數字媒體技術交叉融合教學改革研究與實踐
——以圖像處理基礎課程為例

劉欣 張賀曄 李越瓊

(1.佛山科學技術學院工業設計與陶瓷藝術學院 廣東佛山 528000;2.中山大學生物醫學工程學院 廣東廣州 510006)

1 數字媒體技術專業現狀

隨著數字信息傳媒的高速發展，數字化信息技術應用需求已經從圖像傳播和圖像信息提取的計算機領域，向藝術設計領域拓展，由此激發了國內高校藝術設計類院系數字媒體技術專業在高校交叉學科建設的迅猛發展。數字媒體技術專業是結合計算機類課程與藝術設計類課程的多學科交叉新興專業。然而，數字媒體技術專業的人才培養模式仍缺乏明確的指南，根據地方特色和高校資源差異，基于案例的教學模式成為了主流。而現有開設該專業的高校中，多將數字媒體技術方向下轄于計算機專業，著重于計算機科學與技術的人才培養。傳統的計算機類專業教學體系中強調算法，編程及相關工具使用的計算機相關能力的培養，缺乏與美術及設計課程體系的結合[1]。為了適應新興產業的技術加美學人才需求，通過學習國外數字媒體教育的成功案例，國內高校逐步形成技術開發與藝術創業相融的培養模式和體系[2]。然而，數媒專業課程設計存在知識面廣、實踐需求高，學科跨度大與學時有限的矛盾。如何在應用型地方本科高校培養符合地方性和實用型數媒專業人才，仍然需要進一步探索[3]。

2 數字媒體技術與藝術設計交叉融合存在的問題

在廣東省高水平理工大學建設的背景下，佛山科學技術學院在2018年設立、2021年正式獲批數字媒體技術專業以來，通過納入課藝術設計系下建設培養模式和課程體系，目前正形成藝術創作和技術應用相融合的培養模式和體系。隨著全球高等教育發展，在以學科為中心、教師為導向的傳統教學模式基礎上，逐步引入以學習者為中心、以成果為導向，靈活、互動、綜合、以技能培養為基礎的課程學習模式。當前數字媒體技術與藝術設計交叉融合面臨兩方面問題。第一，計算機類專業課程如何融入藝術設計教學體系。《圖像處理基礎》是數媒專業教學體系中的計算機類基礎課程，是一門對數字圖像進行分析和操作的專業課，具有理論內容多，實操需求高，綜合性強的特點[2]。傳統的課程教學主要面向計算機類專業學生設計教學模式，詳細講解基礎理論，基本原理，且現有互聯網課程主要面向醫學、生物醫學工程、遙感圖像、人工智能和相關數字圖像處理商業軟件能方向，在藝術設計類人文美學素養往往缺少體現。第二，如何在有限課時內提高學生綜合能力。藝術設計類專業教學手段豐富，主要通過短周期課程融合理論教學和高強度課堂實操指導完成基本技能培養。而計算機類專業常需要采用長周期教學，以提供足夠的理解實踐和課外實操機會充分掌握相關技能。如何在短周期教學中完成計算機理論教學和基本技能教學，提高學生的知識體系交叉融合程度，掌握學科交叉的綜合能力，則需要進一步探索。

因此，該研究基于作者任教該課程的3 年教學記錄，分析在藝術設計類專業教學體系中，采用強調基礎理論講解、強化基本技能培養、深化交叉學科融合的教學模式，對學生的學習興趣和知識掌握程度的影響。在教學過程作，通過參考相關互聯網課程，逐步完善教學內容，觀察學生的課堂學習狀態及課后作業表現，探討教學模式與教學效果的相關性[3]。

3 計算機基本技能的教學設計

佛山科學技術學院數字媒體技術專業歸類為非計算機工科專業，納入藝術設計系，與視覺傳達專業并行為兩個專業方向。在傳統的計算機專業教學模式中，《圖像處理基礎》的教學強調基礎理論、基本知識和基本技能的教學理念，對圖像類型、圖像分析、圖像變換等理論和方法詳細講解[4]。其前提條件為學生具有良好的數學推理水平和良好的個性化自主學習模式。然而，非計算機工科專業的課程體系往往缺乏上述前提條件培養，學生的知識面、基礎學科水平，學習目標及自主學習動力差異較大，導致課堂教學過程中，學生接受程度差異大，學習積極性在不同層次學生的相互影響下難以形成持續的主動學習氛圍，學習效果不理想，為保障教學質量造成了重要障礙。

為了達成計算機類課程在藝術設計教學體系下的轉化，根據培養目標設計階段性教學任務，再由教學任務指導教學實踐。根據前述問題，結合藝術設計系課程周期短、課時集中、結課即考核的特點，對教學實踐方法進行了適應性改革。

3.1 課程目標

《圖像處理基礎》課程目標主要為兩個部分，分別為：（1）掌握基本理論，熟悉基本方法；（2）熟悉編程語言基本技能，熟練使用基本方法實現數字圖像操作。

3.2 教學任務

依據教學目標，確定教學任務主要包括以下四點。

3.2.1 理論知識講解

從理論來源、關鍵推導過程、主要應用領域、難點和重點總結等方面，梳理章節內知識體系及章節間關聯性。其中，對涉及計算機基本理論的內容，主要采用概述和舉例闡述定義和適用范圍。

3.2.2 教學實施

采用PPT的形式進行相關理論展示講解。將重點和難點與主要理論的關聯性以文字和關系圖譜的形式聯合講解，以構建學生對知識點在章節內和章節間的關聯性的感性認知；對關鍵理論采用展示推導過程與書本例題講解相結合的形式，建立學生對知識點學以致用的理性認知。

3.2.3 編程實操訓練

數字圖像操作可采用編程參數化的手段，也可以采用商業軟件整合的操作工具。現有的藝術設計教學體系下主要采用數字圖像商業軟件的傳統設計教學工具，而藝術與科技跨學科人才需求的背景下，采用編程軟件實現藝術創作，不僅是當前現代化藝術設計人才所需的基礎技能，更是與其他領域專家特別是計算機技術專業人員開展良好溝通的基本條件。因此，該課程堅持開展基于編程語言的數字圖像處理實踐操作訓練。

編程實操訓練強調學生動手實驗，盡管前人研究提出基于C++和MATLAB等軟件和技術開展實驗教學的方案，但是學生在理論學習后接受度和挫敗感將進一步影響學生課后自主學習的動力。因此，課堂內需要采取積極干預的措施，配合學習門檻較低，且與后續課程可持續形成關聯作用的編程語言，開展百城實操訓練。該課程選擇了采用Python面向對象編程開源語言，滿足入門門檻較低，網絡開放課程資源豐富，且后續與可視化編程軟件，如TouchDesigner，可接受基于Python的程序代碼[5]。

3.3 教學實踐

教學實踐中，結合教案章節順序，教學內容的設置安排實驗課時在總課時50%，即該課程總課時為48課時，實驗課時將安排為24 課時。實驗課內容包括6 個實驗內容模塊，具體如下。

（1）Python基本操作模塊，數據結構、基本運算、圖片讀取與儲存等。

（2）圖像域操作模塊，灰度變換、幾何變換等。

（3）圖像濾波模塊，濾波函數、卷積和點乘等。

（4）圖形增強模塊，頻域濾波、圖像平滑、圖像銳化和偽彩色增強等。

（5）圖像分割模塊，閾值分割、圖像疊加等。

（6）圖像特征提取模塊，圖像編碼和圖像描述等。

通過講解展示可執行代碼以供學生在課堂上直觀理解代碼提供的圖像處理功能，要求學生在課堂內重現展示代碼的功能。代碼復現是了解編程語言的一種重要手段，通過講解代碼中的格式、邏輯，適時講解編程語言的功能和函數，有利于幫助學生快速建立代碼書寫規范，建立函數與功能實現之間的代碼關聯性。學生考核采用半命題課題研究方式，考核學生綜合運用所學圖像操作方法及編程技能。通過主動教授和激勵方式的綜合運用，學生基本滿足綜合運用Python 解決半命題課題中需要綜合運用圖像空域操作、圖像濾波、圖像分割和特征分析的圖像處理思維，分析圖像特征，構建合理的圖像處理流程，應用實踐課程所學編程內容，基本實現圖像處理技能的預定目標。

藝術設計類前置課程中對學生對圖像審美水平有顯著影響。即學生可清晰陳述對原始待處理圖像的獲取和圖像處理預期，對圖像處理過程中的實驗中間結果給予恰當的主觀審美分析，善于使用藝術化二次創作提升圖像美化結果，從而彌補在圖像變換和增強中的技術短板。然而，課題選題存在顯著局限性。課題選題普遍受到半命題的約束，在提供開放選題選項的前提下，仍然缺少開放選題課題；課題相關調研薄弱。學生對已有研究調研程度低，導致圖像處理實踐中，因為不了解技術現狀以及缺乏調研技巧，對遇到的技術問題無法解決，表現為圖像操作方法生搬硬套，圖像處理結果與處理流程的牽強附會等。

因此，針對學生的基本技能和知識面的缺失，教學方式改革需要圍繞技能補起進一步完善。

4 基于藝應用案例講解的交叉融合教學設計

合適的案例是提高教學效果的基本要求。該課程采用岡薩雷斯編著的《數字圖像處理》第4 版作為教材，所提供應用案例未能緊跟當前社會發展，雖然可以作為參考案例，但是由于與學生的知識面相去甚遠，難以誘發學生的學習樂趣。因此，應用案例強調與時俱進、多元領域的案例，在滿足與課程教學內容相符的基礎上，通過案例講解來建立圖像操作方法與現實生活案例的關聯性，并通過強調考核所需開放課題的必要性，達到啟發學生從生活相近和興趣所指的案例中發掘有趣的選題。

啟發性案例實踐突破傳統案例復現的機械性。啟發性案例包括兩層含義：第一層是課內理論講解的應用案例；第二層為課內實踐教學的代碼功能復現案例。

針對課內理論思考能力培養，采用前沿案例輔助理論知識理解。通過積極收集教學周期內一切圖像相關的科學、藝術、教師研究課題等前沿圖像數據作為應用案例，結合相關知識點，展示圖像解讀、圖像分析，以及相符合的圖像處理技術，比如：醫學圖像處理中關于邊緣檢測的應用案例在病灶分割和分類中的作用、中國火星探測器祝融號火星車發揮首批火星圖像利用探測車上色盤校正圖像顏色的分析、自然圖像去霧去雨在自動駕駛中的應用、色彩與人眼視覺特性在視覺效果呈現差異的分析、馬赫帶效應的應用等。通過分析案例的圖像采集動機、圖像獲取來源、圖像處理方式等，傳授案例分析的基本技巧，將復雜和抽象的理論與形象的應用案例結合，以提高學生的學習積極性。通過全課程共3～5 個具體案例分析，為學生提供自選題目模版，對促進學生在課程大作業自主選題起到積極作用。

針對實踐動手能力培養，采用課內鼓勵學生主動探索機械性重復教師提供的實踐內容，容易消磨學生創作的積極性，形成等待結果的惰性，不利于學生充分理解實踐的目的和知識點。改革前為開設《圖像處理基礎課程》第一年，在實踐教學過程中展示代碼功能所使用的原始素材在課前全數開放提供給學生，以方便學生在實踐過程中可以準確復現展示案例呈現的結果。課堂觀察表明50%（15人）學生在實操過程中不能完成課堂練習，15 人中有6 人（40%）在課程考核中表現為理論知識理解程度較低，代碼理解程度較低；通過總結教學經驗開展教學過程反思和教學方式改革后，課內實踐只展示代碼及預期效果，復現代碼功能測試所使用素材替換為課內學生自采素材。課堂觀察表明在實操過程中不能完成課堂練習的人數出現下降，第二年為26%（12/46），第三年為16%（7/43）。不能完成課堂練習的學生中，讀代碼能力和編程能力均高于第一年，且學生在考核前與教師互動更頻繁，在課題思路和技術短板方面提出更具有貼近解決困難和實現功能的有效問題，并在考核中反映出對所遇到困難提出不同的解決方案的科學研究思維。

5 科學研究基本技能的教學設計

藝術設計專業具有著重作品，強調技能，學術較弱的先天不足[6]，是在課程考核的演示匯報流程中，表現為匯報邏輯雜亂、對選題調研不足、結果陳述缺乏量化分析，難以滿足創新應用型人才的基本科學素養。因此，在課程中期實踐課時開展科學文獻調研基礎教學，通過概括文獻調研目的，介紹文獻數據庫，舉例調研流程，并實際演示關于圖像處理與設計的文獻調研結果。

教學實踐結果表明，文獻調研技能教學在課程考核中具有顯著影響。通過對比3 年課程考核結果，分析選題，研究內容和最終成果，課程考核差異主要體現在研究對象、研究方法兩個方面。首先，文獻調研技能教學直接影響學生的選題范圍，從改革前大部分學生（86%）局限于半命題，到改革后大部分學生（88%）采用自主命題。從改革前的單純圖像修復，到改革后出現圖像增強和二次藝術創作作品，通過文獻調研前沿信息，實現了主動探索的自主學習的開端。其次，研究方法發生了質的變化。改革前，學生主要采用回顧課堂練習提供的圖像操作代碼進行排列組合的方法，使用代碼功能對圖像進行變換、增強操作，且受限制于對函數功能的理解水平，圖像增強效果藝術設計成分較高；改革后，考核匯報中文獻調研相關內容顯著增加，包括相關技術文獻調研，相關應用市場調研以及綜合應用開發相關專利等。在圖像處理中引入了前沿科學問題、采用了先進圖像處理技術和基于編程的圖像再創作，課程學習效果顯著提升。

6 跨學科教學模式需要持續改進

在藝術設計類教學體系下開展工科應用性人才培養，聚焦在跨學科教學中，構建“實戰型”教學策略。在計算機類課程的教學實踐中，相關教材大多基于計算機專業的基礎知識能力體系設計教學邏輯和應用案例，與藝術設計關聯性弱。避免教學過程中計算機類課程的理論教學脫離藝術設計話題而形成信息孤島，需要加強教學體系的跨學科建設，持續完善教學活動與培養目標形成閉環促進機制。

6.1 教學目標需要加強計算機技術在藝術設計的轉化率

教師在向學生傳授計算機圖像處理相關知識、技術與應用過程中，不僅要強化計算機基本技能，還要以培養學生藝術創作能力為教學目標，提高技術轉化的關聯性。教師需要進一步完善強化運用藝術設計類專業多元教學手段，設計具有開放性、創新性的學習任務，開闊學生視野，提高學生探索技術在設計創作的應用邏輯和方式。

6.2 教學任務需要加強藝術設計為核心的科研轉化率

以賽促教，以教促學的教學是培養應用型人才的一種重要的教學組織形式。作為理論知識向實際應用的橋梁，藝術設計類專業比賽和大學生創意創業比賽強調多學科交叉和綜合技能考核，有利于實際能力和技能的提高。教師應及時更新教學理念，積極引導學生使用科研技能探索藝術創作的結合點，在理論教學基礎上，學習新知識，新技能、新設備，主動適應科研項目開發和團隊建設的技能要求，全面提高教師的教學水平，提高教學質量。

7 結語

數字媒體技術專業是佛山科學技術學院的一門專業，如何充分發揮藝術設計教學體系下的計算機類工科應用型人才培養，需要教師團隊進一步思考和研究。教學實驗表明，藝術設計基礎技能前置課程，對于學生在計算機類基礎課程中主動結合藝術設計思維和計算機技術具有重要作用。藝術設計類基礎課程提供了學生審美培養的條件，包括理論學習和案例解析。其實，圖像處理基礎課程課時有限，教學內容受到深度和廣度的限制，這就要求教師需要在教學進程中適時調整階段性目標，對于切實提升數媒專業學生的計算機基礎，還需要教師自身提升藝術的科學理解能力，提高科研素養，才能發揮積極的引導作用，達到跨學科人才培養的目標。