鐘必能 張洪博

（華僑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 福建廈門 361021）

數(shù)字圖像處理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、電子信息科學(xué)與技術(shù)等工科專業(yè)本科生，軟件工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等專業(yè)研究生必修的一類專業(yè)基礎(chǔ)課程。數(shù)字圖像處理課程具有如下特點(diǎn)：（1）學(xué)科交叉性強(qiáng)，涉及數(shù)學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)；（2）復(fù)雜的綜合性：是一個(gè)高度綜合的技術(shù)學(xué)科，概念和知識(shí)點(diǎn)涉及面廣，如空間域，頻率域，多分辨多尺度分析等，比較抽象和難以理解；（3）工程和項(xiàng)目實(shí)踐能力要求高。然而根據(jù)作者在華僑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講授數(shù)字圖像處理課程的十年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以及與國(guó)內(nèi)外圖像處理同行專家的討論交流（包括中科院計(jì)算所、自動(dòng)化所、哈工大、廈門大學(xué)等單位），發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課堂的教學(xué)方式，偏重于理論知識(shí)的傳授，關(guān)注記憶和理解等較低層級(jí)的學(xué)習(xí)能力。理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)，難以在學(xué)習(xí)過程中調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、參與性和協(xié)作性，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果。針對(duì)數(shù)字圖像處理課程實(shí)踐性強(qiáng)、理論知識(shí)點(diǎn)相對(duì)集中的課程特點(diǎn)，雖然有一部分學(xué)者提出將項(xiàng)目式教學(xué)法引入數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)過程中，將教學(xué)內(nèi)容以項(xiàng)目為主導(dǎo)，進(jìn)行重新整合，把知識(shí)點(diǎn)融入到各個(gè)教學(xué)項(xiàng)目中，學(xué)生通過完成項(xiàng)目任務(wù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)大量新知識(shí)的整理，使知識(shí)的理解和記憶變得更容易，保持的時(shí)間更長(zhǎng)，從而提高教學(xué)效率，使得理論教學(xué)和實(shí)踐鍛煉融為一體，并相互促進(jìn)。但是，基于項(xiàng)目式教學(xué)的數(shù)字圖像處理課程在實(shí)踐中也遇到了一些難題。首先，教學(xué)內(nèi)容多，課堂時(shí)間嚴(yán)重不足。項(xiàng)目式教學(xué)在課堂上，除了講解項(xiàng)目所需的理論知識(shí)以外，還需要教師進(jìn)行項(xiàng)目講解和示范。項(xiàng)目結(jié)束后，還需對(duì)項(xiàng)目成果進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)。這就使原本僅用于講解理論知識(shí)的課堂學(xué)時(shí)捉襟見肘。其次，學(xué)生由于初始知識(shí)積累以及學(xué)習(xí)能力的不同，導(dǎo)致理論知識(shí)的學(xué)習(xí)進(jìn)度有所差異，傳統(tǒng)課堂整齊劃一的學(xué)習(xí)進(jìn)度并不能適用于所有的學(xué)生。學(xué)習(xí)進(jìn)度快的學(xué)生，無法提前進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)踐，大量時(shí)間用于重復(fù)學(xué)習(xí)，等待進(jìn)度；而學(xué)習(xí)進(jìn)度慢的學(xué)生，則在尚未完成理論知識(shí)學(xué)習(xí)的情況下，就倉促地進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致項(xiàng)目實(shí)踐困難重重。再則，學(xué)生分組完成項(xiàng)目，各組的項(xiàng)目完成情況及遇到的問題也不盡相同，傳統(tǒng)課堂統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容不適用于這種多分組的教學(xué)。無法為每個(gè)分組個(gè)性化解決其項(xiàng)目中遇到的問題。

與此同時(shí)，近年來我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等一系列政策，對(duì)計(jì)算機(jī)大類人才培養(yǎng)提出了一些新的指導(dǎo)和要求。2017 年以來教育部力推“新工科”建設(shè)，特別強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)類專業(yè)的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。在此背景和趨勢(shì)下，如何培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的綜合能力并形成規(guī)范模式，已成為計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的核心任務(wù)。

由于在數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)方面還有上述亟待解決的問題；同時(shí)近年來隨著教學(xué)研究的不斷深入，陸續(xù)出現(xiàn)一些項(xiàng)目式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式改革，使得教學(xué)研究者們對(duì)如何有效教學(xué)這個(gè)經(jīng)典而重要的課題有了新的認(rèn)識(shí)。以及不斷發(fā)展的人工智能、“新工科”建設(shè)規(guī)劃，教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證[1，2]等新需求。為這些教學(xué)問題的解決帶來了新的希望，故而在人工智能時(shí)代，對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)作進(jìn)一步的改革與探索，具有極其重要的研究和教學(xué)價(jià)值。本文以華僑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革為對(duì)象，參照教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證的指導(dǎo)規(guī)范[1-2]，總結(jié)融合“雙創(chuàng)”教育的新工科教學(xué)理論與方法[3-5]；探討建立完善的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)大綱、培養(yǎng)目標(biāo)，及其相應(yīng)的評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。

一、教學(xué)改革方案

本文的基本研究思路框架圖如圖1所示：首先研究當(dāng)前國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的典型教學(xué)模式和成功案例，為本課題所研究的基于項(xiàng)目式教學(xué)的混合翻轉(zhuǎn)課堂的模式構(gòu)建提供借鑒。同時(shí)構(gòu)建基于項(xiàng)目式教學(xué)的混合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并將其應(yīng)用到數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)實(shí)踐中。

圖1 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究思路框架圖

（1）在融合數(shù)字圖像處理和人工智能教育方面。人工智能正在像當(dāng)年的外語、計(jì)算機(jī)一樣，成為人們趨之若鶩的技能之一。在人工智能時(shí)代，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理課程與現(xiàn)代人工智能方法及工具的結(jié)合，在MATLAB、OpenCV、TensorFlow、Pytorch等教學(xué)軟件和開源平臺(tái)上利用人工智能和具體的數(shù)字圖像處理算法結(jié)合（如圖2所示），解決數(shù)字圖像處理課程理論知識(shí)概念抽象、空間域、頻率域、基于傅里葉變換和小波變換的數(shù)字圖像處理難以理解等教學(xué)難題，選擇典型數(shù)字圖像處理問題，結(jié)合人工智能案例作為范例進(jìn)行編程計(jì)算和可視化圖形演示，制作生動(dòng)精美的圖形圖片和動(dòng)畫文件，為課程課件和課堂教學(xué)提供豐富的教學(xué)資源，并通過具體的基于人工智能的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理問題的直觀形象化理解，提高學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，有利于豐富教學(xué)資源，全面提高教學(xué)效果。

圖2 人工智能和數(shù)字圖像處理算法結(jié)合教學(xué)框架圖

（2）在踐行“雙創(chuàng)”教育方面。開展以“數(shù)字圖像處理”為載體，結(jié)合人工智能案例，踐行“雙創(chuàng)”和新工科教學(xué)過程。具體包括以下幾個(gè)方面：首先引導(dǎo)學(xué)生從用戶角度認(rèn)識(shí)數(shù)字圖像處理，及其相關(guān)的人工智能產(chǎn)品，了解市場(chǎng)成熟技術(shù)以及最新進(jìn)展，通過產(chǎn)品體驗(yàn)、參觀圖像處理和人工智能企業(yè)、資料調(diào)研等方式對(duì)圖像處理和人工智能產(chǎn)品有主觀認(rèn)識(shí)。此外，通過慕課、微課等新媒體技術(shù)豐富教學(xué)過程，通過講授圖像處理和人工智能理論以及評(píng)價(jià)系統(tǒng)，讓學(xué)生具有執(zhí)行圖像處理和人工智能工程實(shí)踐所需技術(shù)，以及發(fā)掘、分析、應(yīng)用現(xiàn)有研究成果，以及評(píng)價(jià)產(chǎn)品的能力。通過實(shí)際產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)、資料的閱讀培養(yǎng)學(xué)生具備寬廣的市場(chǎng)視野，了解圖像處理和人工智能產(chǎn)品對(duì)環(huán)境、社會(huì)的影響，能夠?qū)D像處理和人工智能產(chǎn)品做較為深入的評(píng)價(jià)。該模塊主要研究產(chǎn)業(yè)需求、理論知識(shí)對(duì)教學(xué)過程的引導(dǎo)作用，通過產(chǎn)品體驗(yàn)，創(chuàng)業(yè)案例，引起學(xué)生參與興趣。

（3）在融合理論和實(shí)踐教學(xué)方面。由于數(shù)字圖像處理課程學(xué)科交叉性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、工程和項(xiàng)目實(shí)踐能力要求高，其實(shí)踐部分的教學(xué)內(nèi)容，以項(xiàng)目為主導(dǎo)，有利于促進(jìn)學(xué)生目標(biāo)明確地進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，加快知識(shí)內(nèi)化過程，并將理論知識(shí)靈活地運(yùn)用于實(shí)踐中，完成學(xué)以致用的完整過程。以數(shù)字圖形化處理課程中直方圖均衡化算法、基于傅里葉變換頻域處理算法、基于小波變換的圖像多分辨分析算法等為例，這些實(shí)驗(yàn)中包含了數(shù)據(jù)預(yù)處理、算法分析和設(shè)計(jì)、應(yīng)用等工程實(shí)踐環(huán)節(jié)。這部分教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)目標(biāo)，除了掌握基本的理論知識(shí)以外，更重要的是將學(xué)到的理論知識(shí)，靈活有效地應(yīng)用到工程實(shí)踐環(huán)節(jié)中。在教學(xué)過程中堅(jiān)持以項(xiàng)目目標(biāo)為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容與市場(chǎng)需求結(jié)合，力求培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能、創(chuàng)新人格的四維創(chuàng)新人才。將項(xiàng)目式教學(xué)和與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合(如圖3所示)。一切學(xué)習(xí)活動(dòng)從項(xiàng)目實(shí)踐開始，教師按照項(xiàng)目需要重新組織知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的作用，以及它們之間的相互聯(lián)系都非常清楚。以項(xiàng)目實(shí)踐需要，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，極大地提高學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)力。這種教學(xué)方式，很好地貫徹了“學(xué)”是為了“用”的教學(xué)理念。將“學(xué)”與“用”的過程統(tǒng)一起來，從而實(shí)現(xiàn)完整的教學(xué)目標(biāo)，即學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并將其靈活有效地應(yīng)用于實(shí)踐中。教師對(duì)項(xiàng)目完成情況加以點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)，并允許學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，從而在實(shí)踐中不斷糾正學(xué)習(xí)缺陷，磨煉學(xué)生的實(shí)踐能力?？焖偬岣邔W(xué)習(xí)能力，加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

圖3 理論課堂子項(xiàng)目分組討論

（4）在培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制方面。給出人工智能時(shí)代，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與數(shù)字圖像處理課程融合后的，數(shù)字圖像處理課程新的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方式以及評(píng)價(jià)體系等相關(guān)報(bào)告(如圖4所示)。設(shè)計(jì)符合教育部和IEET工程認(rèn)證規(guī)范的，與圖像處理相關(guān)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的培養(yǎng)方案持續(xù)改進(jìn)新機(jī)制。在培養(yǎng)目標(biāo)中專門提出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特色，畢業(yè)要求中也具體對(duì)應(yīng)指標(biāo)點(diǎn)。并充分結(jié)合畢業(yè)生就業(yè)去向分布特點(diǎn)的達(dá)成評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)體系。

圖4 IEET工程認(rèn)證規(guī)范《數(shù)字圖像處理》課程分析及評(píng)估圖

二、結(jié)束語

數(shù)字圖像處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，也是人工智能領(lǐng)域機(jī)器學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)視覺等課程的先修課程。本文以華僑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中面臨的問題為出發(fā)點(diǎn)，提出了幾點(diǎn)教學(xué)改革方案，以期在人工智能時(shí)代，提升該課程的教學(xué)質(zhì)量。