人工智能教育背景下研究生數(shù)字圖像處理課程思政教學(xué)探究

徐 艷，胡順波，魏紅光

（1.臨沂大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 臨沂 276000；2.臨沂市教育局，山東 臨沂 276000）

0 引言

人工智能，應(yīng)該說(shuō)是一項(xiàng)引領(lǐng)未來(lái)趨勢(shì)的新興戰(zhàn)略性技術(shù)，世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人當(dāng)前都高度重視人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2018年4月，教育部發(fā)布《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，重點(diǎn)提出“引導(dǎo)高校通過(guò)增量支持和存量調(diào)整，加大人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)力度”[1]。高校一直是處于科技創(chuàng)新第一要素生產(chǎn)力、人才培育第一資源、創(chuàng)新成果第一核心動(dòng)力之間的三個(gè)結(jié)合點(diǎn)，必須能夠緊緊把抓住機(jī)遇發(fā)展，為今后我國(guó)的人工智能行業(yè)的全面創(chuàng)新持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大科技智力與高水平人才力量的支撐。

在2016年的全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議中，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[2]。”中國(guó)共產(chǎn)黨歷來(lái)重視以德育人、以德治教，“立德樹人”要貫穿于教育的各個(gè)階段。因此，在高校中，不僅本科生要實(shí)現(xiàn)課程思政全覆蓋，研究生也要實(shí)施課程思政。隨著培養(yǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，我國(guó)高等教育中研究生群體也越來(lái)越大，在研究生課程中開展課程思政非常有必要。

近年來(lái),隨著一些人工智能技術(shù)逐步被人們應(yīng)用拓展到諸如醫(yī)療及輔助健康診斷、智能終端、智能機(jī)器人應(yīng)用等的多個(gè)新領(lǐng)域，人工智能已經(jīng)與很多學(xué)科都有了很大深度的相互交叉融合[3]。人工智能的很多技術(shù)比如醫(yī)學(xué)影像AI輔助診斷就是基于醫(yī)學(xué)影像處理與分析的。因此，為了培養(yǎng)當(dāng)今人工智能時(shí)代浪潮下所需的品德優(yōu)良、具備深度專業(yè)能力和創(chuàng)造力的高素質(zhì)研究生人才，就需要對(duì)現(xiàn)有的研究生數(shù)字圖像處理課程教學(xué)內(nèi)容安排和基本的教學(xué)手段進(jìn)行根本性改革，融入新思政文化元素，教學(xué)方式探索也已經(jīng)日漸成為我校研究生在教學(xué)管理及學(xué)生培養(yǎng)管理工作中面臨一項(xiàng)較為緊迫重大的任務(wù)。

1 數(shù)字圖像處理課程思政教學(xué)思路

高等教育的目標(biāo)是培養(yǎng)時(shí)代需求的人才。在人工智能教育背景下，怎樣從道德修養(yǎng)和知識(shí)傳授并重的方向來(lái)培養(yǎng)人是高校所有課程教學(xué)都必須深思的問題。

目前，臨沂大學(xué)正在進(jìn)行人工智能專業(yè)建設(shè)，并計(jì)劃積極組織推進(jìn)學(xué)校新興工科領(lǐng)域與現(xiàn)代新醫(yī)科領(lǐng)域融合體系建設(shè)。在此專業(yè)背景支持下，作為一個(gè)電子信息技術(shù)相關(guān)學(xué)科專業(yè)的在校碩士研究生學(xué)習(xí)的專業(yè)課程數(shù)字圖像處理在教學(xué)內(nèi)容上是圍繞“醫(yī)學(xué)圖像處理”的知識(shí)架構(gòu)和算法系統(tǒng)框架構(gòu)建，整合了第二、三、四、五、七、十章共六章的教學(xué)內(nèi)容和核心知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)綜合性算法教學(xué)應(yīng)用案例；結(jié)合近年來(lái)該研究領(lǐng)域中相關(guān)學(xué)者最新成果研究，著重在強(qiáng)調(diào)醫(yī)學(xué)圖像的處理應(yīng)用在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)影像。能快速有效的為臨床精準(zhǔn)診斷手術(shù)方案和介入治療技術(shù)提供相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),有著相對(duì)較強(qiáng)的工程實(shí)用性。還能為現(xiàn)今熱門的人工智能影像診斷和讀片分析提供基礎(chǔ)知識(shí)，比如人工智能輔助診斷新冠肺炎系統(tǒng)。以國(guó)家關(guān)于“新一代人工智能”的中長(zhǎng)期規(guī)劃等為信息媒介，激發(fā)我校學(xué)生極大潛能的創(chuàng)新實(shí)踐和學(xué)習(xí)實(shí)踐新動(dòng)力；將眾多的國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新產(chǎn)品引入課堂，提升案例的時(shí)代性和挑戰(zhàn)性，并剖析算法原理，回歸課程知識(shí)點(diǎn)，幫助廣大學(xué)生在實(shí)踐中輕松快速找到方法和獲得學(xué)習(xí)“歸屬感”；以學(xué)術(shù)會(huì)議、學(xué)術(shù)論文、任務(wù)驅(qū)使的項(xiàng)目教學(xué)等方式，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的認(rèn)知能力興趣，讓大多數(shù)學(xué)生在實(shí)踐學(xué)習(xí)中有獲得感，成為合格的中國(guó)特色社會(huì)主義的建設(shè)者和接班人。

2 思政教學(xué)設(shè)計(jì)

在課程思政教學(xué)中，案例的選取要合情合理、打動(dòng)人心，只有觸動(dòng)到學(xué)生才能達(dá)育人的效果。這就需要教師注重平時(shí)發(fā)現(xiàn)和積累。臨沂大學(xué)研究生的數(shù)字圖像處理課程以嬰幼兒自閉癥預(yù)測(cè)、肺結(jié)節(jié)檢測(cè)和識(shí)別、腦部腫瘤檢測(cè)和識(shí)別等案例，啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)和算法，跨章節(jié)綜合知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建醫(yī)學(xué)影像預(yù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。從人工智能輔助檢測(cè)阿茲海默癥關(guān)聯(lián)課程思政，幫學(xué)生樹立科技要為人民大眾利益服務(wù)的理念，激發(fā)學(xué)生的家國(guó)情懷、時(shí)代責(zé)任、歷史使命，幫助他們進(jìn)一步地樹立更積極和正確樂觀向上的三觀意識(shí)。本課程可以考慮從以下三個(gè)方面入手來(lái)進(jìn)行思政教學(xué)設(shè)計(jì)。

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)

（1）以熱點(diǎn)案例為“引”：比如，拋出《我的姐姐》等電影情節(jié)，以重男輕女引起的婚姻問題、社會(huì)問題激發(fā)學(xué)生對(duì)案例的關(guān)注度；接著引出在中國(guó)每年通過(guò)非法醫(yī)學(xué)鑒定性別有不少于30000名女嬰胎兒被打掉[4]。同時(shí)，中國(guó)目前面臨著極其嚴(yán)重的男女比例結(jié)構(gòu)失調(diào)，在截至2021年統(tǒng)計(jì)里達(dá)到最低結(jié)婚年齡標(biāo)準(zhǔn)的單身男子就已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比女子多出了1800萬(wàn)。由此引申到男女平等、人人平等思政元素。有些人沒有人道主義精神，借助B超檢查鑒別胎兒性別，只看重家族與個(gè)人利益，把社會(huì)利益拋一遍。女孩也能為國(guó)爭(zhēng)光、為家添彩，可舉出朱婷、谷愛凌的例子。由醫(yī)學(xué)鑒別胎兒性別案例，啟發(fā)學(xué)生醫(yī)學(xué)圖像分類知識(shí)，最終聯(lián)系到知識(shí)點(diǎn)──分類器的設(shè)計(jì)。

（2）以項(xiàng)目教學(xué)為“支撐”：從國(guó)家“新一代人工智能”領(lǐng)域?qū)θ瞬呕A(chǔ)理論的高要求出發(fā)，提出學(xué)習(xí)圖像預(yù)處理算法的重要性；并以阿茲海默癥AI輔助診斷項(xiàng)目為例，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)搭建、特征提取、損失函數(shù)計(jì)算、系統(tǒng)調(diào)試和過(guò)程分析等技術(shù)進(jìn)行過(guò)程可視化講解，展示給學(xué)生一個(gè)可觸及、可設(shè)計(jì)、可創(chuàng)新、可分解、可綜合的阿茲海默癥AI輔助診斷系統(tǒng)。通過(guò)播放電影《困在時(shí)間里的父親》片段，讓我們意識(shí)到盡早檢測(cè)出阿茲海默癥并及時(shí)進(jìn)行干預(yù)的重要性。目前，治療阿爾茨海默病的方法有限，我們所能做好的就是預(yù)防。目前，在臨床醫(yī)學(xué)上，大多數(shù)阿茲海默癥病人被確診時(shí)已處于晚期。而新一代人工智能技術(shù)能夠通過(guò)提供早期預(yù)警來(lái)幫助病人進(jìn)行早期干預(yù)。由此，可幫學(xué)生進(jìn)一步樹立科技要為人民大眾利益服務(wù)的理念，要有科技強(qiáng)國(guó)之意識(shí)，激勵(lì)廣大研究生們走科技報(bào)國(guó)之路。

（3）以翻轉(zhuǎn)課堂和學(xué)生項(xiàng)目質(zhì)量為“評(píng)教”：把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，以“強(qiáng)國(guó)有我”鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)案例自主策劃選題、自行進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試設(shè)計(jì)，老師給予必要的指導(dǎo)，并要求在調(diào)試過(guò)程中做到逐步調(diào)參、優(yōu)化再創(chuàng)新，培養(yǎng)他們主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力和激發(fā)他們的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，塑造學(xué)生大國(guó)工匠素養(yǎng)；設(shè)立前沿論文講解、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、小組匯報(bào)等分項(xiàng)目標(biāo)考核評(píng)估機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立查閱文獻(xiàn)的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

通過(guò)參加學(xué)術(shù)會(huì)議、閱讀學(xué)術(shù)論文的線上線下自主學(xué)習(xí)[3]、項(xiàng)目案例的講解設(shè)計(jì)和翻轉(zhuǎn)課堂將思政育人、知識(shí)傳授、技能培養(yǎng)和雙創(chuàng)培育有機(jī)結(jié)合在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中。以思政引領(lǐng)價(jià)值塑造，以熱點(diǎn)案例引導(dǎo)知識(shí)目標(biāo)，以項(xiàng)目教學(xué)促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，以考評(píng)機(jī)制激發(fā)能力目標(biāo)。預(yù)期教學(xué)成效：能夠在實(shí)踐中逐步培養(yǎng)學(xué)生攻堅(jiān)克難的拼搏意志，在熱點(diǎn)應(yīng)用的激發(fā)下，能夠通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，掌握?qǐng)D像預(yù)處理算法及其綜合應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)情感，培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的工作嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和逐步樹立正確的科學(xué)觀念。

3 教學(xué)實(shí)施

3.1 教學(xué)模式

（1）在知識(shí)結(jié)構(gòu)上，由項(xiàng)目任務(wù)拋出基本理論的學(xué)習(xí)，再轉(zhuǎn)向應(yīng)用和算法分析，再回歸到項(xiàng)目任務(wù)上來(lái)，循序邁進(jìn)；在教學(xué)內(nèi)容上，由實(shí)際案例向融入實(shí)景和思政元素進(jìn)行改革，引導(dǎo)知識(shí)模塊的有機(jī)整合，逐步實(shí)現(xiàn)案例和模塊化教學(xué)的結(jié)合，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，不僅使研究生了解到數(shù)字圖像處理的具體應(yīng)用及與其他學(xué)科的交叉融合，還拓寬了學(xué)生的研究思路和方向，激發(fā)了學(xué)生知識(shí)系統(tǒng)化、精益求精的學(xué)術(shù)素養(yǎng)。臨沂大學(xué)研究生開設(shè)的“數(shù)字圖像處理”課程，依托智能計(jì)算團(tuán)隊(duì)和國(guó)家面上項(xiàng)目“基于結(jié)構(gòu)回歸森林估計(jì)形態(tài)和灰度嬰幼兒腦部核磁共振圖像非剛體配準(zhǔn)研究”，將課程內(nèi)容與醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行了交叉融合。

（2）在自主學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂方面，考查學(xué)生線上課程的自學(xué)情況、參加學(xué)術(shù)會(huì)議的情況和前沿論文的閱讀情況。以“科技強(qiáng)國(guó)”為內(nèi)在動(dòng)力、“翻轉(zhuǎn)課堂和評(píng)價(jià)機(jī)制”為外在動(dòng)力，通過(guò)自主學(xué)習(xí)，可使他們很快能夠了解認(rèn)識(shí)到數(shù)字圖像處理技術(shù)就是人工智能時(shí)代的“眼睛”，可與很多學(xué)科進(jìn)行交叉融合。這種教學(xué)方式不僅能快速培養(yǎng)研究生主動(dòng)查閱文獻(xiàn)資料和批判性閱讀高水平學(xué)術(shù)論文的學(xué)習(xí)能力，還能在實(shí)踐中進(jìn)一步拓寬自身學(xué)術(shù)知識(shí)面、調(diào)動(dòng)自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性意識(shí)和勇于探索科學(xué)研究的精神。如由《等著我》電視欄目想到，從和諧社會(huì)到拐賣人口問題再到網(wǎng)絡(luò)照片尋親再抽象到圖像處理算法最后上升到課程素養(yǎng)目標(biāo)，在潛移默化中讓他們養(yǎng)成居安思危、勇于攀登科技高峰的信念[5]。

（3）小組項(xiàng)目匯報(bào)。從思政的角度，以實(shí)例或?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景視頻、故事開場(chǎng)打開教學(xué)過(guò)程。啟發(fā)學(xué)生針對(duì)場(chǎng)景抽象到圖像處理算法上去，然后進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。小組匯報(bào)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，演示實(shí)操結(jié)果。通過(guò)小組匯報(bào)的方式，讓學(xué)生有獲得感，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

3.2 信息化平臺(tái)

平臺(tái)選用智慧樹、雨課堂、騰訊會(huì)議等。智慧樹，用于線上討論、發(fā)布任務(wù)、了解學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)情況等；學(xué)生通過(guò)共享自錄授課視頻預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)和進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)等。雨課堂+騰訊會(huì)議用于直播答疑、熱點(diǎn)討論、翻轉(zhuǎn)課堂等。智慧樹系統(tǒng)中，學(xué)生通過(guò)線上完成預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)完成率近100%。騰訊會(huì)議中，學(xué)生積極參與課堂討論，隨堂提問答題準(zhǔn)確率較高，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用非常感興趣。個(gè)別學(xué)生課堂表現(xiàn)不佳，專注力弱、課堂沉默，需要考慮應(yīng)對(duì)和改善的有效策略。

3.3 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

課程立足于立德樹人的根本教育任務(wù)，采用“閱讀前沿文章+問題討論、熱點(diǎn)思政+技術(shù)提煉、案例實(shí)操+項(xiàng)目設(shè)計(jì)、分項(xiàng)考核+持續(xù)改進(jìn)”相結(jié)合的線上線下混合式教學(xué)方法。如圖2所示。

圖2 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前人工智能時(shí)代的背景下，國(guó)家對(duì)應(yīng)用型研究生人才的培養(yǎng)提出了更高的要求[6]。作為應(yīng)用型研究生課程“數(shù)字圖像處理”面向新一代人工智能領(lǐng)域，立足于立德樹人，遵循工程認(rèn)證理念，將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造和創(chuàng)新意識(shí)緊密融入課程教學(xué)全過(guò)程。我們要在前沿技術(shù)發(fā)展和當(dāng)下社會(huì)熱點(diǎn)話題中充分挖掘?qū)W科知識(shí)點(diǎn)，整合教學(xué)內(nèi)容，用實(shí)景故事引導(dǎo)學(xué)生要居安思危，關(guān)注專業(yè)領(lǐng)域前沿，培養(yǎng)學(xué)生切實(shí)具備發(fā)現(xiàn)問題、解決復(fù)雜疑難問題的決心和毅力。同時(shí)，我們還要持續(xù)挖掘完善課程思政案例，不斷拓展優(yōu)化，圍繞立德樹人，培養(yǎng)學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和課上熱點(diǎn)思政引導(dǎo)、項(xiàng)目案例講解、翻轉(zhuǎn)課堂、小組匯報(bào)等方式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。臨沂大學(xué)數(shù)字圖像處理課程團(tuán)隊(duì)成員積極參加思政課程培訓(xùn)，不斷進(jìn)行課程思政教學(xué)探索，在社會(huì)熱點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)成果中，持續(xù)挖掘典型思政教學(xué)案例，將“價(jià)值塑造、知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和雙創(chuàng)培育”四位一體的理念貫穿于課程教學(xué)始末。

課程思政教育建設(shè)體系作為一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，目前全國(guó)范圍仍處于起步和建設(shè)階段。如何真正做到合理地、有效地、科學(xué)地根據(jù)專業(yè)知識(shí)制定合適的課程思政內(nèi)容，還需我們不斷地去深入探索與交流學(xué)習(xí)。面向臨沂大學(xué)高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位，在日常的教學(xué)中，我們既要提升研究生群體的專業(yè)技能[7]，又要注重學(xué)生思想教育的引領(lǐng)，培養(yǎng)出專業(yè)水平高的、素質(zhì)過(guò)硬的合格的應(yīng)用型人才。