融入課程思政的《數(shù)字圖像基礎(chǔ)》教學(xué)設(shè)計(jì)與探索

李雨桐，馬苗

（陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”，鼓勵(lì)各高校探索工程教育的新模式，倡導(dǎo)新工科研究與實(shí)踐[1]。高校最主要的任務(wù)是為國家培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母哔|(zhì)量人才，而計(jì)算機(jī)學(xué)科作為新工科的重要組成部分，相關(guān)高校擔(dān)負(fù)著新工科人才培養(yǎng)的職責(zé)和使命。2020年5月，教育部印發(fā)的《高等教育學(xué)校學(xué)習(xí)課程思政建設(shè)進(jìn)行指導(dǎo)綱要》要求全面推進(jìn)課程思想政治建設(shè)，這是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的一項(xiàng)戰(zhàn)略舉措[2]。培養(yǎng)什么人、如何培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題，也是檢驗(yàn)高校一切工作的基本標(biāo)準(zhǔn)[3]。全面推進(jìn)課程思想政治建設(shè)，在知識(shí)教學(xué)和能力培養(yǎng)過程中引導(dǎo)學(xué)生樹牢“四個(gè)意識(shí)”，堅(jiān)定“四個(gè)自信”，是培養(yǎng)社會(huì)主義建設(shè)者和接班人的意義和本質(zhì)內(nèi)容。

目前，我國各高校在保持思想政治教育引領(lǐng)作用的同時(shí)，進(jìn)一步將思想政治教育納入專業(yè)課程當(dāng)中，也取得了一系列的研究成果，初顯出良好的育人效果。例如，復(fù)旦大學(xué)的課程思政“開學(xué)第一課”，通過結(jié)合COVID-19大流行期間的病毒檢測、環(huán)境污染檢測等熱點(diǎn)問題，激發(fā)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和愛國情懷。

本文以工科計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生為研究對象，以《數(shù)字圖像處理》課程的數(shù)字圖像基礎(chǔ)章節(jié)為例，在進(jìn)行專業(yè)知識(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)與授課的同時(shí)，將思想政治元素融入到課程教學(xué)中，達(dá)到育人效果，在第一課堂中推動(dòng)落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。

二 《數(shù)字圖像處理》教學(xué)分析

在計(jì)算機(jī)電子信息專業(yè)中，《數(shù)字圖像處理》課程是一門非常重要的專業(yè)選修課程。為更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，選用國內(nèi)外高校采用的經(jīng)典教材《數(shù)字圖像處理》岡薩雷斯第三版。

（一） 課程教材分析

岡薩雷斯版《數(shù)字圖像處理》教材是圖像處理領(lǐng)域的經(jīng)典教材，據(jù)其官網(wǎng)http://www.imageproces singplace.com/顯示，該教材被超過50多個(gè)國家的1000多個(gè)高校、工業(yè)、政府和研究機(jī)構(gòu)采用，具有較強(qiáng)的普適性和權(quán)威性[4]。全書共633頁，從基本的數(shù)字圖像基礎(chǔ)，到各類數(shù)字圖像處理概念和算法，再到各種圖像處理技術(shù)和應(yīng)用，教材內(nèi)容全面、實(shí)例范圍廣。但因課時(shí)所限，在課程教學(xué)中每周要完成50至80頁的內(nèi)容學(xué)習(xí)，教學(xué)任務(wù)重，加之課程內(nèi)容專業(yè)性強(qiáng)，有一定難度，如何讓學(xué)生有限的時(shí)間內(nèi)較好吸收和掌握相關(guān)知識(shí)充滿挑戰(zhàn)。

（二） 數(shù)字圖像基礎(chǔ)部分的教學(xué)內(nèi)容分析

以教材第2章數(shù)字圖像基礎(chǔ)為例，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的梳理。主要內(nèi)容包括：

1.了解人眼的成像過程，發(fā)現(xiàn)人眼是如何獲取信息和圖像的；

2.了解視覺感知要素，完成對馬赫帶效應(yīng)、視覺錯(cuò)覺等圖像的對比觀察；

3.了解圖像的感知和獲取方式；

4.熟悉圖像的取樣和量化的過程、相關(guān)概念和公式；

5.熟悉數(shù)字圖像的表示以及像素間的一些基本關(guān)系等知識(shí)；

6.掌握圖像的數(shù)字化過程和數(shù)字圖像處理過程中所用的數(shù)學(xué)工具等內(nèi)容。

本章教學(xué)重點(diǎn)為：視覺感知基礎(chǔ)、圖像取樣和量化、圖像中像素的聯(lián)系[5]；教學(xué)難點(diǎn)為：圖像數(shù)字化過程、相鄰像素間的關(guān)系[5]。前者難在如何理解這個(gè)抽象的過程，為了使計(jì)算機(jī)能夠處理圖像，需要把圖像在時(shí)間軸上和幅值上離散化，這個(gè)過程直接影響著圖像的質(zhì)量。后者在于掌握好相鄰像素間的關(guān)系，這有助于對一個(gè)圖像進(jìn)行矯正或者處理，以獲得想要的圖像及其特征。

（三） 講授對象分析

該課程授課在研究生一年級(jí)第一學(xué)期，是學(xué)生從本科步入研究生學(xué)習(xí)的初始階段，該階段的學(xué)生存在以下問題：首先，學(xué)生思維還未能從灌輸式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變到自主式研究學(xué)習(xí)，此階段學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究能力較差；其次，被授課學(xué)生有學(xué)術(shù)型和專業(yè)型碩士，培養(yǎng)方式和研究方向存在不同，學(xué)生水平參差不齊；最后，課程本身晦澀難懂，部分學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力薄弱，存在學(xué)生課堂參與度不高且無法完成相關(guān)實(shí)踐作業(yè)等情況。

圖1 教學(xué)內(nèi)容梳理（＊表示重點(diǎn)，#表示難點(diǎn)）

（四） 實(shí)踐教學(xué)分析

該課程理論性強(qiáng)，且具有配套的實(shí)驗(yàn)教材、圖像處理程序庫、圖像處理仿真平臺(tái)，教學(xué)過程應(yīng)做到理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。由于授課課時(shí)少，教學(xué)內(nèi)容多，理論教學(xué)占據(jù)教學(xué)過程所有課時(shí)，教師無法做到理論和實(shí)踐同步教學(xué)。在缺少實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的情況下，學(xué)生對于理論與實(shí)踐難以融會(huì)貫通，是本課程教學(xué)過程中存在的問題。

三 數(shù)字圖像基礎(chǔ)章節(jié)思政元素的教學(xué)案例整合與設(shè)計(jì)

在這一章節(jié)的講授過程中，會(huì)深度融入各知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的思政元素，提煉其思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容和形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生將所學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為推進(jìn)社會(huì)發(fā)展動(dòng)力的責(zé)任感和使命感。

融入的思政元素點(diǎn)有：眼見不一定為實(shí)；善于發(fā)現(xiàn)、探究科學(xué)；發(fā)散思維、創(chuàng)新思維；發(fā)奮圖強(qiáng)，勇攀學(xué)術(shù)高峰；正確的科學(xué)道德觀；集體主義精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神以及具體情況具體分析等思政點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 數(shù)字圖像基礎(chǔ)思政育人元素的凝煉

四 教學(xué)案例整合與設(shè)計(jì)

（一） 課前準(zhǔn)備階段

該階段，教師充分利用已有資源，認(rèn)真編寫本章節(jié)PPT課件內(nèi)容以及可以融入的思政內(nèi)容，以便學(xué)生收到課件后，有條理、針對性地做好課前預(yù)習(xí)工作。教師設(shè)置交流平臺(tái)，方便學(xué)生提問和學(xué)生之間的協(xié)作和溝通。

（二） 課間講授階段

1.視覺感知基礎(chǔ)：講述人眼的成像過程和人眼的感知特點(diǎn)，在列舉課本24頁馬赫帶效應(yīng)、大量視覺錯(cuò)覺和同時(shí)對比度圖像等例子的同時(shí)，引發(fā)學(xué)生思考：從人類視覺模型中可以看出，人類視覺并不完全是對真實(shí)景物的直接反應(yīng)，還包括大腦加工部分，可見眼見也不一定為實(shí)。

育人元素挖掘：事情的真相往往隱藏在迷霧之后，這需要根據(jù)事實(shí)的因果進(jìn)行一定程度的判斷和仔細(xì)的核實(shí)，通過自己所見再加上客觀分析得出正確結(jié)論。據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生批判性思維的養(yǎng)成，具有獨(dú)立思考、批判性分析的能力，求真存疑，以新角度、新思路、新方法理性看待問題，培養(yǎng)去偽存真的科學(xué)家精神。

2.光和電磁波譜：講述電磁波譜，了解波長和頻率間關(guān)系以及電磁波譜能量公式。通過引入故事的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性。

育人元素挖掘：例如由24頁“三棱鏡的色散現(xiàn)象”引路申為可見世界多姿多彩、神奇萬千，身邊處處有科學(xué)，要善于發(fā)現(xiàn)和探究身邊的科學(xué)，理解科學(xué)，養(yǎng)成科研思維習(xí)慣和自信心。

電磁波譜各波段在通信、遙感、醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，呈現(xiàn)微波雷達(dá)、紅外遙感監(jiān)測、X射線的案例。培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和研究興趣，啟發(fā)學(xué)生多角度探究，大膽提出問題與想法，激發(fā)學(xué)生科研敏銳性，助力創(chuàng)造思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

引入電子科技大學(xué)劉永坦院士為首的科學(xué)工作者引領(lǐng)太赫茲領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展的事跡，引發(fā)學(xué)生思考與探索，建立學(xué)生民族自豪感，樹立四個(gè)自信，教育和激勵(lì)廣大學(xué)生要發(fā)奮圖強(qiáng)，勇攀學(xué)術(shù)高峰[6]。

3.圖像的感知和獲?。褐v述圖像感知和獲取的基本概念、使用單個(gè)傳感器、條帶傳感器、傳感器陣列獲取圖像的原理和應(yīng)用領(lǐng)域以及圖像的成像方式。

育人元素挖掘：在不同應(yīng)用中可以采取不同的圖像獲取方式，以小見大，啟發(fā)學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)進(jìn)步對社會(huì)發(fā)展帶來的巨大影響。例如，我國交通已步入高鐵時(shí)代，縱橫分布的高鐵網(wǎng)便利了人們出行，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，成為世界的領(lǐng)跑者；再例，如今的“無紙化”辦公時(shí)代，我國提出的“減碳”承諾、氣候行動(dòng)目標(biāo)，碳中和、碳達(dá)峰納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，彰顯中國的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)，倡導(dǎo)“人類命運(yùn)共同體”意識(shí)。最后，進(jìn)行工程倫理教育，啟發(fā)學(xué)生科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，帶來有利面的同時(shí)可能會(huì)帶來一些負(fù)作用，要合理利用科技服務(wù)人類。

4.圖像的取樣和量化：講述圖像取樣和量化的相關(guān)概念、數(shù)字圖像表示。圖像的數(shù)字化處理包括采樣和量化，用多少點(diǎn)來描述一幅圖像屬于采樣的過程，使用多大范圍的數(shù)值來表示圖像采樣之后的每一個(gè)點(diǎn)屬于量化的過程，采樣的質(zhì)量可由量化的結(jié)果反映。

育人元素挖掘：強(qiáng)調(diào)目標(biāo)的達(dá)成不是一蹴而就的，而是循序漸進(jìn)地完成。學(xué)習(xí)知識(shí)過程中，啟發(fā)學(xué)生把握因果關(guān)系、邏輯關(guān)系，將內(nèi)容條理化、系統(tǒng)化；按照認(rèn)識(shí)規(guī)律循序漸進(jìn)地掌握，在大腦中構(gòu)建思維導(dǎo)圖，不斷提高自身邏輯思維能力；同時(shí)要志存高遠(yuǎn)、戒驕戒躁，做到“厚積薄發(fā)”，在科研之路上砥礪前行。

5.像素間的一些基本關(guān)系：講述像素間的各種關(guān)系、一些基本概念，以及像素間不同距離度量的計(jì)算方法。相關(guān)像素在空間的位置和屬性都有著密切關(guān)系，所以對一個(gè)圖像進(jìn)行分析，不僅要考慮像素在位置上的聯(lián)系，還要考慮像素在屬性之間的關(guān)系。

育人元素挖掘：無數(shù)具有相互關(guān)系的像素點(diǎn)組成一幅圖像，牽一發(fā)而動(dòng)全身，可以影射到個(gè)人與集體關(guān)系中。個(gè)人從屬于社會(huì)，集體的發(fā)展離不開每個(gè)人的努力，在研究生關(guān)系中，要發(fā)揮集體主義精神，個(gè)人的態(tài)度與行動(dòng)將會(huì)影響集體的發(fā)展。

像素間的關(guān)系與距離度量方式影響著對整體圖像的分析與處理，這一點(diǎn)則體現(xiàn)了個(gè)人與團(tuán)體協(xié)作道理，在合作項(xiàng)目中，各成員應(yīng)有效分工、各司其職，具有團(tuán)隊(duì)向心力、協(xié)作力與凝聚力，發(fā)揚(yáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

6.數(shù)字圖像處理中所用數(shù)學(xué)工具：概述圖像處理中使用的數(shù)學(xué)工具，包括陣列與矩陣操作、線性操作和非線性操作等。例如，在算術(shù)操作中，圖像相乘可以用一個(gè)模板圖像與對應(yīng)圖像相乘從而留下感興趣的ROI區(qū)；想要進(jìn)行陰影校正可以對圖像間進(jìn)行相乘或相除；圖像加法操作可用于圖像降噪；圖像減法操作可以用于增強(qiáng)圖像。

育人元素挖掘：引導(dǎo)學(xué)生在日常生活中要具體問題具體分析，選擇合適方法處理現(xiàn)實(shí)中遇到的問題。在研究生科研階段，要多積累、多思考，抓住其本質(zhì)特點(diǎn)，忽略干擾因素才能快速發(fā)現(xiàn)和解決問題。

（三） 課后實(shí)踐與考核

教師發(fā)布項(xiàng)目實(shí)踐作業(yè)，建立相應(yīng)的、合理的考核機(jī)制，學(xué)生可以通過組隊(duì)的方式完成相關(guān)實(shí)踐任務(wù)、章節(jié)實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及項(xiàng)目答辯。這樣一是可以培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)，二是學(xué)生可以鞏固課堂中教師所講授的內(nèi)容，將課堂所學(xué)內(nèi)容學(xué)以致用，不斷提升專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)[7]。

五 結(jié)語

不同于思政課程，課程思政重在傳講授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，悄然融入思想政治教育元素。從“思政課程”走向“課程思政”是如今各高校面臨的一個(gè)重要課題，思想政治教育關(guān)乎到學(xué)校未來人才的培養(yǎng)方向[8]。

本文以《數(shù)字圖像處理》岡薩雷斯第三版教材數(shù)字圖像基礎(chǔ)的內(nèi)容為引，深入探討在工科課程中如何融入思想政治元素，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和使命感，以促進(jìn)研究生科研能力、實(shí)踐能力和整體素質(zhì)的全面提高[9]。

研究生是未來科研的中堅(jiān)力量，在順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的同時(shí)，學(xué)生要樹立正確的科學(xué)道德觀，提高自身科研水平和科學(xué)素養(yǎng)。青年興則國興，青年強(qiáng)則國強(qiáng)，作為新時(shí)代的優(yōu)秀青年，要腳踏實(shí)地、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)，撐起國家前途、挑起國家希望，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)習(xí)的中國夢而接續(xù)奮斗！