“數(shù)字圖像處理”課程實驗及思想政治教學探討

韓彥芳，張 艷

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

教育關乎國家的未來，是國之重事。近年來，國家大力推出教改政策，全方位培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的綜合型人才［1］。人才教育首先是德育，將思想政治教育引入課程教學，為學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀提供了助力。只有明確了為誰學、學什么、如何學的問題，才能真正做到學有所長、學以致用、學有所為。面對大學生教育的特點，教育研究者提出了將馬克思主義立場觀點引入大學教育的構想［2］。同時，當今世界，人工智能技術飛速發(fā)展，“數(shù)字圖像處理”課程作為涉及數(shù)學、光學、計算機及眾多領域專業(yè)知識的交叉學科，是人工智能的核心課程，具有重要的理論和應用價值。其涉及理論較廣，專業(yè)知識要求高，如何提升學生的興趣，加強學生的理解并學以致用，是專業(yè)教育要思考的問題［3］。本文以“數(shù)字圖像處理”課程教學為例，探討了將課程思政和實踐教學相結合，運用啟發(fā)式、發(fā)散式、聯(lián)想、對比等教學方法，設計課程教案，以提高學生認識問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生探索未知、追求真理的好奇心，樹立學以致用、學習報國的理念。

一、課程教學內(nèi)容分析

（一）課程定位

隨著人工智能的發(fā)展，“數(shù)字圖像處理”在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、安防、太空探索等領域得到了廣泛關注與應用，是計算機與信息類專業(yè)的重要課程。對圖像處理基本概念和理論的掌握是科研創(chuàng)新的根基和源泉［4］。從實現(xiàn)來看，空域處理、頻域處理、統(tǒng)計方法、智能算法等各種算法和理論是計算機視覺的重要手段。“數(shù)字圖像處理”課程綜合了計算機、數(shù)學、光學、信號處理，以及各領域的專業(yè)知識，對知識交叉融合及培養(yǎng)綜合性人才大有裨益。

（二）教學內(nèi)容及實驗方案

彩色圖像處理著眼于改善圖像視覺質量，在各領域有廣泛的應用。理解彩色模型、掌握彩色圖像在電腦中的表示、利用數(shù)學函數(shù)實現(xiàn)彩色圖像不同的處理效果，具有很強的科學性和實用性。實驗課程的設置可以讓學生通過動手實踐，明白課程的意義、問題的關鍵和解決辦法，從而加深對知識點的理解，學以致用。鑒于此，對彩色圖像處理中的知識點進行梳理，以實驗案例加強學生對知識點的掌握［5］。

1.教學內(nèi)容（見表1）。

表1 圖像增強方法教學內(nèi)容

2.教學過程。根據(jù)表1的教學知識點開展以下教學過程：（1）成像電磁波譜。電磁波是成像的重要能量源，在分析不同波段成像特性時，引入盲人摸象的故事。以天鵝星座在不同波段下的成像為例，使學生了解人類所能感知的世界只是在目前的科技水平下可以感知的波段，對于真正的世界，人類就像盲人摸象一樣，從而引導學生認真學習，探索未知，探究宇宙本源。通過《黃帝內(nèi)經(jīng)》對天地人的描述，學生可以了解我國傳統(tǒng)文化的博大精深，在對天、地、人的本源，以及關系的研究方面遠遠領先于世界，激發(fā)學生對傳統(tǒng)文化的興趣，樹立學生的文化自信。（2）人眼視覺特性。通過展示愛因斯坦和瑪麗蓮·夢露的合成圖像，講解人眼的視覺特性。通過馬赫帶效應、同時對比效應及人的視覺錯覺圖例，可使學生明白人的視覺具有主觀性和欺騙性，并引導學生探究其根源，學會透過現(xiàn)象看本質。（3）彩色視覺、彩色模型及彩色圖像的表示。通過日常生活中事例引出講授內(nèi)容。如在彩色視覺教學中，采用啟發(fā)式教學，將人眼等同于靈敏的光傳感器，講授單色光、復合光的概念，并由此拓展，使學生感知到科技的進步和傳感器技術的發(fā)展；在彩色模型概念中，運用聯(lián)想法、類比法、比喻法教學，使學生明白RGB、HSV、CMK、YUV等彩色空間模型可以像度量物體重量一樣，從不同角度度量顏色值，同時，空間模型之間可以相互轉換；在彩色三要素教學中，以日常生活為例，通過白天和晚上樹葉的顏色變化，揭示亮度對顏色的影響，引導學生觀察、思考生活中常見現(xiàn)象背后蘊含的道理。

3.實驗方案。為增加學生的興趣，并鍛煉其編程能力，可將實驗方案分為圖像采集及讀取、彩色變換、偽彩色增強和假彩色增強等。首先，學生用手機采集自己喜歡的圖像，讀入MATLAB系統(tǒng)，觀察圖像變量在工作區(qū)中的屬性，了解圖像在計算機中的表示；其次將RGB圖像轉換成HSV圖像，了解H、S、V的含義和取值范圍，并利用數(shù)學函數(shù)改變H、S、V的值，實現(xiàn)彩色變換。在偽彩色和假彩色增強部分，采用空域和頻域兩種方法。選取指定空間區(qū)域或灰度值范圍的像素顯示為自己指定的顏色，實現(xiàn)空域偽彩色增強。而通過在傅立葉域構建三個不同的濾波器進行濾波，再反變換回空域，從而實現(xiàn)頻域偽彩色圖像。在實驗中，學生可以自主指定原始素材和增強效果，實驗目標明確，實驗方法清晰，有助于加深其對概念和方法的理解。通過編程獲得了理想的視覺結果，增加了學生的主動性和成就感。

二、課程思政元素分析

（一）“數(shù)字圖像處理”課程思政教學目標

目標1：培養(yǎng)學生認真思考、追根溯源、勇于探索未知的精神。

目標2：激發(fā)學生對傳統(tǒng)文化的興趣，培養(yǎng)文化自信。

目標3：科技人的社會責任和家國情懷。

（二）“彩色圖像增強”課程思政的總體設計

目前，已有大量文獻對課程思政進行了研究［6-8］?？傮w來看，主要關注以下維度：政治認同、家國情懷、社會責任、道德規(guī)范、科學精神、思維品質、創(chuàng)新能力、人文精神、生態(tài)文明、法治意識、工程倫理、國家安全意識、文化自信、全球視野等。本文僅就“彩色圖像增強”課程的部分教學內(nèi)容進行思想政治設計（如表2所示），以供探討。

表2 “彩色圖像增強”課程思政總體設計

三、教學效果分析與反思

通過連續(xù)三學期的平臺課教學實踐觀察，從學生的出勤率、實驗參與度、學習主動性和最終考核成績等方面進行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 教學實踐情況統(tǒng)計

通過舉例、對比、聯(lián)想式授課，激發(fā)學生的學習興趣；通過啟發(fā)式教學，互動更加有效，加強了學生對知識點的記憶；通過發(fā)散式實踐教學，學生提出新的設想，動手熱情高漲，獲得了成就感，從而對圖像處理算法產(chǎn)生了極大的興趣。在教學中引入思政元素，拉近了教師和學生的關系，可以在相互溝通中開闊視野，達到了教學相長的目的。在“彩色圖像增強”課程連續(xù)三個學期的教學中，學生的出勤率一直是100%，學生評教分數(shù)在92分以上，但是在涉及傳統(tǒng)文化教育時，學生的文化自信還有待提高，教師可以通過調動學生學習傳統(tǒng)文化的積極性來提高學生的文化自信。同時，教師也要不斷學習，提高自己的文化素養(yǎng)。

結語

本文以“彩色圖像增強”課程為例，分析了教學內(nèi)容，探討了教學過程和實踐教學方案，并對課程中的思政元素進行了挖掘。在實驗方案設計中，給出了詳細的實驗內(nèi)容和實踐步驟，通過發(fā)散式實驗練習，加深了學生對知識點的理解與掌握。思政元素的引入，使教學更加人性化，同時在相互溝通中，使教師和學生都獲得了提升。