本科和研究生數字圖像處理課程的差異化教學思考

于迎霞，庫爾班·吾布力，古麗拉·阿東別克，黃志華

（新疆大學 信息科學與工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

0 引 言

隨著圖像處理技術的迅速發展及其在社會各領域的廣泛深入應用[1,2]，一些高校按照需求，面向高年級本科生或研究生開設了“數字圖像處理課程”，作為應用型專業基礎必修的核心學位課程或全校性的公共選修課。有的高校還面向不同專業，如信號處理，遙感地理信息系統，有側重地選擇添加了與本專業方向相關的內容進行授課。部分高校，建設了精品課程網站，或專門設置了圖像處理中心和研究所，從事數字圖像處理的教學及科研工作。但也有一些高校，在同專業本科生和研究生中都開設了數字圖像處理課程，卻在課程名稱、內容、教學環節、教學模式設計等方面沒有太大本質差異，在碩士研究生階段的碩士教育相當于重修了該門課程，出現了研究生教育本科化傾向，“弱學術化”傾向[3-5]。

幾年前，數字圖像處理技術研究熱點，較多集中在以低中層圖像工程為基礎的圖像處理和圖像分析方向[6,7]，大部分相關圖像課程教改文獻側重于基礎知識教學內容設計，很少考慮本科生和研究生在該課程上的培養教育目標差異，只關注課程本身的教學方法改進，很少對環節改革、模式創新等提出針對性的教改。近幾年，數字圖像處理的理論與應用迅猛發展，其研究內涵、研究方法、應用領域等都大大改變[8]，需要及時對該課程教學進行更新。一些高校加大了本科階段的實踐比重，并且結合當前主流的應用領域和這個學科的前沿特性面向研究生開設高級數字圖像處理課程。如安徽工程大學[9]提出面向應用的數字圖像處理課程教學模式改革，武漢理工大學[10]則進行圖像處理教學與科研共建模式研究，同濟大學[8]提出研究生課程高級數字圖像處理的建設方案，北方工業大學[11]整合幾門圖像系列研究生課程，形成面向研究生培養的圖像工程課程群，北京航天航空大學[12]則嘗試圖像工程課程群本研貫通式一體化建設，這些教改都不同程度地開始考慮同課程本科和研究生教育教學的差異側重與整合。

1 課程差異化教學必要性分析

通過對《中華人民共和國學位條例》《中華人民共和國學位條例暫行實施辦法》中對學士、碩士學術水平和要求的規定作比較分析，不難發現碩士教育的重心是在以研究為基礎的專業教育，而本科教育的重心則是在以理論知識和實踐知識為基礎的通識教育。但是，近幾年部分文獻研究分析[5]指出，碩士生教育呈現出了“本科化”傾向，主要體現在培養目標、管理模式、教學方式、教學內容等方面缺乏差異性，在一定程度上影響了研究生教育的質量。在教學方式上，本科多采用“教師講授為主，學生參與為輔”的教學方式，而碩士研究生教育總體選擇“講授”與“講授為主，討論為輔”這兩項的比例高達74.5%。在教學內容上，部分研究生課程內容與本科大量重復，課程難度小。正如謝安邦教授[13]所說，“研究生教育的部分課程的高深層級性只是體現在對本科生課程內容在橫向層面上作平面式的擴展上，沒有凸顯研究生教育在課程內容上的要求和特色”。

（1）從本科生和研究生培養方案入手，“本科生和研究生教育的共性在于，它們同屬于高等教育范疇，且都是培養高級專門人才的專業教育；而研究生教育區別于本科教育的特有屬性則表現為它的研究性、創造性、最高層次性和它既出人才又出成果的雙效性”。[14]。從該層面考慮，通才和精英教育，本科生和研究生在培養目標上存在著很大的差異，實施課程的差異化教學十分必要。

（2）從課程體系所包含的內容來分析，為了保證圖像工程知識體系的完整性，大部分參考教材都以低層圖像處理為主，涉及少部分高層知識。碩士教育的重心是在以研究為基礎的專業教育，而本科教育的重心則是在以理論知識和實踐知識為基礎的通識教育[5]。這些常用參考書能滿足本科生的知識擴充和對圖像進行基本處理的實踐實驗需求，但研究生與本科階段不同，研究生教育需要系統化、深入化、專業化、前沿化知識的應用和研究能力培養，因此差異化教學十分必要。

（3) 從知識建構模式來考慮，本科重概念建構，碩士重問題探索建構[5]。本科階段和研究生階段的知識建構模式不同，其教學側重也會因此而產生差異。

綜上，為了迎合本科生和研究生培養目標的不同需求，提高教學質量，促進技術學科的發展，實施差異化教學及合理良性的課程銜接改革，是該課程教學中必須要考慮的一個問題。

2 本科和研究生課程的差異化教學設計

2.1 本校本科和碩士研究生課程現狀比較分析

從本校的本碩課程情況比較表（表1）中作以下分析。

表1 本校本碩課程情況比較

（1）授課教師職稱。本科階段授課教師既包含講師，還包含副教授和教授，形成階梯教學團隊，而碩士階段全部是教授授課，這一點保證了高學歷專業人才培養的高水平。

（2）教學目標。本科的教學目標主要是注重全面基礎知識的講授，Matlab編程實踐能力的培養。碩士研究生階段則關注如何應用圖像處理知識，并為應用型的專業課程奠定基礎。

（3）課時安排及實踐環節。本科階段的總學時數大于碩士研究生的學時，這有利于本科階段全面知識的掌握，實施“講授為主”，同時輔以Matlab編程實踐能力的鍛煉。但碩士研究生階段課時量少，并且缺乏實踐練習，存在一定的缺陷。

（4）教學內容。相比本科教學，在研究生教學內容中減少了低層圖像處理的學時比重，增加了中高層圖像分析和圖像處理的學時比重，體現了圖像工程知識體系的層次性特點和本碩知識側重的考慮，但在圖像處理層次，碩士研究生教學仍占了其絕大部分的學時。

（5）教材比較。研究生所選用的經典教材,理論知識部分難度增加，全面深入且專業化，本科生教材則偏重基礎的簡單理論介紹及Matlab實驗實踐能力的綜合培養，符合本科重全面知識和實踐能力鍛煉、研究生重專業培養的初衷。

（6）教學模式設計，教學環節，期末考核。首先，研究生教學環節中，無論課上還是課下，均沒有安排實驗實踐，并且與本科階段的教學模式設計環節差異也并不大，碩士研究生仍按照“講授為主”的傳統教學模式。在這一點上，“數字圖像處理研究生”課程在研究生教育階段存在“弱研究化”“弱學術化”傾向。在考核方式上，研究生考核采用了與本科不同的方式。

（7）無論是本科，還是碩士研究生階段，“數字圖像處理”都是作為一門單獨的專業課開設。即使在碩士研究生階段選擇開設了“模式識別”課程，將模式識別在圖像處理中的很多案例包含在該課程的講授內容中，也并沒有形成一個完善的數字圖像處理應用型課程。

2.2 國內其他雙一流建設高校開課情況

從國內B類雙一流建設的6所高校官方網站上發布的本科和研究生培養方案計劃或課程建設中查閱到，鄭州大學、云南大學、湖南大學、新疆大學4所大學在本科和碩士階段開設的課程基本同名，但是西北農林科技大學的地理信息科學學院本科專業開設了“數字圖像處理”，碩士階段則開設了“圖像分析”和“遙感圖像”兩門與專業相關的圖像工程類課程，東北大學信息科學與工程學院自動化專業則在本科階段開設了“數字圖像處理與機器視覺”，碩士研究生階段分別開設了“圖像處理分析與識別”和“計算機視覺”兩門課程。

相比較而言，A類雙一流建設的36所高校則呈現出了多樣性。許多此類高校如清華大學、北京航空航天大學、北京理工大學、中國科技大學等擁有專門的圖像信息處理研究所承擔教學和科研工作，其本科和碩士所開設的課程已構成一個比較全面的圖像工程課程體系。比較典型的如清華大學，本科階段開設了“數字圖像處理”，而研究生階段則開設了“數字圖像處理學”“圖像分析”“圖像理解”“數字圖像處理技術及應用”“視頻信號處理”“基于內容的視覺信息檢索”等相關圖像工程課程。吉林大學則在本科階段同時開設了“數字圖像處理”“數字圖像通信”“圖像分析與應用”“數字圖像處理（雙語）”等。還有一些高校，如武漢大學、東南大學、浙江大學、中國科學技術大學則有區別地在本科和碩士階段開設了不同名稱的具體應用的課程，如本科開設“數字圖像處理”“數字圖像處理導論”，碩士階段就開設“數字圖像處理與視頻處理”“數字圖像處理與模式識別”“圖像處理與分析”[15]等。這些高校中有的將雙語教學引入了課程，如上海交大，還有的在碩士階段的該課程中添加了圖像處理新技術，如吉林大學。

綜上，本校的數字圖像處理課程雖考慮到了本科和碩士研究生的差異，但在教學內容、教學模式上并沒有較大的突破，需要嘗試進一步的改革，以提升教學質量，改善教學效果。而在國內一些雙一流建設的頂尖高校中，數字圖像處理課程體系在本科和碩士階段趨向差異化和本研貫通式一體化建設的特征明顯。

2.3 本科和研究生的差異化教學設計思考

1）授課教師選擇。

無論本科階段還是研究生階段的授課，都應該注重培養具有較高學術科研水平及指導能力的教師為任課教師。研究生授課主講教師更應選擇在該方向上具有科研成果的研究生導師，其擁有淵博的知識修養和豐富的教學經驗，活躍在學術前沿，并在本學科具有一定的影響力。在授課時，鼓勵有科研成果的碩士研究生和博士研究生參與到學術沙龍講座中，拓寬知識面的同時，分享新的研究熱點和解決問題的思維方法。

2）授課內容側重。

本科教育更多的是一種通識教育[5]，其知識構成主要是“基礎知識＋專業知識”，學生只需要掌握一定的專業理論知識和實踐能力，形成全面、完整的專業理論素養，為以后的深入學習和工作建立基礎。圖像工程中的圖像處理層次的全部基礎內容和圖像分析的部分內容應納入本科課程的核心授課內容，而在學時允許的情況下，可以有選擇地講授圖像理解層次，以擴充知識面。

研究生階段授課內容則要重視教學內容的前沿性與實踐性，即專業領域學術研究的熱點、難點、重點以及尚存爭議性的問題和研究發展的新動向[13]。數字圖像處理技術發展迅速，而目前通用的經典數字圖像處理教材更新較慢，碩士研究生階段的系列課程除了介紹最基本的圖像處理分析理解基礎知識外，更要添加補充專業性和應用性較強的一些教學內容，如卷積神經網絡、生物特征識別等。任課教師要在有限的時間內講授完該課程的這些有關內容是不現實的，因此課堂上只能選擇較為重點、核心的部分進行講解，其他的則需要學生在教師的引導下自主學習。專業前沿知識的充實，一方面依靠課下閱讀數字圖像處理前沿文獻資料，另一方面需要任課導師在授課時分享自己的科研成果或課題組最新的研究方向。同時，還必須通過課余的專家技術講座、學術沙龍等環節來獲取前沿知識。

3）教學模式及環節設計。

數字圖像處理屬于一門交叉學科，其內容豐富多樣，和現實應用結合比較緊密。但本科階段的教學方法還是仍應以專業知識的講授為主，輔助以實踐實驗室的環節，基于Matlab或VC實驗平臺實現，鍛煉學生實踐能力的同時，可以通過實驗現象和結果激發學生學習的興趣。實驗設計則以基礎性實驗、設計型實驗為主，選做部分開放性、研究性實驗。目前一些數字圖像處理教改文獻中的教學模式都可以結合應用，豐富教學過程。筆者在本科教學中引入的課程設計翻轉課堂教學環節，連續實踐了3年，在學生中反響較好，許多學生在畢業設計時對數字圖像處理方向的課題表現出了極濃厚的興趣，還有的學生在碩士研究生專業方向選擇上都傾向于圖像處理相關方向。

碩士研究生教育的教學方式，在教學模式設計上除了沿用傳統的本科教學模式，還應采取“啟發式探索式教學”，培養研究生的創新科研能力以及獨立思考解決問題的能力。教學模式可以選擇“講授為輔”，通過采用研討式教學，如學術沙龍、學術報告、課堂討論以及案例教學等形式來開展。實踐環節的設計方面也應以開放性實驗和研究性實驗為主，同時增加文獻閱讀整理和外文授課的比重，按需求進行項目驅動式的教學模式探索。

無論本科教學，還是研究生教學，都可參考結合信息技術新時代的一些混合教學模式，如線上線下基于云平臺MOOC，或基于雨課堂，或根據學校的軟硬件條件，建設專門的實驗平臺，建立精品課程網站，共享教學資料，增加與學生的互動交流環節，形成多元化課程教學模式。

4）課程體系建設。

借鑒參考一些國內一流大學的先進教改實踐經驗，可按需對圖像工程專業相關課程進行改革，逐步形成圖像處理、圖像分析和圖像理解3個層次的圖像課程群。優化教學內容，增加本科和研究生系列課程的銜接性，減少課程內容的重復以及側重點模糊的缺陷，構建本研貫通式一體化建設。同時，搭建合理的課程建設方案評估體制，不斷改進和提升教學質量。從同濟大學研究生高級數字圖像處理課程建設方案、武漢大學研究生課程建設改革、北方工業大學課程整合、北京理工大學研究生課程多元化教學改革和北航本研貫通式一體化建設效果來看[8,11,12,15,16]，這樣既考慮差異，又融合研究生教育特點的課程體系改革，對課程學科的發展起到了很好的促進作用，可形成一個良性的教學循環。

5）考核方式。

本科教學的傳統考核方式多采用閉卷考試，在平時成績中可增加實踐、翻轉課堂、課程設計等環節來綜合考查學生對本門課程基礎知識的掌握。

研究生的考核方式則不應局限于閉卷考試，更應注重學生對知識的應用和研究創新能力的考核，可采用課程論文、項目開展等方式來綜合評價。

3 結 語

目前，許多高校都在相關專業的本科和研究生培養中開設了系列課程，而各高校在圖像工程課程群建和方面還處在起步階段[12]，同時，仍有不少高校沒有對本科生和研究生進行該課程的詳細全面的差異化教學設計，本文所提出的本科生和研究生課程差異化教學思考，為此提供了一個借鑒的思路，也將慢慢在本校的授課中逐漸實行推廣。