新工科背景下數字圖像與視頻處理課程混合式教學的探索與實踐

摘" 要：新工科發展背景下數字圖像與視頻處理課程傳統單一的教學模式和教學方法已無法有效地適應新時代高素質人才培養要求，新工科要求課程的教學內容、教學模式和考核方式等要素不斷更新。為改進陳舊的教學模式、激發學生的學習主動性、提升學生的創新思維及編程實踐能力，提出通過開展線上線下混合式教學、線下課堂實施六步教學法、課程資源建設、融合課程思政、構建驗證性基礎實驗+綜合實驗+創新性項目實踐的階梯型實踐教學體系、改進教學評價方式等多種改進措施，深化課程教學改革，提高了課程教學質量，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：新工科；數字圖像與視頻處理；線上線下混合式教學；教學評價

中圖分類號：TP391.4" 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2024）12-0188-06

Exploration and Practice of Blending Learning of Digital Image and Video Processing Course in the Context of Emerging Engineering

DU Hui

（Communication University of Zhejiang， Hangzhou" 310018， China）

Abstract： In the context of the development of emerging engineering， the traditional single teaching model and teaching method of digital image and video processing course can no longer effectively adapt to the requirements for cultivating high-quality talents in the new era. Emerging engineering requires that the teaching content， teaching mode， and assessment methods of the courses are constantly updated. In order to improve the obsolete teaching model， stimulate students' learning initiative， and enhance students' innovative thinking and programming practice capabilities， many teaching improvement measures， such as implementing online and offline blending learning， carrying out six-step teaching methods in offline classes， building curriculum resources， integrating curriculum thinking， building a ladder-type practical teaching system of verification basic experiments + comprehensive experiments + innovative project practice， and improving teaching evaluation methods， have been proposed and conducted. The measures deepen the reform of course teaching， improve the quality of course teaching， and achieve good teaching effect.

Keywords： emerging engineering; digital image and video processing; online and offline blending learning; teaching evaluation

0" 引" 言

教育部于2017年在復旦大學、天津大學和北京先后召開新工科建設研討會，發布復旦共識[1]、天大行動[2]和北京指南[3]，吹響了新工科建設的號角。次年，教育部發布了《高等學校人工智能創新行動計劃》，明確提出開展新工科研究與實踐要重視人工智能與計算機、控制、數學、統計學、物理學、生物學、心理學、社會學法學等學科專業教育的交叉融合，培養人工智能時代下的工程實踐能力強、創新能力強、國際競爭力高的高素質復合型“新工科”人才[4，5]。然而，目前國內高校工科專業在人才培養上側重于基本理論和基本知識的教學，開展高質量教學和培養學生創新意識、能力的力度遠遠不夠，與新工科的培養要求相差甚遠[6，7]。

數字圖像與視頻處理是人工智能、計算機、智能科學與技術等眾多新工科專業的一門專業基礎課程，是計算機視覺、計算機圖形學、人工智能、模式識別、計算攝影等眾多學科領域主干課程的基礎，特點是多學科交叉、理論性和實踐性都很強，其理論和技術體系較為龐大和復雜。該課程是數字圖像處理課程的擴展。傳統數字圖像處理課程的教學重理論輕實踐，講授方法集中在“教”和“受”兩方面，導致學生在課堂中一直處于被動學習狀態[8]。為了保證實際教學進度與教學日歷一致，教師在線下課堂按部就班開展教學，無法顧及每位學生的學習狀態。這就導致部分學生無法立即真正理解所授知識點的基本原理與方法，無法開展拓展材料的學習，進而導致學生主動學習的積極性下降。為此，許多學者如范春年[9]、劉燕[10]等分別設計了在線教學方案和在線翻轉課堂的教學模式，開展混合式教學，以期提升學生學習的主動性和實踐能力。

本文以浙江傳媒學院數字媒體技術、廣播電視工程、軟件工程等國家一流專業建設點開設的數字圖像與視頻處理課程為研究對象開展教學研究，通過課程教學內容建設、線上線下混合式教學模式、線下課堂實施六步教學法、構建階梯型實踐教學體系等多種教學改進措施，深化課程教學改革，促進師生之間的課堂互動，有力激發了學生的主動學習性，提升了學生解決實際問題的能力。通過教學改革和研究，實現“教學與實踐零距離，畢業與上崗零過渡”的人才培養目標。

1" 課程教學內容建設

在數字圖像與視頻處理課程教學過程中，教學團隊始終秉持以學生學習為中心，以培養學生應用能力為導向，以任務引領、項目驅動、能力本位為基本理念進行課程教學改革研究。通過系統、完整和豐富的課程資源開發，促進了課程在教學層面的落實。

1.1" 課程思政建設

課程思政是育人的重要環節，行之有效是課程思政教學探索的重點[11]。課程深度融合思政要素，實現專業知識學習與思想政治教育的無縫銜接，能有效拓展課程教學內容的廣度，激發學生的學習興趣，提升課程教學質量。近年來，教學團隊在教學中以弘揚中國優秀傳統文化、激發愛國情懷為理念、結合國內外時事，挖掘和凝練課程思政元素，將專業領域發展現狀與愛國主義教育融合起來，實現思政進課堂，培養學生樹立正確的世界觀、人生觀與價值觀，融合課堂知識講解與科學思維培養，實現教學與育人的有機統一。課程思政元素主要圍繞職業教育、道德修養、法治素養和愛國教育等方面，以數字圖像與視頻處理技術、應用、標準與法規、媒體管理等知識為切入點，凝練出愛國情懷、制度自信、文化自信、道路自信、辯證唯物主義、道德規范、法制意識和社會責任等13個思政案例元素，做到每周教學課程思政全覆蓋。例如，從圖像與視頻處理發展史、圖像增強、圖像復原、視頻處理等知識點中發掘愛國教育思政元素；從圖像傅里葉變換、圖像分割等知識點中發掘蘊含的哲學思想和邏輯思維；通過形態學處理、圖像編碼、虛擬人臉生成、數字水印、交通道路識別等警示案例，反思分析，提高學生辨識能力和責任意識，以人民為中心，具有家國情懷，堅守職業道德；對專業相關社會熱點問題進行討論，從技術中領悟知識的社會價值；在圖像與視頻處理的智能圖像生成等前沿熱點教學中，讓學生了解國際視角下的圖像與視頻處理技術，并結合國內外發布的文心一言、星火認知、ChatGPT等大模型，分析優勢與差異，進行愛國主義教育。

1.2" 課程教學內容

課程教學團隊緊扣高階性、創新性和挑戰度的一流課程要求，重新組建教學資源，科學設計教學目標，開展圖像處理概述、圖像增強、圖像復原、圖像壓縮編碼、圖像分割、形態學圖像處理、彩色圖像處理、視頻處理8個模塊的課程教學，以周為單位設計細化每周學習目標和教學內容，制定線上資源與每周教學內容對應表，如表1所示。在課程第一次課時把對應表給學生展示，讓學生明確每周的目標及學習內容，做到學習目標可量化、可讀懂、可測量、可達成。教學過程中，通過對數字圖像與視頻處理原理及算法的分析和處理結果（效果）的圖示分析，加深學生對各種處理方法及實現算法的理解；通過代表性的圖像與視頻處理算法的Python編程及實驗驗證，使學生初步掌握圖像與視頻處理編程及算法驗證方法，提高應用性教學效果，線上資源與周教學對應內容如表1所示。

1.3" 課程資源建設與應用

課程教學團隊在浙江省高等學校在線開放課程共享平臺建設了線上課程資源，按需開展課程教學，如圖1所示。浙江省高等學校在線開放課程共享平臺上以課程教學大綱為框架，上傳了團隊精心錄制的教學視頻、課程實踐、課后習題及階段性測試等教學資源。截至目前，該共享平臺共有本課程的68個線上教學視頻資源，共10章，視頻總時長760分鐘，配套題庫160題，拓展資料10個，非視頻課件54個，實驗實踐習題14道，階段性測試試題4份。課程教學團隊按照一流課程建設要求也在學習通平臺自建和引用了課程教學資源，包括任務點章節和非任務點章節177個，視頻60個，視頻總時長1 019分鐘，題庫總數702題，主要用于每章測驗練習和發布作業。教學中也會使用雨課堂平臺用于課堂內線上線下的隨堂知識檢測，答題結果實時統計。截至目前，本課程已累計在浙江省高校在線開放課程共享平臺、學習通平臺開課7期，課前預習、線上學習、課中練習討論、課程實驗實踐、期末復習等教學環節充分使用了課程資源。

2" 線上線下混合式教學

在數字圖像與視頻處理課程的教學內容設計和組織實施過程中，課程團隊從在線課程資源的設計、不同在線教學平臺的綜合運用、學生學習情況的調研等方面深入實踐“以學生為中心”的教學模式，為學生設計“由淺入深”的學習路徑，以持續改進的理念進行教學質量評價，通過及時分析在線學習數據、調研學生學習情況、增加線上線下互動促進師生和生生交流，激發學生的主觀能動性，引導學生進入探究式深度學習，讓學生學有所得、學有所思、學有所獲，從而達到課程的最終教學目標——實現價值塑造、能力培養和知識獲取。

“以學生為中心”設計“由淺入深”的學習路徑。細化課程教學目標后，按照一周為時間段規劃學生的學習目標，設計每周學習內容，為學生設計一條有效的“由淺入深”的學習路徑。每周學習都要求學生學習線上資源、完成線上測驗和完成課外實驗。將學生參與式活動融入教學設計中，抓住學生的好奇心，激活學生的學習動力，通過案例或前沿熱點導入知識點，設置一些相關的前沿有趣話題讓學生討論，引導學生互相討論，組織線上線下即時互動，消除學生在線學習的“孤獨感”，增強學生參與感，將學生從表面學習引入深度學習。

課程混合式教學結合浙江省高校在線開放平臺、超星學習通、雨課堂等平臺。教學實施過程分為課前線上學習、課中線下講授、課后線上評價三個環節。課前線上學習以省在線開放教學平臺為主，如圖2所示，課程在線教學管理界面包含以下模塊：通知公告、我管理的 MOOC課程、我管理的SPOC課程、公告管理、在線學習情況、成績管理、討論管理、題庫管理、作業管理、考試管理和測驗管理、問卷管理等模塊。課程教學團隊發布教學大綱、每周學習任務、教學課件、錄課視頻、拓展資源、在線討論題、章節測試題、課程作業、課程實驗等在線資源，如圖3所示。學生通過課程網站按照教師發布的每周任務進行自主在線預學習，課前閱讀課件、觀看視頻，完成每章測驗。

課中和課后教學環節運用BOPPPS教學理念，實施“引、講、論、測、踐、展”六步教學法，如圖4所示。“引”是指每堂課首先引入課程思政元素、導入所學知識，吸引學生興趣；“講”指講清基本概念、工作原理和算法思想，梳理重點難點；“論”指討論與演示前沿案例，了解產業和學科前沿；“測”指線上線下作業、課內使用雨課堂在PPT中插入隨堂測驗題及時鞏固相應知識點，簡單例題的課堂演練、階段性測試與期末考試；“踐”指課程實踐，課程教學團隊構建了階梯型實踐教學體系，包括挑戰度依次遞增的驗證性基礎實驗、綜合實踐和創新性項目實驗，如圖5所示，驗證性基礎實驗由灰度變換、圖像增強、圖像復原、圖像分割、形態學圖像處理和視頻處理等8個實驗組成，綜合實踐包括圖像去霧清晰化、移花接木（圖像克隆）、人臉美顏和色彩遷移4個項目，創新性項目實驗主要鼓勵選課學生積極參加中國大學生計算機設計大賽、省大學生多媒體作品設計競賽、省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃等各類與數字圖像與視頻處理相關的競賽；“展”指課后拓展，課后布置相關文獻，要求學生完成文獻閱讀、案例賞析、參與線上技術評價等以鞏固并拓展課堂學習的重難點內容。

3" 教學效果與評價

課程考核采用過程性評價和終結性評價相結合的混合形成性評價方式，過程性評價占60%，終結性評價占40%，如表2所示。過程性評價重點評價學生的綜合能力，包括專業能力、學習能力、語言表達能力、實踐能力和創新能力等，因此課程采用的過程性評價形式主要包括線下課堂的學生考勤、課堂表現、線上學習、綜合性實踐和階段性測試等，結合線上線下混合式教學，過程性評價考核的因子主要包括線下平時成績、線上學習成績、平時作業、課程實驗和階段性測試，線上學習成績主要依據學生觀看線上教學視頻和在線答題等線上學習活動情況統計確定。終結性評價方式為期終測驗。

數字圖像與視頻處理課程經過七輪的線上線下混合式教學實施，教學質量穩步提升，學生優秀成績占比有較大程度提升，近四學年的課程考核優秀成績占比分別為6.93%、19.77%、21.98%和24.63%。連續三年的課程反饋評價結果表明本課程線上線下混合式教學效果優秀，學生普遍反映課程混合式教學可以讓他們在學習知識的同時顯著提高自己的實踐技能。良好的課程教學質量為學生獲得各類創新性項目獎項提供了強力的知識保障。四年來，通過混合式教學改革，選課學生的實踐能力和實踐成果不斷突破，屢獲課程相關學科競賽獎項，一共獲得課程相關的國家級獎項9項，省級學科大賽23項，行業比賽11項，新苗人才計劃7項，取得了較好的教學效果。

4" 結" 論

課程教學是人才培養的核心環節，課程教學質量是決定人才培養質量的關鍵因素。新工科背景下數字圖像與視頻處理課程的教學應更加注重創新思維，更加注重實踐能力。這就要求課程的教學內容、教學模式和考核方式等要素都要不斷更新。為激發學生的學習主動性、提升學生的創新思維及實踐能力，本課程教學團隊通過線上線下混合式教學改革，教學中強化課堂設計，精心設計課程思政元素，著力推進線上線下混合式教學與案例教學方法的結合應用，解決好怎么講好課的問題，有效避免了單純知識傳遞、忽視能力素質培養的問題；線下課堂通過實施六步教學法，穿插學生參與法（參與前沿案例的分析與討論，將學生思維凝聚在課堂）、學生提問法（提前指定學生提問，推動學生課堂聽課效率）等方法將課堂學習主動權還回到學生手里；通過把線上平臺學習與線下課堂學習有機結合，讓學生在參與中感受壓力，在壓力下形成動力，以動力推動主動，以主動認知實現數字圖像與視頻處理開發能力的提升；通過構建階梯型實踐教學體系，強化學生編程實踐能力；通過構建對學生課堂內外、線上線下學習的多元化考核評價方式，實現知識考核和能力考核相結合，激發學生學習動力和專業志趣。

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作者簡介：杜輝（1979—），男，漢族，浙江東陽人，副教授，工學博士，研究方向：數字圖像處理、計算機圖形學。