“雙一流”高校建設背景下研究生“計算機視覺原理與應用”課程教學改革探索

羅曉清　張戰成　康振

摘 ? ?要：課程教學質量決定人才培養質量，為了建設“雙一流”高校，對研究生“計算機視覺原理與應用”課程教學改革進行探索。針對“計算機視覺原理與應用”課程內容定位不準確、教學模式過于傳統、工程實踐性不強、考核方式單一等問題，通過關注“計算機視覺原理與應用”課程本科教學與研究生教學的差異化、“計算機視覺原理與應用”課程與“數字圖像處理”課程的聯系與區別、計算機視覺的科學前沿性等方面，來準確定位課程內容，采用探索式教學、研討式教學、案例教學等模式開展教學活動，實施有效的過程性和多元化課程考核方式，以期將創新能力和實踐能力培養融入課程教學中。通過改革有效地提高了學生學習的主動性，提升了學生解決實際問題的能力，發揮了課程對于“雙一流”高校建設的基礎性作用。

關鍵詞：雙一流;計算機視覺;教學改革;創新;實踐

中圖分類號：G643.2 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2020）02-0100-06

計算機視覺是一門用機器模仿人類眼睛“看”的技術，具體來說就是運用成像設備和計算機模擬人眼對目標感知識別跟蹤等視覺能力，并能夠對圖像做進一步處理，通過計算機處理后的圖像能夠更好地被人眼感知以及被機器處理[1]。計算機視覺學科通過運用相關的理論知識和技術手段從圖像數據和視頻數據中獲取有用信息，利用計算機實現基于立體視覺或單目視覺的二維投影圖像重構三維物體，從而達到機器對三維景物世界的理解能力。“計算機視覺原理與應用”課程是計算機類研究生的專業選修課程，該課程的開設將使得學生能夠系統地學習計算機視覺的相關知識，如：掌握圖像生成的原理，攝像機標定及低中層計算機視覺技術的原理、方法，了解高層計算機視覺技術與應用，深刻體會數學與計算機視覺技術的完美整合，從而為將來從事這一領域的研究打下堅實的基礎。“計算機視覺原理與應用”課程教學需要培養研究生對計算機視覺領域的好奇心，學生的好奇心會驅使其主動地發現計算機視覺領域的問題，激發通過計算機視覺算法解決實際應用需求的思考，培養計算機視覺方法程序實現的實踐能力，提升在視覺方法論上的創新能力。我們發現，在近幾年的課堂教學過程中存在一些問題，比如：課程內容定位不準確、教學模式單一、工程實踐性不強、考核方式缺乏過程性評價等。因此，本文依據國家“雙一流”高校建設的要求，就課堂教學現有狀態進行分析并改革探索，以期培養高層次的計算機創新人才。

1 ? 課堂教學在“雙一流”高校建設中的重要作用

“雙一流”高校建設要求深化研究生教育綜合改革，理清在不同學位層次下的培養目標，改進研究生培養體系，改革研究生培養方式，尤其要注重研究生創新能力的提升，強化研究生實踐應用能力培養。當前，以“雙一流”建設為契機，通過強化研究生實踐能力，多方集成教育資源，制定跨學科人才培養方案，探索建立政治過硬、行業急需、能力突出的高層次復合型人才培養新機制，大力培養高層次應用創新型人才是高校研究生人才培養的目標[2]。“雙一流”高校建設離不開一流研究生專業建設，而一流研究生專業建設的核心是課程建設。研究生通過課程學習能掌握必備的專業基礎知識，因此，課程建設是研究生人才培養中最重要、最基本的元素，課程質量會直接影響人才培養質量。課程應當在“雙一流”建設中發揮核心支架作用，使得一流大學的建設在內涵上得到根本的提升。這就要求高校必須從課程建設入手，從課程的目標設置、內容實施、教學模式和評價反饋等多方面深入改革，構建能夠引領一流大學建設的專業課程，助推“雙一流”建設。為了實現課程對“雙一流”建設的助推力，江南大學以優質課程建設作為高校學科建設的有效抓手，在加快推進“雙一流”建設進程中，堅持主流價值導向，堅持內涵提升，將課程建設作為教育教學內涵式發展的戰略工程和基礎工程。同時，積極探索建立激勵保障及質量監控機制，立體化建設優質課程，基于“雙一流”高校建設背景，對研究生“計算機視覺原理與應用”課程進行了改革。改革后的課堂教學注重不同培養階段課程和教學的整體化體系構建，考慮個體發展的差異性，遵循學生對知識掌握的規律，大力提倡教與學的互動，同時，在課程體系中融入創新創業能力和實踐能力的培養。

2 ? 課堂教學現狀

計算機視覺利用多種類型的成像設備模擬視覺器官實現信息獲取，獲取的信息由計算機模擬大腦神經系統進行解釋加工。計算機視覺的發展目標是使得計算機能夠像人那樣自主去看世界、理解世界，因此，計算機視覺被廣泛地應用于眾多領域，比如：工業控制、農業生產、軍事、樓宇監控、智慧醫療及天文氣象等。隨著計算機視覺技術在各領域應用的飛速發展，許多高校在研究生培養階段開設了“計算機視覺原理與應用”這門課程。該課程為面向計算機科學與技術、計算機技術專業的專業特色選修課，共計32學時，2個學分。該課程與一些學科的研究目標相近或相關，主要有數字圖像處理、人工智能、模式識別等。在江南大學研究生培養階段，除了開設“計算機視覺原理與應用”這門課程，同期開設的還有“數字圖像處理”“模式識別”“機器學習”等課程。通過本課程的學習，要求學生：了解計算機視覺的基礎知識以及該領域最新的發展動態;建立視覺機制、光學成像模型的概念;掌握攝像機定標、多視幾何、立體視覺、運動視覺（或稱序列圖像分析）等方面的理論知識與實踐運用方法。課程通過講授計算機視覺領域處于前沿主流的若干主題及其應用，使學生提高對這一領域的認識，能夠初步運用以上所學方法解決一些實際應用問題，為今后應用計算機視覺理論和技術打下堅實的基礎。在課程的實施過程中，目前主要存在的問題有以下幾個方面：（1）該課程屬于視覺信息處理體系，視覺信息處理包含了圖像工程和圖形工程兩大類。目前，視覺信息處理體系類的課程科目較多，課程之間界限不夠明確。此外，“計算機視覺原理與應用”在不同的培養層次都有開設，這種狀態容易導致課程內容定位不準確。（2）該課程屬于專業選修課，側重研究性。如果依然采用傳統的講授型教學模式，將不利于研究生創新能力和實踐能力的培養。因此，教學模式過于單一化是目前課程教學的又一問題。（3）研究型的課程除了理論教學以外，還需要培養學生將算法理論編程實現的能力。當前，研究生“計算機視覺原理與應用”教學內容工程實踐性不強，導致學生的編程開發能力較弱。（4）教學質量的評價離不開課程考核機制。目前，該課程考核方式是一種終結性考核。有別于傳統課程考核，“計算機視覺原理與應用”課程應該注重考核學生思考問題的能力、創新能力以及實踐能力。當前的考核方式評價不夠全面，考核方法需要優化。由于上述問題的存在，因此有必要進行教學改革。

3 ? 課堂教學改革思路

3.1 ?準確定位課程內容

近年來，隨著人工智能的迅速發展，計算機視覺在智能社會中有著不可忽視的重要地位。各大高校相繼在研究生培養體系中加入計算機視覺類課程，甚至有些高校將該課程納入本科生選修課體系范疇內。“計算機視覺原理與應用”課程涉及人工智能、模式識別以及射影幾何、矩陣張量等知識領域。該課程知識覆蓋面廣，內容廣泛。同時，由于信息技術的飛速發展，計算機視覺知識更新快，這就要求課程內容必須緊跟學術前沿。因此，做好課程內容的定位是上好這門課的首要任務。課程內容定位主要考慮以下三個方面。

第一，“計算機視覺原理與應用”課程本科教學與研究生教學的差異化處理。本科教育的核心是掌握基礎理論和基本實踐技能的通識教育[3]。學生需要掌握一定的理論知識和實踐技能，具有專業理論素養，為后續的學習深造和工作打好基礎做好準備。因此，本科生的“計算機視覺原理與應用”課程側重于計算機視覺的一些基本原理、方法的介紹，要求學生了解計算機視覺的發展歷史，了解當前該領域的技術熱點，并能夠根據所學知識解決一些基本的實踐性問題。研究生教育要體現專業性和前沿性，研究生教育需要專業化、系統化、前沿化[4]。深入培養專業人才，除了需要牢固地掌握專業基礎知識外，還需要具備高層次的專業技能，以及扎實的實踐能力，并要緊跟學術前沿[5]。基于這一教育目標，面向研究生講授的“計算機視覺原理與應用”課程除了對低層視覺的介紹，還需要側重于中高層視覺知識點的講解。比如，立體視覺、從運動估計仿射模型以及從運動估計投影模型等。因此，在研究生“計算機視覺原理與應用”課程中應該降低低層視覺內容的講解比例，加大中高層視覺知識點的學時比例。同時，在教學計劃中為學術熱點安排學時。這樣，使得研究生階段開設的“計算機視覺原理與應用”課程與本科階段開設的該課程在內容安排、學習深度上都有著本質的差異，從而避免研究生課程教學本科化現象。

第二，“計算機視覺原理與應用”課程與“數字圖像處理”課程的聯系與區別。計算機視覺作為人工智能與模式識別知識體系中的一部分，必然與機器學習、模式識別以及圖像處理等課程有著較多的相關性。其中，又以計算機視覺與數字圖像處理聯系更為緊密。數字圖像處理一般處理單幅圖像，通過一定的算法對輸入的圖像進行變換或者分析圖像的內容，提取有效信息的特征，用于后一步的處理[6]。常用的圖像處理有圖像變換、圖像去噪、圖像增強、圖像恢復等。計算機視覺處理的對象有單幅圖像、多幅圖像或者序列圖像。計算機視覺對信息的有效特征進行分析，實現場景的語義級理解，以期讓計算機擁有人眼和人腦的能力。總的來說，計算機視覺和數字圖像處理之間并沒有一個明確的邊界線。圖像處理屬于計算機視覺的低層視覺范疇;圖像分析歸為中間層視覺;計算機視覺歸為高層視覺。一般來說，計算機視覺教材會對圖像處理的基本知識點作一定的介紹。考慮到當前“數字圖像處理”課程較“計算機視覺原理與應用”課程開設更為普及，大部分研究生在本科階段已經學習了數字圖像處理的基本知識。這樣，就要求在“計算機視覺原理與應用”課程教學中減少低層視覺的課時，將課程內容重點放在中間層視覺和高層視覺中。要避免“計算機視覺原理與應用”課程重復“數字圖像處理”課程的內容，“計算機視覺原理與應用”課程是“數字圖像處理”課程的提升，它進一步將知識遷移到計算機視覺學習上，增強了學生對圖像和視頻的處理能力，開闊了其學術視野。

第三，“計算機視覺原理與應用”課程的科學前沿性。計算機視覺是當前的學術熱點，該領域的發展日新月異。“雙一流”高校建設要求培養高層次的計算機創新人才。因此，“計算機視覺原理與應用”的課程教學內容除了講解計算機視覺的基本理論，還應該引入學術前沿知識介紹。比如，在計算機視覺中經常用到的深度神經網絡技術，已經被安排在課程教學計劃中。通過課堂上講解深度神經網絡，使學生掌握其基本原理，在此基礎上，安排基于深度神經網絡的計算機視覺優秀學術論文討論課。這有助于學生更進一步地理解深度神經網絡的概念，學會如何利用新技術解決計算機視覺中的實際應用問題。通過保證“計算機視覺原理與應用”課程的科學前沿性，能夠提升學生解決問題的能力以及學術創新素養。

3.2 ?采取多元教學模式

“計算機視覺原理與應用”是一門知識點多、范圍廣泛、與現實結合緊密的課程。為了培養研究生的學術能力和創新性，必須對傳統的講授型為主的教學模式進行改革。在教學過程中，主要采用探索式教學、研討式教學、案例教學等模式開展教學活動。碩士研究生階段的“計算機視覺原理與應用”課程除了介紹基本的計算機視覺知識，還需要補充一些學術性和應用性較強的學術前沿知識，比如卷積神經網絡、自編碼網絡等在計算機視覺中的運用。在課堂上有限的時間內教師很難講解全部的相關知識，只能挑核心知識點進行講授，知識點的拓展則需要教師通過探索式教學模式引導學生完成。比如，在學期初要求學生就計算機視覺的某一專題完成綜述論文。學生自主選題實際上就是要求學生通過調研了解計算機視覺的研究現狀，在宏觀上對這一課程的知識點有所把握。教師對學生遞交的選題進行審核，審核通過后學生開始查閱文獻完成綜述論文的撰寫，學期末上交。為了完成綜述論文，學生必須就某一專題開展大面積的調研，必須了解這一專題的發展歷程和邏輯關系，通過這種形式培養學生自主開展調查研究的能力，使其學會選擇有效文獻，從而提升學生的知識考察能力。

研究生的“計算機視覺原理與應用”課程除了課堂上教師講解，還需要加強學生的學術交流能力。因此，研討式教學模式得到了大力提倡。我們會留出6課時作為小組討論交流課，教師將當前的研究熱點或者學生感興趣的知識點作為討論課題。學生通過一段時間的調查理解，形成自己的研究報告。在小組討論課上，通過PPT向全班同學介紹自己的調研結果，大家就調研結果討論交流。討論課的開展能夠很好地激發學生的學習熱情，使他們分享各自的學術理解，產生思維碰撞。鑒于計算機視覺學科的應用性，“計算機視覺原理與應用”課程不僅僅是算法的介紹，還應該落實到具體的實踐應用中。通過案例教學模式可以有效地將理論知識落實到實際應用中。比如，計算機視覺中經典的視覺感受野模型，它是通過生物視覺領域的研究探索大腦的視覺結構[7]。我們講解了貓的視網膜節細胞同心圓感受野，它可分為On型感受野節細胞和Off型感受野節細胞兩類，并推導了感受野數學模型[8]。為了使學生更好地理解感受野模型在實際問題中的應用，課堂上還以基于感受野模型的融合方法和基于感受野模型的目標跟蹤方法為例，具體探討了感受野模型的應用。通過案例教學，使學生對感受野模型的理解更為深刻，同時，也使他們領悟到如何將方法論用于實際問題的解決。

3.3 ?突出教學實踐

“計算機視覺原理與應用”是一門實踐性非常強的課程，因此在課程教學中突出工程實踐性是非常有必要的。鑒于教學內容的時效性，實踐內容也應該同步更新并體現工程實踐性。在實驗內容中應增加設計性實驗和綜合性實驗的比例。為了完成實驗內容，學生需要學習MatLAB、OpenCV、python、Tensorflow等編程語言和軟件庫的使用，要鼓勵學生使用新方法來完成實驗，以達到實驗要求。最終，通過實驗指標來評價實驗完成情況。為了鍛煉學生的工程實踐性，鼓勵學生參加計算機視覺的相關競賽，以賽促學，從而提升他們的實踐應用能力和綜合解決問題能力。

3.4 ?優化考核方式

考核方式在課程教學體系中有著重要的導向作用[9]。考核方式應該與教學模式相匹配，良好的考核方式有利于激發學生的學習積極性，取得更好的學習效果。傳統的“計算機視覺原理與應用”課程考核模式一般由平時成績和期末成績組成：期末成績一般是對大作業和實驗作業的評價，是一種終結性考核;平時成績由出勤、上課表現等部分組成，如果學生按時到課，他們的平時成績區分度不大。學習是一種過程性的行為，為了更準確地評價學生的學習效果，應該建立全方位、過程性的考核方式。比如：針對學生討論課的表現，給出調研報告成績;在課程開始時，設置課程回顧練習，用于評價學生對已學知識的掌握;布置課后作業，通過對課后作業的評價發現學生對所教知識點的掌握情況，及時調整教學策略。鑒于“計算機視覺原理與應用”課程的實踐性，對于實驗課的評價也應該是具有過程性的。目前，有部分學生對實驗課不夠重視，通過抄襲其他同學的實驗方案完成實驗要求。這就要求教師重視學生的實驗實施過程，對學生的實驗準備、算法分析、程序編寫調試、實驗設計等全過程進行跟蹤評價，避免對學生提交的實驗報告進行單一的終結性評價。有效的過程性和多元化評價，能夠及時發現教學中存在的問題，有利于調整教學安排，有利于激發學生的學習積極性，進而提高教學質量。

4 ? 課堂教學改革效果

（1） 針對課程內容的調研。教學改革之前，有30%的學生認為“計算機視覺原理與應用”課程內容需要重新定位。實施課程教學改革之后，對學習該課程的56位研究生進行了問卷調查，有98%的學生表示課程內容與本科所授內容不重復，具有更好的深度和廣度;95%的學生表示“計算機視覺原理與應用”課程內容與“數字圖像處理”課程內容大部分不重復，具有區分度，側重于中高層視覺知識點的講解;96%的學生認為“計算機視覺原理與應用”課程講授內容體現了科學前沿性，有利于培養學生的創新能力。

（2）提高了學生學習的主動性。采用多種教學模式以及加大過程性考核后，有98%的學生表示從未逃課，這一數據與上課考勤情況相符合，說明教學改革使得學生的學習積極性有所提高。有80%的學生小組交流獲得了85分以上的成績，相比教學改革前，提升了10個百分點。這說明研討式教學和案例化教學促進了學生對理論知識的融會貫通，提升了學生思考問題的能力，有利于激發研究生的創新思想。過程性考核方式的運用進一步增強了學生主動學習的能力。

（3） 提高了學生解決實際問題的能力。通過案例化教學和教學過程中突出工程實踐的舉措，有83%的學生在實驗模塊取得了“良”以上成績，相對改革前增長了12個百分點。這一數據說明，通過教學改革學生的實踐能力得到了提升。此外，有22%的學生綜述論文被評為優秀，較以往增長11個百分點。這說明學生在發現問題、思考問題能力以及創新能力上都有所進步，達到了“計算機視覺原理與應用”教學改革的目標。

5 ? 結語

在“雙一流”高校建設背景下，本文探討了當前研究生“計算機視覺原理與應用”課程教學中的不足之處，并從課程內容定位、教學模式、工程實踐以及考核方式等多方面展開探討，提出了一些可行的教學改革方法。對于研究生來說，這些教學改革手段有利于提升其專業素養、培養其創新能力、拓寬其學術眼界，符合“雙一流”高校建設下的高層次復合型人才培養要求。

參考文獻：

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責任編輯 ? ?祁秀春

Reformation of Graduate Computer Visionin the Context of the “Double First-rate” University Construction

LUO Xiaoqing1，ZHANG Zhancheng2，Kang Zhen 3

（1. School of Internet of Things，Jiangnan University，Wuxi 214122，China;2. College of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China;3. School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Abstract： The quality of course teaching determines the quality of talent training. Therefore，it is necessary to explore the teaching reform of computer vision course for postgraduates according to the opportunity of “double first-rate” university construction. The reform exploration is implemented on the inaccurate positioning of course content，the traditional teaching mode，the insufficient engineering practice and the simplified examine approach in this paper. The content of course is accurate defined by focusing on the difference between undergraduate and graduate teaching of computer vision courses，the relation and difference between computer vision course and digital image processing course，the science frontier of computer vision. The teaching activities are executed by exploratory teaching，discussion teaching and case teaching. The effective process and diversified course assessment is carried out. The above-mentioned reform methods are help for integrating the cultivation of innovation ability and practical ability into the teaching curriculum. The above-mentioned reform methods have effectively improved studentsinitiative in learning， enhanced studentsability to solve practical problems，and played the fundamental role of curriculum in the construction of “double first-rate” universities.

Key ?words： double first-rate;computer vision;teaching reform;innovation;practice

收稿日期：2019-11-12

基金項目：國家自然科學基金“基于多尺度分析的圖像融合方法研究”（61772237）;江南大學研究生教育教學改革研究 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 與實踐課題“計算機類研究生多維培養模式研究與實踐”;江南大學研究生教育教學改革研究與實踐課題 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? “國際化高素質創新型研究生培養模式的探索”（江大研〔2016〕557號）

作者簡介：羅曉清，副教授，博士，主要研究方向為人工智能與模式識別;張戰成，副教授，博士，主要研究方向為模式識 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 別、圖像處理;康振，教授，博士，主要研究方向為微生物合成生物學與代謝工程。