新工科背景下“數字圖像處理”課程思政教學探索

袁 丁， 張 弘， 羅曉燕， 楊一帆， 李 露

(1.北京航空航天大學 宇航學院， 北京 102206； 2.北京航空航天大學 人工智能學院， 北京 100191)

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”[1]。新工科的建設對應于新興產業的專業，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等等。與傳統工科相比，“新工科”更強調學科的實用性、交叉性與綜合性[2]。對照新工科專業的鮮明特點，數字圖像處理技術不僅是人工智能領域的應用技術課程，同時也完全具備了新工科專業的實用性、交叉性與綜合性特點，必然服務于我國的新興產業。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調: 教育是實現中華民族偉大復興的重要基石，其首要問題便是培養什么人，作為一個社會主義國家，我國的教育事業必須全面貫徹黨的教育方針，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，培養具有愛國精神的社會主義現代化青年[3]。

青年的價值取向決定了未來整個社會的價值取向，人生的扣子從一開始就要扣好[4]。當代青年要樹立共產主義遠大理想和信念，具備大是大非的分辨能力，養成正確的世界觀、人生觀與價值觀。目前，有些工科學生并不重視思政類課程的學習，學習積極性不高。因此，工科大學教育必須構建全方位思政教學體系，特別要充分發揮各工科專業課程的思政教育作用，在講授專業知識的同時，通過理論與應用相結合、專業與思政相融通，達到育人“潤物細無聲”的效果。對于數字圖像處理課程團隊，要挖掘課程思政元素、設計生動思政案例、開展系統性的課程思政建設，在課堂上弘揚愛國愛黨的家國情懷，從而充分發揮這門專業課程立德樹人的育人作用，為國家新興產業培養政治思想堅定、勤奮拼搏的建設人才貢獻力量。

1 新工科背景下實施課程思政教學的必要性

人工智能等技術的快速發展推動了新一輪科技革命和產業變革。在這樣的背景下，新工科建設作為新時代高等教育的重要發展戰略，對創新性人才的核心素養與創造能力提出了新的要求。新工科人才必將成為未來工程技術領域的中堅力量。因此為新工科培養什么人這一問題成為高等教育的首要問題。

德行是做人的根本，思想政治教育是落實大學立德樹人根本任務的關鍵環節。隨著自媒體時代的到來，任何人都可以隨意發表和擴散自己的言論和觀點，信息雜亂且混雜各種極端、錯誤信息，也為高校思政教育帶來了更高的難度和新的挑戰。在大學工科教育中，學生大部分時間用于理工課程的學習。理工課程具有專業性、實踐性、創新性、科學性等特點，目前大多存在注重理論技術而缺乏科學精神、倫理道德的培養[5]。因此，在理工課程中融入思政元素，可使思政教育更生動、更接地氣、更與學生未來從事技術領域息息相關，因此更能引起青年學生的興趣與共鳴。在新工科建設的背景下，完整的思政課程體系建設，是加快培養愛黨愛國情感、基礎知識扎實、創新能力強、樂于實踐的復合型人才的重要舉措。

2 數字圖像處理課程思政教學探索

數字圖像處理是隸屬于人工智能領域的綜合性專業課程，涉及計算機視覺、模式識別、機器學習等多學科交叉。同時，數字圖像處理是面向工程應用的一門課程，所涉及的技術目前廣泛應用于航空航天、安防監控、無人系統、網絡傳輸、工業生產、游戲娛樂等國防、生產、生活的各個領域。數字圖像處理課程團隊，綜合自身多年來與國內多家航空、航天等科研院所深入合作的工程經驗，設計了大量航空、航天信息領域技術發展的思政教學案例，同時輔以專家面對面講座、課程考核改革等手段，將思政教育始終貫穿于專業知識講授與考核過程中，取得了良好的教學效果。

2.1 理論與應用相結合，思政案例設計

課程案例部分往往是授課過程中最吸引學生興趣點的所在，也是培養學生家國情懷、提高實踐能力的重要環節。充分發掘課程思政元素，結合教學團隊教師從事多年科研工作的經歷，以案例分析體現我國科研人員自立自強的拼搏精神，培養學生具有堅定的思想政治覺悟、擁有愛國愛黨的紅心、磨礪堅韌不拔的性格、敢于挑戰自我的勇氣。

2.1.1 思政案例設計的意義

思政理論課程始終是本科生培養方案中的必修課。但相較于專業課程的學習，工科專業的學生對思政理論課程的學習一直缺乏積極性，對思政課程理論學習的重視程度與認真程度有限。大部分工科專業的學生更重視專業技能的學習和學術水平的提高。由于學生閱歷有限，并不能理解專業知識與思想政治的本質聯系，也并不理解所謂學術思想和哲學規律的相輔相成。學生的誤區常常是思政理論課程講授內容就是社會科學內容、是文科的知識，和自己專業技術理論不相關。同時，以往的專業課堂上，教師往往著重介紹專業知識、技術前沿，忽略了德育在高校教育中的首要地位。

2020年5月，教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》，指出要全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統一，形成協同效應，構建全員全程全方位育人大格局[6]。因此，每一名專業課程教師都應該在自己教授的專業課程上發揮立德樹人的重要作用，充分挖掘課程的思政元素，培養學生勇于奉獻的精神、團隊合作的意識、樂于實踐的務實精神、自強不息的意志品質，幫助學生樹立正確的價值觀。

2.1.2 課程思政案例設計探索

數字圖像處理技術始終是一門以實際應用為牽引而發展的學科。課程思政案例分析也必應盡可能和工程應用實例緊密結合，以便設計更生動的教學環節，最大程度地提升學生課堂學習的興趣。教學團隊依照本課程的教學大綱，針對每一章設計工程案例內容，并進行思政元素的挖掘，做到專業知識與思政元素的有機結合。接下來，以緒論、圖像處理基礎、圖像復原、數字圖像處理的工程應用四章為例，探討思政案例設計的主要思想。

緒論部分是引起學生學習專業課興趣最重要的章節。二十世紀20年代，人類得到了第一幅數字圖像。隨后的一個世紀以來，人類不斷地尋求更高質量的數字圖像，設計了成像質量更好的光學鏡頭，發明了各種類型、更先進的感光元器件。盡管數字圖像起源時僅作為新聞報刊素材出現，但人們一直在探索如何利用這種新型數據、并通過一些處理手段，使其發揮更大的價值。隨著軟硬件性價比的大幅提高、通信技術的快速發展，以及處理算法智能化程度的飛躍，圖像處理技術已經廣泛應用在軍事國防、航空航天、生物醫學、生產生活等各個方面。數字圖像處理技術的百年發展史，正是人類文明的原動力——探索精神的生動體現。通過該領域發展史的介紹，鼓勵學生建立好奇與熱愛、懷疑與理性的思考習慣，堅持勇于探索、永無止境的科學探索精神。同時，在領域研究方向及技術應用的小節中，重點介紹近十年國內研究工作取得的重大進展。例如，在深空探測領域，介紹我國“祝融號”的視覺導航系統；在人臉識別領域，介紹自動支付系統；在圖像增強領域，介紹華為手機的移動影像技術。在對比國內外技術應用及發展現狀過程中，讓學生領會到盡管在該領域我國科研工作啟動較晚，但經過近二十年的努力和奮斗，已經在多個應用領域達到國際先進甚至領先水平。通過以上案例，幫助學生樹立遠大理想，培養學生堅持不懈、不屈不撓、奮發圖強的優秀品質。

圖像處理基礎介紹了圖像的感知與獲取。其中，相機成像是利用了凸透鏡將光線折射的原理，使得景物表面反射光折射在像平面成像。對于成像這一現象，據說古希臘人曾利用小孔成像原理,將物體的影像投射到暗箱壁上。1839年達蓋爾制成了第一臺實用的照相機。其實，我國對光學的認識可以追溯至公元前四百多年。《墨經》中就詳細記載了光的直線傳播、反射，以及平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像現象。宋代沈括所著《夢溪筆談》中，就描述過小孔成像原理。可見，我國很早就在探索如何利用光線獲取景物的像。通過對相關歷史記載的講述，讓學生體會到中華民族始終走在探索科學規律的道路上，為人類科技文明的發展貢獻力量，激發學生的民族自豪感。

圖像復原技術旨在通過構建成像退化模型，恢復已被退化圖像的原始數據，是圖像處理領域的一個重要研究方向，廣泛應用于軍事國防、航空航天、衛星遙感、醫學檢查、交通運輸、刑偵取證等等與影像處理相關的各個領域。在成像過程中，圖像不可避免地受到各種外部、內部因素干擾，引起圖像質量的下降。然而，干擾因素不同、對應的圖像退化模型也各不相同。即便是同一降質因素，在不同成像條件下，圖像降質的程度和表現也不相同。因此，圖像復原始終是圖像處理技術領域的研究難點和熱點。本章將在具體算法中講解圖像去霧復原方法、圖像去運動模糊方法以及圖像去湍流復原方法。在介紹圖像去霧復原方法中，重點介紹學者何凱明的暗通道去霧方法[7]。暗通道去霧方法是何凱明在香港中文大學讀博士期間發表的第一篇學術論文，該工作獨辟蹊徑、構思巧妙，獲得了當年領域頂級國際會議CVPR的最佳論文，得到領域專家們的高度評價，并引領了隨后多年圖像去霧的研究方向。通過暗通道算法的講解，不僅教授圖像復原算法模型，同時引導學生科學研究不能拘泥于現有框架，也不要迷信學術權威，要敢于標新立異、大膽設想。特別是對于面向新興產業的專業，難題挑戰更多、創新機遇也更多。鼓勵青年學生一定把握時代的機遇、勇于開拓創新，共筑人工智能實現中國夢。

數字圖像處理的工程應用這一章旨在介紹如何綜合運用數字圖像處理技術解決實際工程任務。課程團隊教師均有多年從事航空、航天領域科研項目的研究經驗，擔了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、航空航天院所課題幾十項，研制的光電探測裝備已廣泛應用于邊海防、特種安防等領域并出口海外。本章將圍繞課程團隊研制的航空光電吊艙，講授其中數字圖像處理技術的具體應用，涵蓋從圖像數據存貯、 圖像濾波去噪聲、圖像增強、圖像復原等底層圖像處理技術，到圖像特征提取、目標識別到目標跟蹤高層圖像處理技術。同時介紹航空光電吊艙發展歷程，特別是我國曾經在技術方面落后西方國家30年，經不懈努力與艱苦奮斗，如今性能指標達到國際先進水平。通過本章的學習，一方面培養工科學生學以致用、理論聯系實際的務實精神；另一方面引導學生在實際工程問題中提煉科學問題、提高科研水平。更重要的是，通過案例講解，讓學生深刻理解科研人員必須擁有堅定的思想政治覺悟、擁有愛國愛黨的紅心、磨礪堅韌不拔的性格、敢于挑戰自我的勇氣、養成科學思維的能力、細致嚴謹的對待科研工作，才能在智能制造時代趕超歐美等發達國家，成為中國未來制造業的合格接班人。

按照課程大綱，課程團隊為本課程每章節設計的思政案例如表1所示。

表1 數字圖像處理的課程思政案例設計

2.2 空天領域專家講座，厚植家國情懷

近年來，我國的航空、航天事業取得了很多舉世矚目的成就。這也是我國無數科學研究人員自立自強、拼搏奉獻取得的偉大成果。課程團隊在與多個航空航天院所的常年合作過程中，與多位領域內的專家學者建立了良好的合作關系。課程團隊圍繞數字圖像處理在新一代航空航天智能系統中的應用技術前沿，每學期邀請兩位領域專家與學生面對面，開展專題講座。例如，課程團隊邀請航天科工集團二院總師，介紹我國腦機接口技術的技術潛力與發展歷程，分析美國將腦機接口作為對中國技術封鎖的一級目錄的原因，以及我國科工集團研究中心的相關研究成果。通過本次講座，學生深深認識到自主創新絕對不是空喊口號，而是要腳踏實地、艱苦奮斗。

通過研究院所專家們的案例分析和前沿探討，一方面開闊學生眼界，使學生了解目前行業內科研動態；另一方面，作為奉獻祖國航空航天事業的楷模，領域專家們自身榜樣的力量不僅能激勵學生們勇于戰勝艱難險阻、攀登航天科技高峰，還能更深入地引導學生厚植空天報國情懷。

2.3 完善課程考核環節、增加思政評價

教學效果和兩個因素息息相關，一方面取決于教師的授課質量；另一方面取決于學生對課程的參與程度。課程思政內容的教學只有讓學生的全程參與，才能達到立德樹人的預期教學效果。為此，本課程考核方式將采用課程過程全覆蓋的形式，以充分調動學生參與課程、學習課程的積極性。

課程最終成績評定采用出勤、隨堂提問、配套實驗、項目報告、期末筆試各項成績加權求和的方式，以便更加全面地考核學生狀態和教學效果。其中項目報告以小組為單位，學生可自由結組、根據興趣選擇與課程相關的項目研究方向。學生將在一個月的時間內，完成研究方向綜述、研究方案制定、程序編寫、實驗結果分析、未來研究工作展望5方面的工作。在完成項目報告的過程中，一方面鍛煉了學生分工、合作、協調的能力；另一方面能夠充分調度學生進行自主學習，在項目進行過程中充分發揮創造力和想象力。

特別在考核環節增加思政評價內容。例如，在依托自由選題的小組為單位的項目報告展示時，要求對題目方向進行思政元素的提煉和感想分享，并占其中成績30%。此外，在每節課后對下一節課內容進行預告，要求學生課后查閱相關文獻，思考思政元素與哲學規律，采用隨機點名的形式在課堂上分享，并將學生表現計入隨堂提問成績。更加全面與客觀的綜合評價、全程的思政元素覆蓋、與鼓勵學生全程參與的機制，保障了預期教學效果。

2.4 課程思政的建設成效

思政元素融入數字圖像處理課堂，同時增加課程案例分析，提高了學生的課程參與程度。將思政案例穿插在專業知識理論中，緩解了部分學生因理論難度較高引起的焦慮情緒，同時活躍了課堂氣氛，課堂上學生回答問題積極性明顯提高。期末學生的任課教師綜合評教中，滿意率達到百分百。更多的學生對圖像處理技術研究工作產生了非常高的熱情，積極報名參加該方向的本科生畢業設計。2022年5月底，課程團隊教師指導的本科生畢業設計獲得了第三屆全國高等學校航空航天類專業本科畢業設計成果交流會一等獎。與此同時，課程團隊教師在思政建設過程中，對教學大綱重新梳理，通過挖掘各知識點的思政元素，不僅提升了專業理論水平，個人思政修養和哲學素養也得到了很大的提高。

3 結語

課程團隊通過思政案例設計、領域專家講座、完善考核環節三方面對數字圖像處理課程開展思政建設，在近一年的教學實踐中發現，學生的課堂活躍程度明顯提高，對課堂的思政內容設計比較滿意。問卷調查顯示95%的學生認為思政內容的增加提升了聽課注意力；88%的學生認為思政內容貼合課程理論內容；76%的學生認為思政內容的增加對專業知識的理解有幫助。為此，本文總結的課程建設經驗也可以為其他本科生、研究生的課程思政建設提供借鑒。同時在本次課程建設過程中，筆者深刻認識到，課程思政建設質量與任課教師自身的思想道德政治水平息息相關。教師作為學生成長道路上的重要引路人，在教學過程中要不斷提高自身的專業水準，同時還要提高自身的思想政治素質，為學生樹立良好的榜樣。因此，教師自身要有意識地加強思政工作對學科專業的引領，要了解社會、國情、國際政治、世界科技發展趨勢，要加強自身的思想道德水平，要通過不斷的學習和思考將專業知識與思政元素有機融合，潛移默化在教學中開展思政教育，同時積極參與教學示范課程建設，致力于為新工科專業培養思想政治過硬、專業技能扎實、德才兼備的創新性人才。