人工智能時代下的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究

關(guān)鍵詞：人工智能技術(shù)；挑戰(zhàn)和機(jī)遇；數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革；數(shù)據(jù)可視化

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0165-03

0 引言

近年來，人工智能技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。Chat?GPT、GPT-4o、LLaVA等大模型給各行各業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在人工智能時代的洪流中，人們不禁要思考人和機(jī)器的關(guān)系：哪些職業(yè)或工作會被機(jī)器替代？哪些工作可以由機(jī)器輔助完成？在這一背景下，高校教師如何利用人工智能技術(shù)對高等教育進(jìn)行優(yōu)化和改革，是亟須解決的重要課題[1]。

數(shù)字圖像處理是利用數(shù)學(xué)方法和計算機(jī)算法來提高圖像質(zhì)量、分析圖像內(nèi)容并提高圖像性能的技術(shù)[2]。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)、遙感、視頻處理、工業(yè)檢測等多個領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。數(shù)字圖像處理課程是計算機(jī)科學(xué)專業(yè)、人工智能專業(yè)、數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)的專業(yè)必修課程。當(dāng)今社會，人工智能技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合得越來越緊密。人們的需求不再停留于使用數(shù)字圖像技術(shù)來提高圖像質(zhì)量，而是轉(zhuǎn)向使用AI技術(shù)對圖像的語義信息進(jìn)行理解[3]。人類不僅希望機(jī)器具有視覺能力，更希望機(jī)器具有洞察力。例如，人臉識別技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、智慧醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)等通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行語義理解來提升社會生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。因此，本文以數(shù)字圖像處理課程為研究對象，探討在人工智能時代背景下高等教育的課程改革方案。

總的來說，本文貢獻(xiàn)點如下：

1） 面向新質(zhì)生產(chǎn)力[4]的教育任務(wù)，修改了現(xiàn)有數(shù)字圖像處理的教學(xué)目標(biāo)。

2） 根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，修改了課程教學(xué)大綱，引入了更多人工智能技術(shù)相關(guān)的知識點。

3） 在課程實施過程中，除了知識點學(xué)習(xí)，更加注重學(xué)生思維的鍛煉，利用人工智能技術(shù)輔助教學(xué)過程。

4） 針對生成式AI技術(shù)[5]對課程作業(yè)的影響，提出了有效的學(xué)生課后學(xué)習(xí)方案。

1 教學(xué)改革方案

本文從課程目標(biāo)、課程大綱、課程實施和課后學(xué)習(xí)幾個角度探討人工智能時代背景下數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革。

1.1 課程目標(biāo)

本文充分調(diào)研了國內(nèi)高校關(guān)于數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)目標(biāo)，收集整理了包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京大學(xué)、鹽城工學(xué)院、泰州學(xué)院、南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院、廣州工商學(xué)院等共20所大學(xué)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)目標(biāo)。通過自然語言處理技術(shù)，去除停用詞后，根據(jù)詞頻大小，繪制了現(xiàn)有數(shù)字圖像處理課程的詞云圖。

如圖1所示，目前主流大學(xué)的數(shù)字圖像處理關(guān)鍵詞為“基本概念”“基本原理”“彩色圖像”等。本課題將“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型”“計算機(jī)視覺”“新質(zhì)生產(chǎn)力”等關(guān)鍵詞加入課程目標(biāo)中。修改后，數(shù)字圖像處理課程的課程目標(biāo)為：“面向社會主義現(xiàn)代化需要的新質(zhì)生產(chǎn)力要求，數(shù)字圖像處理課程旨在培養(yǎng)具有高水平的應(yīng)用型人才。學(xué)生應(yīng)掌握數(shù)字圖像的基本原理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本概念，了解前沿的人工智能技術(shù)，能夠?qū)⒂嬎銠C(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用到社會生產(chǎn)的各領(lǐng)域中。”

1.2 課程大綱

根據(jù)新制定的教學(xué)目標(biāo)，本文對南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了優(yōu)化。

如表1所示，教學(xué)改革保留了第一章和第二章的知識點，因為圖像的基本概念與基本運(yùn)算是后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)。讓學(xué)生清晰地認(rèn)識數(shù)字圖像的構(gòu)成，對后續(xù)的前沿技術(shù)研究具有重要意義。第三章圖像的變換內(nèi)容中，課程刪除了圖像的頻域變換內(nèi)容。因為在之前的上課過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對二維傅里葉變換的學(xué)習(xí)非常困難。由于沒有信號與系統(tǒng)和復(fù)變函數(shù)前置課程的鋪墊，計算機(jī)學(xué)院的本科生學(xué)習(xí)效果事倍功半，造成厭學(xué)的現(xiàn)象。另外，在現(xiàn)代計算機(jī)視覺應(yīng)用中，頻域分析法的應(yīng)用也有所下降。綜上是刪除頻域變換內(nèi)容的原因。對于第四章圖像增強(qiáng)，大綱替換成了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)，并且本研究在第六章增加了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像增強(qiáng)知識點。第五、六、七、八章是關(guān)于計算機(jī)視覺的相關(guān)應(yīng)用，覆蓋了圖像分類、圖像增強(qiáng)、圖像分割與圖像生成任務(wù)。第九章是關(guān)于計算機(jī)視覺大模型和多模態(tài)技術(shù)的內(nèi)容，旨在讓學(xué)生了解最前沿的人工智能技術(shù)，培養(yǎng)高水平的應(yīng)用型人才。最后一章是關(guān)于前沿技術(shù)的探討，包括介紹小樣本學(xué)習(xí)[6]、預(yù)訓(xùn)練模型[7]、智能體[8]等概念。

1.3 課程實施

在課程實施環(huán)節(jié)，本課題不僅根據(jù)教學(xué)大綱傳授知識，更關(guān)注學(xué)生思維的鍛煉和培養(yǎng)。因為在人工智能時代背景下，知識可以被大模型記憶，而思維和智慧是目前人工智能技術(shù)所無法實現(xiàn)的。課程考核方式從試卷考試方式調(diào)整為作業(yè)。每個章節(jié)都會有對應(yīng)的實驗，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。

根據(jù)之前的教學(xué)經(jīng)驗，現(xiàn)在的大學(xué)生喜歡用GPT 這類的大語言模型技術(shù)來完成代碼編寫和實驗報告的撰寫，往往AI生成的實驗報告質(zhì)量很差。本教學(xué)改革認(rèn)為，與其制止學(xué)生使用AIGC技術(shù)生成報告，不如引導(dǎo)學(xué)生正確使用AIGC技術(shù)。因為時代在發(fā)展，人類應(yīng)該思考如何和機(jī)器合作共贏。正確使用AIGC技術(shù)，可以輔助課程實施過程，提升課程教學(xué)質(zhì)量。本文調(diào)研了正確使用AIGC 技術(shù)來完成作業(yè)的一些案例。

如表2所示，列舉了3個使用AI大模型輔助學(xué)習(xí)的例子，正確使用人工智能技術(shù)可以提高學(xué)習(xí)和工作效率。在理論和實踐教學(xué)過程中，將指導(dǎo)學(xué)生如何有效地使用大模型技術(shù)。

1.4 課后學(xué)習(xí)

在課后學(xué)習(xí)階段，課程將安排大量的實踐操作來加深學(xué)生對理論知識的消化，達(dá)到理論結(jié)合實踐的教學(xué)目標(biāo)。由于課程涉及的作業(yè)繁重，本研究采用人工智能技術(shù)，根據(jù)語義相似度算法，對數(shù)字圖像處理的作業(yè)進(jìn)行自動化批改，減輕了教師的作業(yè)批改工作量，讓教師抽出更多的時間投入教學(xué)和科研工作中。

同時，針對大量的AIGC生成的作業(yè)，本研究同樣采用AIGC Detector技術(shù)[9]來識別出學(xué)生作業(yè)中哪些部分是AI生成的，哪些是自己原創(chuàng)。針對實驗報告完成質(zhì)量較差的學(xué)生，進(jìn)行課后反饋和教育，形成閉環(huán)。

2 教學(xué)數(shù)據(jù)分析

本研究在2022年對南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱、課程實施和課后學(xué)習(xí)部分按照教學(xué)改革方案進(jìn)行了優(yōu)化，并收集整理了2018—2023年度數(shù)字圖像處理課程的學(xué)生成績和教學(xué)評價數(shù)據(jù)。2018—2021年的教學(xué)數(shù)據(jù)為對照組，2022—2023年的教學(xué)數(shù)據(jù)為實驗組。

結(jié)合表3和圖3數(shù)據(jù)可知，2018—2021年數(shù)字圖像處理的評教成績平均分為79.79，2022—2023年數(shù)字圖像處理的評教成績平均分為84.27。經(jīng)過2022年的教學(xué)改革后，學(xué)生的課程平均成績提高了約5.6%。同理，經(jīng)過t檢驗后，課程改革對評教成績有顯著影響。

3 結(jié)論

在人工智能時代下，本文對數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行教學(xué)改革。首先，修改了教學(xué)目標(biāo)以適應(yīng)新質(zhì)生產(chǎn)力的社會需求；其次，針對新的教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化了教學(xué)大綱，引入更多的人工智能知識點；然后在課程實施階段，通過AI技術(shù)輔助教學(xué)過程；最后在課后學(xué)習(xí)階段，使用AI技術(shù)減少了教師的工作量，并通過AIGCDetector技術(shù)防止學(xué)生過度依賴人工智能技術(shù)，形成了教育的閉環(huán)。本研究通過對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和對課程的滿意度都有所提升。這表明在人工智能時代，合理利用人工智能技術(shù)可以有效地提升教學(xué)質(zhì)量。未來，本課題將研究利用AI技術(shù)來監(jiān)管學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，并進(jìn)行智能的教學(xué)反饋。