摘"要：隨著新工科建設(shè)的不斷推進(jìn)，高校對(duì)人才的培養(yǎng)要更加符合新技術(shù)、新模式、新產(chǎn)業(yè)的新時(shí)代要求，把學(xué)生培養(yǎng)成基礎(chǔ)理論扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的科技創(chuàng)新人才?！皵?shù)字圖像處理”作為一門重要的工科類專業(yè)課程，為了滿足新工科背景下課程建設(shè)的新要求，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)新目標(biāo)，本文從課程的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，注重發(fā)揮課程特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提出課程教學(xué)改革方案，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)、考核方式等方面進(jìn)行改革探索，旨在讓課程教學(xué)緊跟前沿技術(shù)發(fā)展，拓寬學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為工科類專業(yè)課程建設(shè)提供新策略和新思路。

關(guān)鍵詞：新工科；數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革

一、概述

在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，我國(guó)許多新興產(chǎn)業(yè)都亟須具備實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的新工科人才。高校作為人才培養(yǎng)的重要基地，也因此面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。自從2017年教育部召開新工科建設(shè)研討會(huì)以來［12］，各大高校紛紛啟動(dòng)了新工科建設(shè)，將課程理論內(nèi)容與科技前沿相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和科技創(chuàng)新能力。“數(shù)字圖像處理”作為工科類一門重要的專業(yè)課程，其教學(xué)內(nèi)容包括圖像數(shù)字化、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮、圖像分割、彩色圖像處理等，數(shù)字圖像處理技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于人工智能、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國(guó)防工業(yè)、游戲娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。此外，由于“數(shù)字圖像處理”是一門涉及信息處理、計(jì)算機(jī)視覺等多學(xué)科的工科類專業(yè)課程，具有綜合性、交叉性、理論和實(shí)踐相結(jié)合等特點(diǎn)，當(dāng)前，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的飛速發(fā)展，在新工科背景下，如何在課程教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中把理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和前沿技術(shù)統(tǒng)一規(guī)劃，在保證理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的實(shí)踐技能、跨學(xué)科融合能力以及科研創(chuàng)新能力，是實(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要問題。

二、數(shù)字圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀

“數(shù)字圖像處理”的課程特點(diǎn)是理論性與實(shí)踐性并重，涉及多個(gè)交叉學(xué)科，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。然而，目前的教學(xué)方式大多沒有充分發(fā)揮課程的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，無法適應(yīng)當(dāng)前的新工科建設(shè)需求，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）課堂教學(xué)以教師為中心的灌輸式教學(xué)為主［3］，學(xué)生被動(dòng)接受，這種模式很難讓所有學(xué)生全程保持高度專注。究其原因是由于本課程知識(shí)點(diǎn)較多且理論性強(qiáng)，算法描述和數(shù)學(xué)推導(dǎo)占比較大，并且本課程對(duì)多門先修課程要求較高，導(dǎo)致課堂互動(dòng)難度較大［4］，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性的方法有限，難以適應(yīng)新工科對(duì)培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新型人才的要求。

（2）本課程教學(xué)方式除了課堂教學(xué)，還有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要完成經(jīng)典圖像處理算法，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)現(xiàn)算法，實(shí)踐深度欠缺，缺乏培養(yǎng)面對(duì)實(shí)際復(fù)雜場(chǎng)景和工程應(yīng)用時(shí)分析問題、解決問題的能力這一新工科要求。

（3）新工科強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科［5］，“數(shù)字圖像處理”課程的跨學(xué)科教學(xué)目前主要體現(xiàn)在與計(jì)算機(jī)、電子信息學(xué)科知識(shí)的交叉方面，對(duì)于如生物醫(yī)學(xué)圖像分析、遙感圖像處理等多領(lǐng)域未充分進(jìn)行融合，未展現(xiàn)本課程在多學(xué)科的應(yīng)用潛力，亦沒有充分拓寬學(xué)生的視野。

（4）數(shù)字圖像處理科研領(lǐng)域近年依托深度學(xué)習(xí)、人工智能的飛速發(fā)展，新理論、新方法不斷涌現(xiàn)，但目前課程教學(xué)方面更新較慢，教學(xué)內(nèi)容較為固化陳舊，沒有及時(shí)在教學(xué)各環(huán)節(jié)中與前沿知識(shí)相結(jié)合，學(xué)生所學(xué)知識(shí)與行業(yè)前沿脫節(jié)。

（5）考核形式較為單一，過程考核占比較弱。課程一般以期末考試成績(jī)?yōu)橹鳎己酥攸c(diǎn)放在理論知識(shí)上，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合素養(yǎng)考查不足，不利于學(xué)生真正掌握和靈活運(yùn)用知識(shí)；對(duì)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)過程，如課堂表現(xiàn)、小組討論、實(shí)踐項(xiàng)目完成情況等方面的重視程度不夠，缺乏有效的過程性考核機(jī)制，不能全面、動(dòng)態(tài)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，沒有及時(shí)督促學(xué)生在整個(gè)學(xué)期中進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)。

三、課程教學(xué)改革探索

新工科背景下，針對(duì)前述“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中存在的諸多問題，迫切需要對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)形式及內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)改革，本文以培養(yǎng)能夠綜合應(yīng)用圖像處理技術(shù)解決復(fù)雜工程問題，具備數(shù)字圖像處理算法創(chuàng)新能力，具有與時(shí)俱進(jìn)、勇于開拓精神的新型人才為教學(xué)目標(biāo)，從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣出發(fā)，對(duì)課程內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)、學(xué)科交叉融合，前沿技術(shù)融入和考核方式等方面進(jìn)行改革，旨在探索出一條能夠適應(yīng)新工科建設(shè)的育人新途徑。

（一）以學(xué)生為主體進(jìn)行課程理論知識(shí)內(nèi)容改革

教師不應(yīng)僅是知識(shí)的傳授者，更應(yīng)是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。要以學(xué)生為主體，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維。目前，“數(shù)字圖像處理”課程內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)理論和經(jīng)典圖像處理算法，缺乏能夠激發(fā)學(xué)生興趣的實(shí)際工程應(yīng)用和前沿技術(shù)知識(shí)。為此，本文提出課堂教學(xué)在確?；靖拍睢⒃砑胺椒ㄖv授充分和清晰的基礎(chǔ)上，應(yīng)強(qiáng)調(diào)這些內(nèi)容的應(yīng)用場(chǎng)景和效果；收集工程應(yīng)用案例，通過案例講解，讓學(xué)生了解數(shù)字圖像處理技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生分析案例中所采用的技術(shù)和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。同時(shí)，課程內(nèi)容應(yīng)緊跟時(shí)代發(fā)展，將深度學(xué)習(xí)、人工智能等在圖像處理中新的算法和應(yīng)用及時(shí)納入教材，以上課程內(nèi)容改革有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生愿意加入課堂討論互動(dòng)，并有助于開展小組討論和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)。例如，在講解圖像復(fù)原時(shí)，可以先展示實(shí)際拍照時(shí)由于人物運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的照片模糊，引導(dǎo)學(xué)生思考如何解決，進(jìn)行課堂問答互動(dòng)，再逐步引入相關(guān)算法，而非直接講解算法原理。再例如，在學(xué)習(xí)圖像濾波時(shí)，讓學(xué)生分組討論不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，并派代表進(jìn)行總結(jié)陳述，教師可在小組討論過程中進(jìn)行指導(dǎo)，最后對(duì)小組結(jié)論進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和補(bǔ)充。對(duì)課程理論知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行改革，讓課程緊跟數(shù)字圖像處理先進(jìn)技術(shù)發(fā)展，并讓學(xué)生積極主動(dòng)參與課堂學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。具體實(shí)施時(shí)可通過修訂教材和更新課件，并可通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加入實(shí)際場(chǎng)景和案例圖像，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)深化課程實(shí)踐學(xué)習(xí)

由于課程實(shí)踐環(huán)節(jié)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。所以，本文提出在保持經(jīng)典算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)課程實(shí)踐，設(shè)計(jì)貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，從項(xiàng)目需求分析、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)到最終的成果展示，全程由學(xué)生獨(dú)立自主或小組協(xié)作完成，教師在項(xiàng)目完成過程中提供必要的指導(dǎo)和幫助。以下三個(gè)綜合性實(shí)踐項(xiàng)目涵蓋數(shù)字圖像處理眾多原理和算法，需要學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中將分散的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，在實(shí)際操作中理解不同原理和算法間的關(guān)聯(lián)及應(yīng)用場(chǎng)景，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力。

（1）運(yùn)用圖像處理算法完成自動(dòng)生產(chǎn)線上產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樽寣W(xué)生針對(duì)不同類型產(chǎn)品的表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，通過方案設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)出零件表面的不同缺陷特征（劃痕、裂紋、孔洞等）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括從圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取到目標(biāo)檢測(cè)整個(gè)過程，全面鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

（2）基于數(shù)字圖像處理的車牌識(shí)別系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樽寣W(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的車牌識(shí)別系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括對(duì)車牌圖像進(jìn)行預(yù)處理、提取和校正車牌區(qū)域、字符分割、運(yùn)用傳統(tǒng)方法或深度學(xué)習(xí)OCR技術(shù)進(jìn)行字符識(shí)別，并將各個(gè)模塊進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)從輸入圖像到輸出車牌字符的完整系統(tǒng)，理解實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字圖像處理技術(shù)的流程。

（3）人臉檢測(cè)與識(shí)別綜合實(shí)踐項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樽寣W(xué)生全面掌握人臉檢測(cè)與識(shí)別的完整流程和關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括圖像預(yù)處理、特征提取、分類識(shí)別等環(huán)節(jié)。除傳統(tǒng)算法，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人臉識(shí)別，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

綜合性實(shí)踐項(xiàng)目與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，無論是現(xiàn)代化工廠中的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、交通運(yùn)輸中的車牌識(shí)別還是安防監(jiān)控中的人臉識(shí)別，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)都能深入了解數(shù)字圖像處理技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界的廣泛應(yīng)用，了解行業(yè)需求，為未來進(jìn)入相關(guān)領(lǐng)域工作做好準(zhǔn)備。此外，綜合性實(shí)踐項(xiàng)目鼓勵(lì)學(xué)生探索前沿技術(shù)，啟發(fā)創(chuàng)造性思維，這使學(xué)生緊跟當(dāng)今科技發(fā)展趨勢(shì)，拓寬技術(shù)視野。

（三）多途徑實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合

數(shù)字圖像處理是一門具有綜合性與交叉性的學(xué)科，它融合了多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)與技術(shù)，在廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用。所以，在教學(xué)過程中適當(dāng)融入其他學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容，可以凸顯本門課程在多學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用，拓展學(xué)生的視野。目前，跨學(xué)科在課程教學(xué)中主要體現(xiàn)為與電子信息、計(jì)算機(jī)類的交叉內(nèi)容，為此本文提出通過多途徑展現(xiàn)課程在其他交叉學(xué)科的應(yīng)用。首先，在前述課程理論知識(shí)內(nèi)容改革中的工程應(yīng)用案例中增加如生物醫(yī)學(xué)圖像、遙感圖像處理等多學(xué)科相關(guān)案例。例如，圖3為肺部X光圖像病灶檢測(cè)實(shí)例，通過講解利用圖像處理算法對(duì)該醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣提取、圖像分割和病灶檢測(cè)，讓學(xué)生了解課程知識(shí)在交叉學(xué)科的具體應(yīng)用。其次，在以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)深化課程實(shí)踐學(xué)習(xí)中增加如地質(zhì)礦物、多光譜圖像處理等綜合實(shí)踐項(xiàng)目。例如，設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐項(xiàng)目多光譜圖像融合，項(xiàng)目要求完成可見光圖像和紅外圖像的融合以獲得更加完整詳細(xì)的圖像信息，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括圖像配準(zhǔn)、特征提取、基于小波變換或深度學(xué)習(xí)的圖像融合算法等，將圖像處理原理和方法應(yīng)用在交叉學(xué)科的具體項(xiàng)目中，不但能深入鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)多學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用更有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

四、課程考核優(yōu)化

改革課程以理論知識(shí)考試為主的考核方式，實(shí)行多元化考核，對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握程度、實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、表達(dá)溝通能力等進(jìn)行綜合考量。

（一）增加平時(shí)考核和實(shí)踐考核占比

平時(shí)考核涵蓋多個(gè)方面，包括課堂表現(xiàn)（出勤情況、課堂互動(dòng)）、作業(yè)完成情況（作業(yè)的準(zhǔn)確性和創(chuàng)新性）和小組討論（團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力）。實(shí)踐考核包括課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)踐項(xiàng)目（過程的合理性、結(jié)果準(zhǔn)確性、算法的創(chuàng)新性、解決實(shí)際問題的能力）。增加平時(shí)考核和實(shí)踐考核在總體成績(jī)中的占比，達(dá)到40%～50%，以激勵(lì)學(xué)生在平時(shí)上課和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中保持積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

（二）豐富考核形式

對(duì)于日常教學(xué)可以設(shè)置多個(gè)階段性考核節(jié)點(diǎn)，例如，在一個(gè)章節(jié)完結(jié)或一個(gè)固定時(shí)間段后進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試或評(píng)價(jià)，這些考核結(jié)果可以作為平時(shí)考核的一部分。根據(jù)這些階段性考核結(jié)果，教師可以及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和教學(xué)進(jìn)度，對(duì)學(xué)生普遍存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)化教學(xué)，學(xué)生也能根據(jù)反饋及時(shí)查漏補(bǔ)缺，保證整個(gè)學(xué)習(xí)過程的連貫性和有效性。

對(duì)于綜合實(shí)踐項(xiàng)目，組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目答辯。學(xué)生匯報(bào)內(nèi)容包括需求分析、設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)過程、遇到的問題及解決方法，以及最終的實(shí)驗(yàn)成果等，教師和其他同學(xué)可進(jìn)行提問，根據(jù)匯報(bào)的內(nèi)容及答辯表現(xiàn)評(píng)定成績(jī)，考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的整體掌握和運(yùn)用能力，同時(shí)鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和應(yīng)變能力。

結(jié)語(yǔ)

新工科建設(shè)賦予了“數(shù)字圖像處理”課程改革新的使命與挑戰(zhàn)。本文通過對(duì)課程教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)目標(biāo)的詳細(xì)論述，提出教學(xué)改革方案，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐教學(xué)方法以及考核評(píng)價(jià)等多方面改革進(jìn)行了探索，旨在不斷優(yōu)化課程內(nèi)容與教學(xué)方法，讓教學(xué)緊跟前沿技術(shù)發(fā)展，加強(qiáng)跨學(xué)科融合以及實(shí)踐教學(xué)的深度與廣度，以更好地提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極主動(dòng)性和創(chuàng)新思維，拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的綜合型人才。

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作者簡(jiǎn)介：張坤華（1973—"），女，漢族，四川德陽(yáng)人，博士研究生，副教授，研究方向：智能信息處理、數(shù)字圖像處理。