和教学理念，在深入讨论的基础上，确定并提出了在师范专业建设中，面向中学人工智能教育的“四新”师范人才培养理念，尤其是在课程教学的项目中融入“四新”案例，学生以小组实现并讲授案例是对学生学科实践能力和教育教学实践能力的双锻炼双培养。该理念的确立既继承了原有工程教育的思想，又扩展和加强了与其他学科的交叉融合，同时提高了学生的教育教学培养质量。

2.2   明确人才培养过程中创新实践能力的范畴

通过参加师范认证培训交流会，认真研究师范认证标准和中学课程标准；通过认证小组长会议、全系教师师范认证准备会、教师学生座谈会等多种形式，在教师和学生心中树立学科素养和教学能力并重的理念，在培养学生创新实践能力的同时，促进教育教学实践能力提升；同时参加企业人工智能方面的师资培训，整理总结“四新”案例，丰富教学实践资源。梳理创新思路，总结创新经验，在创新创业项目和竞赛中落实创新应用。

2.3   加强教育教学实践能力培养

在计算机科学与技术专业人才培养过程中，除通过集中的师范生教学实践周、校内外双导师制活动、学科教学讨论实践教学培养学生的教育教学实践能力外，还充分借助学科教学的优势，开展教育教学能力培养。尤其是学科实践性较强的课程，教师改革教学方式，丰富教学手段，搭建专业实践教学平台，提升学生的积极性和参与度［6］。课程广泛采用小组协作完成项目案例式教学方式，然后以小组汇报或答辩的形式说明设计方案和实现流程，老师和学生提出意见建议，随后小组学生经过讨论、反思完善项目。部分课程要求学生以制作微课、录制项目微视频、创作思维导图等形式充分展示项目成果。在这个过程中既培养了学生的学科实践能力，又提升了学生的沟通合作能力、反思能力和知识传授能力，训练了学生的教育教学能力。

2.4   与时俱进丰富“四新”教学案例

确定面向中学人工智能教育的“四新”师范人才培养理念后，在Python程序设计、人工智能、机器学习、计算机视觉、深度学习等较前沿的课程教学中不断融入“四新”案例，以人工智能技术为基础，广泛开展学科交叉融合，尤其是在工业、农业、医学、社会科学等方面的应用案例，提交大作业时学生可根据个性化发展需求选择感兴趣的项目进行开发，提交文档和程序。同时还将提交小组头脑风暴研讨及项目功能描述两个微课视频，作为教育教学实践训练成果。为不断丰富“四新”案例并提升项目案例的高阶性、创新性和挑战性，还应将教师的科研成果和毕业设计项目加入到案例库，进而提升整体教学案例的广度。

3     “四新”教学案例精选

教师广泛开展学科交叉，阅读大量文献，探索人工智能在社会科学和自然科学方面的应用，整理“四新”案例，丰富教学资源，如基于图像增强的医学图像处理、图像分类提取地面农作物信息、多模态教育情感分析、智慧交通应用、智能英语口语评测系统、网络舆情内容和演化分析、基于图像预处理的木材材积检测、番茄病虫害专家系统、玫瑰花识别专家系统、农业物联网应用、基于图像处理的舌诊图谱分析、基于智能算法的物流路径规划、基于深度学习的手写体识别等。教学实践中根据社会发展和热点事件融入课程思政更新教学案例，如疫情谣言传播、政府文件公告关键词提取、热门电影评论、情感分析等。

3.1   图像处理技术在医学骨骼分析中的应用

在人体信息可视化的基础上，通过医学图像处理进一步对目标图像分析、识别、分割、理解、分类等，以便医生更加直观地利用信息做出临床诊断。如利用伽马射线成像得到的骨骼扫描图像，通过对比度拉伸方法增强图像后，得到较为理想的骨骼结构图像，从而增强感兴趣区域的细节信息［7］。如图1所示，图像处理在医学教学、研究中具有广阔的应用价值。

3.2   图像分类在农作物信息提取中的应用

通过对假彩色图像分类提取地物信息，构建农作物的空间分布图，如图2所示，统计农作物像元数量。根据每个像元对应的面积，进而得出该地区目标作物的种植数量，为后续测算提供必要的数据支撑［8］。

3.3   多模態教育情感分析研究

在教育领域，针对线上线下不同教育场景，通过多模态数据收集，应用人工智能算法和特征提取方法，识别文本、语音、图像、视频中学习者的情感，构建决策层的数据融合，建立课堂教学评价模型，帮助改进教育教学方法，优化教学内容，提升教育教学效果，如图3所示。同时还关注在线学习行为分析，构建了基于注意力机制的在线学习图像情感分类模型［9］。

3.4   智慧交通应用案例

案例研究内容主要包含3个方面，如图4所示：（1）面向交通参数提取、交通事件检测、行人检测与行为分析、出行服务的智能交通信息处理；（2）智能交通优化控制，人-车-路协同及车联网优化控制技术研究；（3）基于深度学习的交通流量预测，通过模型训练，改进研究方法，应用数据集资源以保障交通流量预测技术的持续改进［10］。

3.5   智能英语口语评测系统

系统利用神经网络算法，根据自主收集的学生英语口语录音数据，进一步建立口语准确度的训练模型，将最终结果与专家评估结果进行对比，达到英语口语评估的目标。其中语音信号处理，本例运用人工智能技术解决英语口语评测中的主观问题，对目前学生的口语训练以及口语纠正有着很大的作用。

3.6   网络谣言治理案例

在社会学领域，应用文本挖掘和计算传播学理论，解决流量经济背景下生态化的虚假信息和谣言治理问题。案例通过网络爬虫，构建谣言数据库，通过情感计算和内容特征分析，对网络谣言进行预判，极大地减少了网络谣言的传播和影响。

4     教学成效分析

4.1   厘清师范教育与工程教育之间的关系，树立正确的人才培养理念

在师范专业开展工程思维训练，不违背师范教育的要求。计算机科学与技术专业学科教学内容是面向计算思维的工程训练模式，具有工程应用背景，因此学科逻辑上是工程教育。师范教育除了学科素养还有教育教学能力培养，使学生能够胜任中学信息技术课程的讲授工作，尤其是人工智能教育。人工智能教育应用场景较多，在工业、农业、医学、社会科学等领域都有创新，开展人工智能教育，不仅能够满足中学生对这方面知识的渴求，而且有利于中学生的兴趣培养和未来的专业选择。因此，教学中确立了“四新”师范人才培养的理念，深耕人工智能交叉融合发展。

4.2   明确专业创新实践能力培养的重要路径

计算机科学与技术师范专业的创新实践能力培养包含学科实践能力培养和教育教学能力培养两个方面。在教学过程中，学科教育和师范教育并驾齐驱，同向同行。改进教学手段、丰富教学方法，使得学生学科实践能力和教育教学实践能力同时得到锻炼提升，尤其是在项目案例式教学中，将学科知识、小组协作、沟通交流、反思和教学能力训练融会贯通，提升人才培养质量。

4.3   丰富“四新”案例库资源，扩展人工智能交叉应用场景

在明确的教学目标任务下，创新选择人工智能应用场景，促进人工智能技术与工科、农科、医科、文科的深度交叉融合，开阔学生视野，同时与时俱进不断更新案例库资源，关注科技创新和社会热点，融入教师科研成果和学生毕业设计研究项目，提升项目高阶性、创新性和挑战度的同时，学生可以根据个人兴趣爱好有选择地完成项目案例。

4.4   “六位一体，做有温度的课程思政”理念

由于融合“四新”的创新案例师范生培养涉及多学科，所以在教学过程仔细研读《高等学校课程思政建设指导纲要》，既要关注实验实践课程中注重学思结合、知行统一、增强学生勇于探索的创新精神，善于解决问题的实践能力的思政元素，还要关注理工学类、农学类、医学类、文史哲类、经管法类课程思政的着眼点，尤其是教育类课程“四有”好教师的发展要求［11］。通过综合分析并逐步在教学过程中形成价值引领、教育情怀、时政教学、实践育人、科研育人、文理兼修的“六位一体”的课程思政内容。同时注重课程思政的引入，避免说教式融入，做有温度的课程思政，真正做到如盐入水、润物无声，使学生在智力层面、精神层面和国家社会层面都有提升和感悟。

4.5   师生齐头并进，教学科研协同发展

近5年，教师在教育教学研究、师范教育和科学研究方面不断创新，总结梳理教学实践成果，发表教育教学论文。秉承“科研促进教学”的理念，不断研究人工智能场景应用创新，尤其是在社交网络、文本挖掘、图像处理等方面，撰写科研论文。同时通过指导学生开展创新实践项目及竞赛，带领学生总结研究过程、研究内容、研究成果，撰写项目案例式教案，梳理成文［12-15］，提升学生的教育教学研究能力、科学研究能力、写作能力。

5     结语

本文针对计算机科学与技术师范专业学生培养中的问题，提出了融合“四新”的师范人才培养理念，为该专业发展和师范认证提供了有效思路，也为人工智能交叉融合的“四新”应用下学生的创新发展指明了方向。

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