人工智能時代數(shù)字圖像處理的教學(xué)改革

鐘必能 張洪博

（華僑大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 福建廈門 361021）

數(shù)字圖像處理課程是計算機科學(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、計算機應(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：（1）學(xué)科交叉性強，涉及數(shù)學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、攝影測量、計算機技術(shù)等技術(shù)；（2）復(fù)雜的綜合性：是一個高度綜合的技術(shù)學(xué)科，概念和知識點涉及面廣，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）工程和項目實踐能力要求高。然而根據(jù)作者在華僑大學(xué)計算機科學(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，以及與國內(nèi)外圖像處理同行專家的討論交流（包括中科院計算所、自動化所、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，偏重于理論知識的傳授，關(guān)注記憶和理解等較低層級的學(xué)習(xí)能力。理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用脫節(jié)，難以在學(xué)習(xí)過程中調(diào)動學(xué)生的主動性、參與性和協(xié)作性，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果。針對數(shù)字圖像處理課程實踐性強、理論知識點相對集中的課程特點，雖然有一部分學(xué)者提出將項目式教學(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)容以項目為主導(dǎo)，進(jìn)行重新整合，把知識點融入到各個教學(xué)項目中，學(xué)生通過完成項目任務(wù)來實現(xiàn)對大量新知識的整理，使知識的理解和記憶變得更容易，保持的時間更長，從而提高教學(xué)效率，使得理論教學(xué)和實踐鍛煉融為一體，并相互促進(jìn)。但是，基于項目式教學(xué)的數(shù)字圖像處理課程在實踐中也遇到了一些難題。首先，教學(xué)內(nèi)容多，課堂時間嚴(yán)重不足。項目式教學(xué)在課堂上，除了講解項目所需的理論知識以外，還需要教師進(jìn)行項目講解和示范。項目結(jié)束后，還需對項目成果進(jìn)行匯報總結(jié)。這就使原本僅用于講解理論知識的課堂學(xué)時捉襟見肘。其次，學(xué)生由于初始知識積累以及學(xué)習(xí)能力的不同，導(dǎo)致理論知識的學(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)入項目實踐，大量時間用于重復(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學(xué)習(xí)的情況下，就倉促地進(jìn)入項目實踐環(huán)節(jié)，導(dǎo)致項目實踐困難重重。再則，學(xué)生分組完成項目，各組的項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)。無法為每個分組個性化解決其項目中遇到的問題。

與此同時，近年來我國陸續(xù)出臺《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等一系列政策，對計算機大類人才培養(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)，特別強調(diào)計算機類專業(yè)的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。在此背景和趨勢下，如何培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生的綜合能力并形成規(guī)范模式，已成為計算機專業(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；同時近年來隨著教學(xué)研究的不斷深入，陸續(xù)出現(xiàn)一些項目式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式改革，使得教學(xué)研究者們對如何有效教學(xué)這個經(jīng)典而重要的課題有了新的認(rèn)識。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，故而在人工智能時代，對數(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)價值。本文以華僑大學(xué)計算機科學(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)的評價與持續(xù)改進(jìn)機制。

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)前國內(nèi)外項目教學(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。同時構(gòu)建基于項目式教學(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、計算機一樣，成為人們趨之若鶩的技能之一。在人工智能時代，實現(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)行編程計算和可視化圖形演示，制作生動精美的圖形圖片和動畫文件，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)字圖像處理實驗環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對數(shù)字圖像處理問題的直觀形象化理解，提高學(xué)生對課程的學(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。具體包括以下幾個方面：首先引導(dǎo)學(xué)生從用戶角度認(rèn)識數(shù)字圖像處理，及其相關(guān)的人工智能產(chǎn)品，了解市場成熟技術(shù)以及最新進(jìn)展，通過產(chǎn)品體驗、參觀圖像處理和人工智能企業(yè)、資料調(diào)研等方式對圖像處理和人工智能產(chǎn)品有主觀認(rèn)識。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價系統(tǒng)，讓學(xué)生具有執(zhí)行圖像處理和人工智能工程實踐所需技術(shù)，以及發(fā)掘、分析、應(yīng)用現(xiàn)有研究成果，以及評價產(chǎn)品的能力。通過實際產(chǎn)品的認(rèn)識、資料的閱讀培養(yǎng)學(xué)生具備寬廣的市場視野，了解圖像處理和人工智能產(chǎn)品對環(huán)境、社會的影響，能夠?qū)D像處理和人工智能產(chǎn)品做較為深入的評價。該模塊主要研究產(chǎn)業(yè)需求、理論知識對教學(xué)過程的引導(dǎo)作用，通過產(chǎn)品體驗，創(chuàng)業(yè)案例，引起學(xué)生參與興趣。

（3）在融合理論和實踐教學(xué)方面。由于數(shù)字圖像處理課程學(xué)科交叉性強、綜合性強、工程和項目實踐能力要求高，其實踐部分的教學(xué)內(nèi)容，以項目為主導(dǎo)，有利于促進(jìn)學(xué)生目標(biāo)明確地進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，加快知識內(nèi)化過程，并將理論知識靈活地運用于實踐中，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，這些實驗中包含了數(shù)據(jù)預(yù)處理、算法分析和設(shè)計、應(yīng)用等工程實踐環(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以外，更重要的是將學(xué)到的理論知識，靈活有效地應(yīng)用到工程實踐環(huán)節(jié)中。在教學(xué)過程中堅持以項目目標(biāo)為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容與市場需求結(jié)合，力求培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、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)活動從項目實踐開始，教師按照項目需要重新組織知識點，每個知識點的作用，以及它們之間的相互聯(lián)系都非常清楚。以項目實踐需要，促進(jìn)學(xué)生對理論知識的主動學(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，從而實現(xiàn)完整的教學(xué)目標(biāo)，即學(xué)習(xí)理論知識，并將其靈活有效地應(yīng)用于實踐中。教師對項目完成情況加以點評和指導(dǎo)，并允許學(xué)生對項目進(jìn)行改進(jìn)，從而在實踐中不斷糾正學(xué)習(xí)缺陷，磨煉學(xué)生的實踐能力?？焖偬岣邔W(xué)習(xí)能力，加強學(xué)習(xí)效果。

圖3 理論課堂子項目分組討論

（4）在培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成評價和持續(xù)改進(jìn)機制方面。給出人工智能時代，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)方法方式以及評價體系等相關(guān)報告(如圖4所示)。設(shè)計符合教育部和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)要求中也具體對應(yīng)指標(biāo)點。并充分結(jié)合畢業(yè)生就業(yè)去向分布特點的達(dá)成評價與持續(xù)改進(jìn)體系。

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

二、結(jié)束語

數(shù)字圖像處理是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，也是人工智能領(lǐng)域機器學(xué)習(xí)與計算機視覺等課程的先修課程。本文以華僑大學(xué)計算機科學(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，提出了幾點教學(xué)改革方案，以期在人工智能時代，提升該課程的教學(xué)質(zhì)量。