李坤乾，周麗芹

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100）

0 引言

中共十九大報告指出要“推動新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，主動參與和推動經(jīng)濟全球化進程，發(fā)展更高層次的開放型經(jīng)濟，不斷壯大我國經(jīng)濟實力和綜合國力”，為我國工業(yè)發(fā)展和建設(shè)指明了方向。工程教育質(zhì)量是評價和衡量工程教育能否適應(yīng)國家戰(zhàn)略需求的重要指標。在這一背景下，工程教育認證作為構(gòu)建工程教育質(zhì)量監(jiān)控體系，推進工程教育改革，提升我國工程技術(shù)人才國際競爭力的重要手段，正發(fā)揮著重要作用。自動化專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，以工程教育專業(yè)認證為要求進行專業(yè)建設(shè)、課程規(guī)劃是提升本專業(yè)工程教育質(zhì)量的必由之路。

數(shù)字圖像處理課程作為自動化專業(yè)的重要支撐課程，旨在教授學(xué)生掌握圖像處理的基本概念、原理和方法，使學(xué)生具有在計算機上進行圖像處理程序編寫與調(diào)試的能力。該課程有以下顯著特點：

（1）理論知識要求高。數(shù)字圖像處理是一門多學(xué)科交叉課程，理論內(nèi)容涵蓋數(shù)學(xué)、物理、電子、信息等多個學(xué)科，預(yù)備知識既包含線性代數(shù)、概率統(tǒng)計、隨機過程等數(shù)理基礎(chǔ)內(nèi)容，又涵蓋信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)知識，理論知識的深度與廣度要求可見一斑。

（2）課程應(yīng)用范圍廣。數(shù)字圖像處理是一門應(yīng)用十分廣泛的課程，且具有明顯的專業(yè)、行業(yè)需求差異性。以中國海洋大學(xué)自動化及測控系開設(shè)的數(shù)字圖像處理課程為例，該課程為自動化專業(yè)選修課，共32 學(xué)時，課上時長相當有限。若采用廣泛涉獵形式的課程內(nèi)容設(shè)置，一方面無法適應(yīng)有限的課時要求，另一方面也不利于學(xué)生針對性地學(xué)習(xí)專業(yè)、行業(yè)相關(guān)技能。

（3）前沿技術(shù)更新快。2012 年以來，隨著以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理相關(guān)技術(shù)也迎來了跨越式發(fā)展階段。數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容除預(yù)備與基礎(chǔ)內(nèi)容外，其他內(nèi)容已較難滿足用人方對畢業(yè)生的技能需求水平。

（4）動手實踐要求高。對于數(shù)字圖像處理課程，純理論講授式的教學(xué)設(shè)計形式難以滿足用人單位對于本專業(yè)畢業(yè)生應(yīng)用實踐能力的要求。缺乏基于實踐訓(xùn)練的理論強化，容易使本課程最終變?yōu)榧埳险劚?。因此，結(jié)合用人單位實際需求，設(shè)計面向真實應(yīng)用場景的課程實踐案例，充分調(diào)動學(xué)生課外學(xué)時進行工程實踐應(yīng)用，是講好理論課程的重要補充，也是以滿足行業(yè)、社會需求為目的人才培養(yǎng)必由之路。

《中國工程教育質(zhì)量報告（2013 年度）》將工程教育的社會需求適應(yīng)度作為一條重要的分析指標用于衡量工程教育質(zhì)量，為課程體系建設(shè)提出了明確導(dǎo)向。然而，通過上述分析可見，現(xiàn)行通用的數(shù)字圖像處理課程體系因缺乏具有專業(yè)針對性的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與較為滯后的內(nèi)容更新，很難適應(yīng)當今自動化行業(yè)的實際應(yīng)用需求。因此，面向自動化專業(yè)的工程教育認證要求，對數(shù)字圖像處理課程進行教學(xué)改革具有重要意義。

1 相關(guān)研究

針對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革問題，國內(nèi)外學(xué)者、教育者進行了一系列探索。鄭靜等［1］和梁志貞等［2］分別就面向?qū)I(yè)和面向行業(yè)的數(shù)字圖像處理課程設(shè)計與改革進行了研究。鄭靜等［1］提出，在教學(xué)中根據(jù)學(xué)生專業(yè)背景知識的差異性，采用與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法，摒棄單一化的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，因材施教，針對不同專業(yè)學(xué)生設(shè)計不同的理論和實驗內(nèi)容，更能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為未來學(xué)生的學(xué)習(xí)和工作提供幫助；梁志貞等［2］結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)的行業(yè)特點，論述了融入行業(yè)特色的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革方案。然而，上述改革實踐仍集中于授課方式方法的改革，對于課程內(nèi)容的改革與更新尚未深入探討。

王旭初［3］、羅兵等［4］分別就具體應(yīng)用驅(qū)動的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式及改革進行了論述。研究結(jié)果表明，通過增加工程應(yīng)用的課程設(shè)計，增強了學(xué)生對已有開放資源的了解、使用，學(xué)生能夠更好地掌握開發(fā)工具和編程語言。然而，遺憾的是相關(guān)應(yīng)用課題設(shè)置仍然不是以專業(yè)需求為導(dǎo)向，學(xué)生掌握的相關(guān)內(nèi)容往往無法直接應(yīng)用于未來就業(yè)與科研工作。

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的創(chuàng)新性方面，也有學(xué)者展開了相關(guān)研究。例如，劉君［5］結(jié)合目前人工智能技術(shù)熱點，更新與完善教學(xué)內(nèi)容，以計算機視覺領(lǐng)域中經(jīng)典任務(wù)為切入點，結(jié)合當前數(shù)字圖像處理領(lǐng)域人工智能技術(shù)最新熱點與應(yīng)用案例，激發(fā)學(xué)生興趣。此外，張穎［6］強調(diào)在數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容設(shè)置上更加重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與能力；張重等［7］強調(diào)前沿科技論文講解在數(shù)字圖像處理課程中應(yīng)占有一定比例，從而引導(dǎo)學(xué)生涉獵最新研究進展；在教學(xué)模式方面，石蘊玉等［8］提出了以BOPPPS 模式推進數(shù)字圖像處理課程教學(xué)，強調(diào)教學(xué)反思和加強互動；陳穎頻等［9］在數(shù)字圖像處理課程中探索“層次化實驗教學(xué)”方法，分別從課程層進式教學(xué)改革、實驗層進式教學(xué)改革、反轉(zhuǎn)課堂3 個層面進行了闡述。此外，Li 等［10］、Zhang 等［11］均進一步強調(diào)了在教學(xué)中以“研究”促進“教學(xué)”這一模式的重要性。然而，上述研究僅提出“研究驅(qū)動教學(xué)”的方法，考慮到自動化專業(yè)的多方向性，“科技創(chuàng)新驅(qū)動”的改革任務(wù)和模式探索仍具重要研究價值。

綜上，本文聚焦工程教育認證背景下的數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容重構(gòu)與改革，創(chuàng)新性地提出了一套教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容與畢業(yè)要求相配合的完整教學(xué)體系，并采用“創(chuàng)新驅(qū)動”方式，探索了前沿研究、工程案例及持續(xù)改進相結(jié)合的教學(xué)模式。

2 自動化行業(yè)數(shù)字圖像處理技能需求分析

以中國海洋大學(xué)自動化及測控系為例，經(jīng)過30 余年的發(fā)展，其在自動化人才培養(yǎng)方面實現(xiàn)了以專業(yè)為本體、海洋為特色的培養(yǎng)模式。專業(yè)課程及研究方向涵蓋智能儀器儀表、監(jiān)測檢測技術(shù)、機器視覺、機器人、智能信息處理與智能控制等領(lǐng)域，逐漸成為涉海學(xué)科的重要支撐學(xué)科。隨著消費級、工業(yè)級高性價比影像采集設(shè)備的普及，視覺感知作為一種直觀、便捷的信息采集手段，在伺服控制、環(huán)境感知、智能監(jiān)測等領(lǐng)域受到愈來愈多的關(guān)注，逐漸成為自動化技術(shù)的重要支撐。數(shù)字圖像處理技術(shù)作為視覺感知的重要技術(shù)手段，是自動化行業(yè)的主要技術(shù)需求增長點之一。

美國工程教育學(xué)會提出工程教育必須改革以適應(yīng)社會需求，重視工程實際以及工程知識的系統(tǒng)性。作為典型工科專業(yè)，自動化專業(yè)的課程體系及課程內(nèi)容構(gòu)建也應(yīng)按照上述要求進行重構(gòu)，以適應(yīng)行業(yè)社會用人需求［12］。具體到數(shù)字圖像處理課程目標，行業(yè)需要相關(guān)從業(yè)人員具備面向視覺感知任務(wù)的工程性經(jīng)驗，針對具體工程問題，具備借助數(shù)字圖像處理技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)性解決方案的能力。因此，培養(yǎng)學(xué)生利用圖像處理技術(shù)分析系統(tǒng)工程問題的能力，使他們能夠?qū)ο到y(tǒng)問題進行分解與提煉，進而具備用數(shù)字圖像處理技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)性解決方案的能力，是該門課程在工程教育認證背景下的核心目標。

3 前沿技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動的課程教學(xué)改革與持續(xù)改進

3.1 面向人才培養(yǎng)目標的課程目標與教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

在工程教育認證框架下，院校應(yīng)制定合理的、適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需要的人才培養(yǎng)目標，并制定與之對應(yīng)的畢業(yè)要求及指標點。相應(yīng)地，課程目標的設(shè)定應(yīng)體現(xiàn)對于畢業(yè)要求的貢獻，并貫徹到教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上。以中國海洋大學(xué)自動化專業(yè)為例，表1 展示了面向人才培養(yǎng)目標的課程目標、教學(xué)內(nèi)容及其與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系，將課程目標對畢業(yè)要求的支撐、教學(xué)內(nèi)容對課程目標的支撐進行了直觀闡述。

3.2 自動化專業(yè)背景下的教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與工程實訓(xùn)

作為自動化專業(yè)選修課，在有限的課時內(nèi)，采用平鋪式的寬范圍涉獵教學(xué)方式，很難高質(zhì)量地開展數(shù)字圖像處理課程教學(xué)。因此，有必要對數(shù)字圖像處理課程繁茂的理論體系進行有的放矢地精簡，提煉核心框架。表1 中，課程目標1 所對應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容，以數(shù)學(xué)理論對照具體應(yīng)用的形式，對數(shù)字圖像處理技術(shù)理論框架進行了核心提煉。

此外，在為學(xué)生構(gòu)建基本數(shù)字圖像處理技術(shù)體系的前提下，有必要根據(jù)工程實踐中的相關(guān)性對具體教學(xué)內(nèi)容進行高度整合，并結(jié)合案例式的教學(xué)模式，實現(xiàn)向“授人以漁”教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。通過教授系統(tǒng)性工程實踐問題的解析方法，解決方案的架構(gòu)手段，使學(xué)生具備舉一反三、由點及面的問題解決能力。以自動化專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后所投身的主要行業(yè)及領(lǐng)域為例，主要有智能儀器儀表、監(jiān)測檢測技術(shù)、機器人、智能信息處理、智能控制以及與數(shù)字圖像處理密切相關(guān)的模式識別等幾大類。上述領(lǐng)域?qū)?shù)字圖像處理技術(shù)的需求均可由典型案例進行覆蓋，并能夠引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建完整的系統(tǒng)工程解決方案。例如，表1 中課程目標2所對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，在智能儀器儀表及監(jiān)測檢測技術(shù)領(lǐng)域，可設(shè)置工業(yè)場景中的自動化儀表數(shù)值讀取案例。在該案例中，設(shè)定儀表成像質(zhì)量較差，需進行圖像增強，以提高有效信息的辨識度，并融合形態(tài)學(xué)圖像處理與分割技術(shù)，實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)讀取。又如水下機器人領(lǐng)域，可設(shè)置復(fù)雜水下環(huán)境的視覺增強及信號傳輸案例，利用圖像增強算法提高水下圖像成像質(zhì)量，結(jié)合水下信號傳輸困難的現(xiàn)狀，引入圖像壓縮技術(shù)及用于視覺信號分辨率恢復(fù)的圖像超分辨技術(shù)。又例如在機器人控制領(lǐng)域，可設(shè)置機器人視覺模塊的目標檢測與目標深度估計任務(wù)，實現(xiàn)初步的場景與語義感知功能。

Table 1 The relationship between course objectives，teaching con?tents and graduation requirements表1 課程目標、教學(xué)內(nèi)容與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系

針對上述以專業(yè)需求為導(dǎo)向的典型課程案例，以課內(nèi)與課外相結(jié)合的工程實踐形式引導(dǎo)學(xué)生進行編程實現(xiàn)，培養(yǎng)其動手實踐能力并加深對代表性算法理論知識的理解。

3.3 前沿科技創(chuàng)新驅(qū)動的課程內(nèi)容持續(xù)更新

現(xiàn)階段，數(shù)字圖像處理是一個發(fā)展非?；钴S的研究領(lǐng)域，每年都有眾多新理論與新方法被提出。數(shù)字圖像處理課程面向應(yīng)用與實踐，吸納新成果、新技術(shù)，跟上前沿科技創(chuàng)新的步伐既是進行課程內(nèi)容建設(shè)的必然要求，也是培養(yǎng)行業(yè)需求人才的需要。

因此，基于前沿科技創(chuàng)新驅(qū)動的課程內(nèi)容持續(xù)更新至關(guān)重要。在具體實施過程中，應(yīng)建立動態(tài)更新機制，在每年度制定課程教學(xué)大綱時，應(yīng)系統(tǒng)回顧近年來該領(lǐng)域內(nèi)的重要研究成果，作為待更新的候選內(nèi)容。進而通過評價該成果影響力、課程相關(guān)度、成果類型（理論創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新），衡量其對于該專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標的支撐度，最終決定是否引入課程。在表2 中，本文整理了近年來數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的代表性技術(shù)革新成果，在進行課程內(nèi)容持續(xù)更新過程中，可預(yù)先開展卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、對抗生成網(wǎng)絡(luò)等公共前沿基礎(chǔ)知識教學(xué)，然后引入前沿技術(shù)拓展，以開闊學(xué)生視野。在部分系統(tǒng)實踐案例中，也可結(jié)合下列一到兩組最新技術(shù)進行綜合開發(fā)實訓(xùn)。

Table 2 Representative research results in the field of digital image processing in recent years表2 近年來數(shù)字圖像處理領(lǐng)域代表性研究成果

此外，在數(shù)字圖像處理課程核心理論內(nèi)容框架的基礎(chǔ)上，可嘗試以目前備受關(guān)注的研究問題為例，介紹科研發(fā)展進程，使學(xué)生了解新技術(shù)與新理論產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)其科學(xué)思維與精神。此外，對于課程內(nèi)未涉及的數(shù)字圖像處理技術(shù)，可采用課外開放課題或進行領(lǐng)域綜述的形式，引導(dǎo)學(xué)生掌握科技檢索能力，具備通過自行調(diào)研方式掌握最新技術(shù)的能力，從而實現(xiàn)由“授人以魚”向“授人以漁”教學(xué)模式的過渡與轉(zhuǎn)變。

3.4 教學(xué)質(zhì)量評價與持續(xù)改進

“建立教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控機制”是工程教育認證的主要要求之一，對具體課程而言，該要求的核心是面向產(chǎn)出的課程質(zhì)量評價。為了保證本課程的教學(xué)成效能夠支撐畢業(yè)要求與培養(yǎng)目標，最終培養(yǎng)出行業(yè)需要的自動化專業(yè)人才，應(yīng)建立全環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量評價體系，并根據(jù)評價結(jié)果對課程教學(xué)進行持續(xù)改進，不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量。

課程評價應(yīng)采用教學(xué)、行業(yè)專家評價與學(xué)生表現(xiàn)評價相結(jié)合的方式。教學(xué)專家評價方式旨在對授課方式和課堂教學(xué)效果進行專業(yè)化評價，從教學(xué)能力、教學(xué)技巧方面給出課程質(zhì)量評價，提高教師教學(xué)水平認可度。行業(yè)專家評價旨在對課程內(nèi)容設(shè)置、技能需求覆蓋程度等方面進行評價，衡量課程能否滿足現(xiàn)階段行業(yè)人才培養(yǎng)需求，這一評價采用專家座談等形式定期開展。根據(jù)數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容改革規(guī)劃，課程教學(xué)主要涵蓋數(shù)字圖像處理理論體系構(gòu)建、系統(tǒng)工程案例介紹、案例工程實訓(xùn)、理論課程考核等教學(xué)環(huán)節(jié)。其中，理論課程考核與案例工程實訓(xùn)可較為全面地反映學(xué)生對于課程理論的掌握情況及動手實踐能力，將作為學(xué)生表現(xiàn)評價的主要依據(jù)。

通過上述多種方式相結(jié)合的教學(xué)質(zhì)量評價，可動態(tài)地了解課程講授模式的有效程度、課程內(nèi)容設(shè)置的合理程度以及學(xué)生對于講授內(nèi)容的接受程度，這也為教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進提供了依據(jù)。對上述3 個方面的針對性改進，也勢必有效彌補課程教學(xué)短板，形成評價、改進、提高的課程優(yōu)化閉環(huán)。

3.5 改革成效

通過課程教學(xué)改革，有效地激發(fā)了學(xué)生對于數(shù)字圖像處理技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)該課程的四年級本科生中，約有25%的學(xué)生選擇數(shù)字圖像處理及相關(guān)應(yīng)用作為本科畢業(yè)設(shè)計選題方向，且選題內(nèi)容在本課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置中均有涉及。在選擇繼續(xù)深造的本科畢業(yè)生中，約有20%學(xué)生的未來研究方向與計算機視覺、數(shù)字圖像處理相關(guān)。此外，對于低年級選修該課程的學(xué)生，通過參與智能車競賽、海洋航行器設(shè)計大賽等途徑，將課程涉及的諸多數(shù)字圖像處理技術(shù)進行了實踐與應(yīng)用，例如水下圖像增強、圖像校正、循跡、目標識別等。經(jīng)與海信等本地知名企業(yè)的相關(guān)技術(shù)團隊交流，其普遍反映上述改革后的課程設(shè)置內(nèi)容與用人單位需求更為契合，實現(xiàn)了人才培養(yǎng)與人才就業(yè)的有序?qū)印?/p>

4 結(jié)語

課程建設(shè)作為專業(yè)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，適配新形勢下的工程教育模式至關(guān)重要。數(shù)字圖像處理課程是自動化專業(yè)的專業(yè)選修課，但其講授內(nèi)容在行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用和技術(shù)需求。課程現(xiàn)狀與現(xiàn)階段人才培養(yǎng)需求的主要矛盾在于缺乏以專業(yè)需求為導(dǎo)向的課程理論架構(gòu)以及系統(tǒng)性的工程實踐環(huán)節(jié)。為此，充分調(diào)研自動化行業(yè)應(yīng)用需求，針對性地對課程架構(gòu)進行精簡，同時形成典型的系統(tǒng)級工程實踐案例以串聯(lián)理論知識體系并培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，是進行數(shù)字圖像處理課程改革的必然要求。發(fā)揮數(shù)字圖像處理技術(shù)更新快的優(yōu)勢，形成對課程內(nèi)容的持續(xù)更新，保證課程內(nèi)容緊貼行業(yè)需求。在教學(xué)質(zhì)量保障環(huán)節(jié)，通過教學(xué)專家評價、行業(yè)專家評價以及學(xué)生表現(xiàn)評價，形成對課程的全方位評價，并對薄弱環(huán)節(jié)進行持續(xù)改進，有力保障行業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。