面向工程教育認證的數字圖像處理課程改革
——以自動化專業為例

李坤乾，周麗芹

（中國海洋大學工程學院，山東青島 266100）

0 引言

中共十九大報告指出要“推動新型工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國經濟實力和綜合國力”，為我國工業發展和建設指明了方向。工程教育質量是評價和衡量工程教育能否適應國家戰略需求的重要指標。在這一背景下，工程教育認證作為構建工程教育質量監控體系，推進工程教育改革，提升我國工程技術人才國際競爭力的重要手段，正發揮著重要作用。自動化專業作為典型的工科專業，以工程教育專業認證為要求進行專業建設、課程規劃是提升本專業工程教育質量的必由之路。

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

（1）理論知識要求高。數字圖像處理是一門多學科交叉課程，理論內容涵蓋數學、物理、電子、信息等多個學科，預備知識既包含線性代數、概率統計、隨機過程等數理基礎內容，又涵蓋信號與系統、數字信號處理、神經網絡等專業知識，理論知識的深度與廣度要求可見一斑。

（2）課程應用范圍廣。數字圖像處理是一門應用十分廣泛的課程，且具有明顯的專業、行業需求差異性。以中國海洋大學自動化及測控系開設的數字圖像處理課程為例，該課程為自動化專業選修課，共32 學時，課上時長相當有限。若采用廣泛涉獵形式的課程內容設置，一方面無法適應有限的課時要求，另一方面也不利于學生針對性地學習專業、行業相關技能。

（3）前沿技術更新快。2012 年以來，隨著以深度學習為代表的人工智能技術的快速發展，數字圖像處理相關技術也迎來了跨越式發展階段。數字圖像處理課程內容除預備與基礎內容外，其他內容已較難滿足用人方對畢業生的技能需求水平。

（4）動手實踐要求高。對于數字圖像處理課程，純理論講授式的教學設計形式難以滿足用人單位對于本專業畢業生應用實踐能力的要求。缺乏基于實踐訓練的理論強化，容易使本課程最終變為紙上談兵。因此，結合用人單位實際需求，設計面向真實應用場景的課程實踐案例，充分調動學生課外學時進行工程實踐應用，是講好理論課程的重要補充，也是以滿足行業、社會需求為目的人才培養必由之路。

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

1 相關研究

針對數字圖像處理課程教學改革問題，國內外學者、教育者進行了一系列探索。鄭靜等［1］和梁志貞等［2］分別就面向專業和面向行業的數字圖像處理課程設計與改革進行了研究。鄭靜等［1］提出，在教學中根據學生專業背景知識的差異性，采用與專業背景相融合的教學方法，摒棄單一化的教學內容和教學模式，因材施教，針對不同專業學生設計不同的理論和實驗內容，更能充分激發學生學習興趣，為未來學生的學習和工作提供幫助；梁志貞等［2］結合中國礦業大學的行業特點，論述了融入行業特色的數字圖像處理課程教學改革方案。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］分別就具體應用驅動的數字圖像處理課程教學模式及改革進行了論述。研究結果表明，通過增加工程應用的課程設計，增強了學生對已有開放資源的了解、使用，學生能夠更好地掌握開發工具和編程語言。然而，遺憾的是相關應用課題設置仍然不是以專業需求為導向，學生掌握的相關內容往往無法直接應用于未來就業與科研工作。

在教學內容設置的創新性方面，也有學者展開了相關研究。例如，劉君［5］結合目前人工智能技術熱點，更新與完善教學內容，以計算機視覺領域中經典任務為切入點，結合當前數字圖像處理領域人工智能技術最新熱點與應用案例，激發學生興趣。此外，張穎［6］強調在數字圖像處理課程內容設置上更加重視培養學生的創新意識與能力；張重等［7］強調前沿科技論文講解在數字圖像處理課程中應占有一定比例，從而引導學生涉獵最新研究進展；在教學模式方面，石蘊玉等［8］提出了以BOPPPS 模式推進數字圖像處理課程教學，強調教學反思和加強互動；陳穎頻等［9］在數字圖像處理課程中探索“層次化實驗教學”方法，分別從課程層進式教學改革、實驗層進式教學改革、反轉課堂3 個層面進行了闡述。此外，Li 等［10］、Zhang 等［11］均進一步強調了在教學中以“研究”促進“教學”這一模式的重要性。然而，上述研究僅提出“研究驅動教學”的方法，考慮到自動化專業的多方向性，“科技創新驅動”的改革任務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字圖像處理課程內容重構與改革，創新性地提出了一套教學目標、教學內容與畢業要求相配合的完整教學體系，并采用“創新驅動”方式，探索了前沿研究、工程案例及持續改進相結合的教學模式。

2 自動化行業數字圖像處理技能需求分析

以中國海洋大學自動化及測控系為例，經過30 余年的發展，其在自動化人才培養方面實現了以專業為本體、海洋為特色的培養模式。專業課程及研究方向涵蓋智能儀器儀表、監測檢測技術、機器視覺、機器人、智能信息處理與智能控制等領域，逐漸成為涉海學科的重要支撐學科。隨著消費級、工業級高性價比影像采集設備的普及，視覺感知作為一種直觀、便捷的信息采集手段，在伺服控制、環境感知、智能監測等領域受到愈來愈多的關注，逐漸成為自動化技術的重要支撐。數字圖像處理技術作為視覺感知的重要技術手段，是自動化行業的主要技術需求增長點之一。

美國工程教育學會提出工程教育必須改革以適應社會需求，重視工程實際以及工程知識的系統性。作為典型工科專業，自動化專業的課程體系及課程內容構建也應按照上述要求進行重構，以適應行業社會用人需求［12］。具體到數字圖像處理課程目標，行業需要相關從業人員具備面向視覺感知任務的工程性經驗，針對具體工程問題，具備借助數字圖像處理技術設計系統性解決方案的能力。因此，培養學生利用圖像處理技術分析系統工程問題的能力，使他們能夠對系統問題進行分解與提煉，進而具備用數字圖像處理技術構建系統性解決方案的能力，是該門課程在工程教育認證背景下的核心目標。

3 前沿技術創新驅動的課程教學改革與持續改進

3.1 面向人才培養目標的課程目標與教學內容設置

在工程教育認證框架下，院校應制定合理的、適應社會經濟發展需要的人才培養目標，并制定與之對應的畢業要求及指標點。相應地，課程目標的設定應體現對于畢業要求的貢獻，并貫徹到教學內容設置上。以中國海洋大學自動化專業為例，表1 展示了面向人才培養目標的課程目標、教學內容及其與畢業要求的對應關系，將課程目標對畢業要求的支撐、教學內容對課程目標的支撐進行了直觀闡述。

3.2 自動化專業背景下的教學內容重構與工程實訓

作為自動化專業選修課，在有限的課時內，采用平鋪式的寬范圍涉獵教學方式，很難高質量地開展數字圖像處理課程教學。因此，有必要對數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 所對應的教學環節、內容，以數學理論對照具體應用的形式，對數字圖像處理技術理論框架進行了核心提煉。

此外，在為學生構建基本數字圖像處理技術體系的前提下，有必要根據工程實踐中的相關性對具體教學內容進行高度整合，并結合案例式的教學模式，實現向“授人以漁”教學方式的轉變。通過教授系統性工程實踐問題的解析方法，解決方案的架構手段，使學生具備舉一反三、由點及面的問題解決能力。以自動化專業學生畢業后所投身的主要行業及領域為例，主要有智能儀器儀表、監測檢測技術、機器人、智能信息處理、智能控制以及與數字圖像處理密切相關的模式識別等幾大類。上述領域對數字圖像處理技術的需求均可由典型案例進行覆蓋，并能夠引導學生構建完整的系統工程解決方案。例如，表1 中課程目標2所對應的教學內容，在智能儀器儀表及監測檢測技術領域，可設置工業場景中的自動化儀表數值讀取案例。在該案例中，設定儀表成像質量較差，需進行圖像增強，以提高有效信息的辨識度，并融合形態學圖像處理與分割技術，實現儀表數據讀取。又如水下機器人領域，可設置復雜水下環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量，結合水下信號傳輸困難的現狀，引入圖像壓縮技術及用于視覺信號分辨率恢復的圖像超分辨技術。又例如在機器人控制領域，可設置機器人視覺模塊的目標檢測與目標深度估計任務，實現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、教學內容與畢業要求對應關系

針對上述以專業需求為導向的典型課程案例，以課內與課外相結合的工程實踐形式引導學生進行編程實現，培養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 前沿科技創新驅動的課程內容持續更新

現階段，數字圖像處理是一個發展非常活躍的研究領域，每年都有眾多新理論與新方法被提出。數字圖像處理課程面向應用與實踐，吸納新成果、新技術，跟上前沿科技創新的步伐既是進行課程內容建設的必然要求，也是培養行業需求人才的需要。

因此，基于前沿科技創新驅動的課程內容持續更新至關重要。在具體實施過程中，應建立動態更新機制，在每年度制定課程教學大綱時，應系統回顧近年來該領域內的重要研究成果，作為待更新的候選內容。進而通過評價該成果影響力、課程相關度、成果類型（理論創新、應用創新），衡量其對于該專業學生培養目標的支撐度，最終決定是否引入課程。在表2 中，本文整理了近年來數字圖像處理領域的代表性技術革新成果，在進行課程內容持續更新過程中，可預先開展卷積神經網絡、對抗生成網絡等公共前沿基礎知識教學，然后引入前沿技術拓展，以開闊學生視野。在部分系統實踐案例中，也可結合下列一到兩組最新技術進行綜合開發實訓。

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

此外，在數字圖像處理課程核心理論內容框架的基礎上，可嘗試以目前備受關注的研究問題為例，介紹科研發展進程，使學生了解新技術與新理論產生的原因，培養其科學思維與精神。此外，對于課程內未涉及的數字圖像處理技術，可采用課外開放課題或進行領域綜述的形式，引導學生掌握科技檢索能力，具備通過自行調研方式掌握最新技術的能力，從而實現由“授人以魚”向“授人以漁”教學模式的過渡與轉變。

3.4 教學質量評價與持續改進

“建立教學過程質量監控機制”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出的課程質量評價。為了保證本課程的教學成效能夠支撐畢業要求與培養目標，最終培養出行業需要的自動化專業人才，應建立全環節的教學質量評價體系，并根據評價結果對課程教學進行持續改進，不斷提高課程教學質量。

課程評價應采用教學、行業專家評價與學生表現評價相結合的方式。教學專家評價方式旨在對授課方式和課堂教學效果進行專業化評價，從教學能力、教學技巧方面給出課程質量評價，提高教師教學水平認可度。行業專家評價旨在對課程內容設置、技能需求覆蓋程度等方面進行評價，衡量課程能否滿足現階段行業人才培養需求，這一評價采用專家座談等形式定期開展。根據數字圖像處理課程內容改革規劃，課程教學主要涵蓋數字圖像處理理論體系構建、系統工程案例介紹、案例工程實訓、理論課程考核等教學環節。其中，理論課程考核與案例工程實訓可較為全面地反映學生對于課程理論的掌握情況及動手實踐能力，將作為學生表現評價的主要依據。

通過上述多種方式相結合的教學質量評價，可動態地了解課程講授模式的有效程度、課程內容設置的合理程度以及學生對于講授內容的接受程度，這也為教學質量的持續改進提供了依據。對上述3 個方面的針對性改進，也勢必有效彌補課程教學短板，形成評價、改進、提高的課程優化閉環。

3.5 改革成效

通過課程教學改革，有效地激發了學生對于數字圖像處理技術的學習興趣，學習該課程的四年級本科生中，約有25%的學生選擇數字圖像處理及相關應用作為本科畢業設計選題方向，且選題內容在本課程的教學內容設置中均有涉及。在選擇繼續深造的本科畢業生中，約有20%學生的未來研究方向與計算機視覺、數字圖像處理相關。此外，對于低年級選修該課程的學生，通過參與智能車競賽、海洋航行器設計大賽等途徑，將課程涉及的諸多數字圖像處理技術進行了實踐與應用，例如水下圖像增強、圖像校正、循跡、目標識別等。經與海信等本地知名企業的相關技術團隊交流，其普遍反映上述改革后的課程設置內容與用人單位需求更為契合，實現了人才培養與人才就業的有序對接。

4 結語

課程建設作為專業建設的重要環節，適配新形勢下的工程教育模式至關重要。數字圖像處理課程是自動化專業的專業選修課，但其講授內容在行業中有著廣泛的應用和技術需求。課程現狀與現階段人才培養需求的主要矛盾在于缺乏以專業需求為導向的課程理論架構以及系統性的工程實踐環節。為此，充分調研自動化行業應用需求，針對性地對課程架構進行精簡，同時形成典型的系統級工程實踐案例以串聯理論知識體系并培養學生實踐能力，是進行數字圖像處理課程改革的必然要求。發揮數字圖像處理技術更新快的優勢，形成對課程內容的持續更新，保證課程內容緊貼行業需求。在教學質量保障環節，通過教學專家評價、行業專家評價以及學生表現評價，形成對課程的全方位評價，并對薄弱環節進行持續改進，有力保障行業人才培養質量。