人工智能教育背景下研究生數(shù)字圖像處理課程思政教學探究

徐 艷，胡順波，魏紅光

（1.臨沂大學信息科學與工程學院，山東 臨沂 276000；2.臨沂市教育局，山東 臨沂 276000）

0 引言

人工智能，應該說是一項引領未來趨勢的新興戰(zhàn)略性技術(shù)，世界各國領導人當前都高度重視人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2018年4月，教育部發(fā)布《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，重點提出“引導高校通過增量支持和存量調(diào)整，加大人工智能領域人才培養(yǎng)力度”[1]。高校一直是處于科技創(chuàng)新第一要素生產(chǎn)力、人才培育第一資源、創(chuàng)新成果第一核心動力之間的三個結(jié)合點，必須能夠緊緊把抓住機遇發(fā)展，為今后我國的人工智能行業(yè)的全面創(chuàng)新持續(xù)發(fā)展提供強大科技智力與高水平人才力量的支撐。

在2016年的全國高校思想政治工作會議中，習近平總書記強調(diào)：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[2]。”中國共產(chǎn)黨歷來重視以德育人、以德治教，“立德樹人”要貫穿于教育的各個階段。因此，在高校中，不僅本科生要實現(xiàn)課程思政全覆蓋，研究生也要實施課程思政。隨著培養(yǎng)規(guī)模逐步擴大，我國高等教育中研究生群體也越來越大，在研究生課程中開展課程思政非常有必要。

近年來,隨著一些人工智能技術(shù)逐步被人們應用拓展到諸如醫(yī)療及輔助健康診斷、智能終端、智能機器人應用等的多個新領域，人工智能已經(jīng)與很多學科都有了很大深度的相互交叉融合[3]。人工智能的很多技術(shù)比如醫(yī)學影像AI輔助診斷就是基于醫(yī)學影像處理與分析的。因此，為了培養(yǎng)當今人工智能時代浪潮下所需的品德優(yōu)良、具備深度專業(yè)能力和創(chuàng)造力的高素質(zhì)研究生人才，就需要對現(xiàn)有的研究生數(shù)字圖像處理課程教學內(nèi)容安排和基本的教學手段進行根本性改革，融入新思政文化元素，教學方式探索也已經(jīng)日漸成為我校研究生在教學管理及學生培養(yǎng)管理工作中面臨一項較為緊迫重大的任務。

1 數(shù)字圖像處理課程思政教學思路

高等教育的目標是培養(yǎng)時代需求的人才。在人工智能教育背景下，怎樣從道德修養(yǎng)和知識傳授并重的方向來培養(yǎng)人是高校所有課程教學都必須深思的問題。

目前，臨沂大學正在進行人工智能專業(yè)建設，并計劃積極組織推進學校新興工科領域與現(xiàn)代新醫(yī)科領域融合體系建設。在此專業(yè)背景支持下，作為一個電子信息技術(shù)相關學科專業(yè)的在校碩士研究生學習的專業(yè)課程數(shù)字圖像處理在教學內(nèi)容上是圍繞“醫(yī)學圖像處理”的知識架構(gòu)和算法系統(tǒng)框架構(gòu)建，整合了第二、三、四、五、七、十章共六章的教學內(nèi)容和核心知識點，設計綜合性算法教學應用案例；結(jié)合近年來該研究領域中相關學者最新成果研究，著重在強調(diào)醫(yī)學圖像的處理應用在現(xiàn)代臨床醫(yī)學影像。能快速有效的為臨床精準診斷手術(shù)方案和介入治療技術(shù)提供相關專業(yè)基礎知識,有著相對較強的工程實用性。還能為現(xiàn)今熱門的人工智能影像診斷和讀片分析提供基礎知識，比如人工智能輔助診斷新冠肺炎系統(tǒng)。以國家關于“新一代人工智能”的中長期規(guī)劃等為信息媒介，激發(fā)我校學生極大潛能的創(chuàng)新實踐和學習實踐新動力；將眾多的國內(nèi)外新技術(shù)、新產(chǎn)品引入課堂，提升案例的時代性和挑戰(zhàn)性，并剖析算法原理，回歸課程知識點，幫助廣大學生在實踐中輕松快速找到方法和獲得學習“歸屬感”；以學術(shù)會議、學術(shù)論文、任務驅(qū)使的項目教學等方式，促進學生自主學習，提升學生的認知能力興趣，讓大多數(shù)學生在實踐學習中有獲得感，成為合格的中國特色社會主義的建設者和接班人。

2 思政教學設計

在課程思政教學中，案例的選取要合情合理、打動人心，只有觸動到學生才能達育人的效果。這就需要教師注重平時發(fā)現(xiàn)和積累。臨沂大學研究生的數(shù)字圖像處理課程以嬰幼兒自閉癥預測、肺結(jié)節(jié)檢測和識別、腦部腫瘤檢測和識別等案例，啟發(fā)學生自主學習關鍵技術(shù)和算法，跨章節(jié)綜合知識點，構(gòu)建醫(yī)學影像預處理系統(tǒng)，如圖1所示。從人工智能輔助檢測阿茲海默癥關聯(lián)課程思政，幫學生樹立科技要為人民大眾利益服務的理念，激發(fā)學生的家國情懷、時代責任、歷史使命，幫助他們進一步地樹立更積極和正確樂觀向上的三觀意識。本課程可以考慮從以下三個方面入手來進行思政教學設計。

圖1 教學設計

（1）以熱點案例為“引”：比如，拋出《我的姐姐》等電影情節(jié)，以重男輕女引起的婚姻問題、社會問題激發(fā)學生對案例的關注度；接著引出在中國每年通過非法醫(yī)學鑒定性別有不少于30000名女嬰胎兒被打掉[4]。同時，中國目前面臨著極其嚴重的男女比例結(jié)構(gòu)失調(diào)，在截至2021年統(tǒng)計里達到最低結(jié)婚年齡標準的單身男子就已經(jīng)遠遠比女子多出了1800萬。由此引申到男女平等、人人平等思政元素。有些人沒有人道主義精神，借助B超檢查鑒別胎兒性別，只看重家族與個人利益，把社會利益拋一遍。女孩也能為國爭光、為家添彩，可舉出朱婷、谷愛凌的例子。由醫(yī)學鑒別胎兒性別案例，啟發(fā)學生醫(yī)學圖像分類知識，最終聯(lián)系到知識點──分類器的設計。

（2）以項目教學為“支撐”：從國家“新一代人工智能”領域?qū)θ瞬呕A理論的高要求出發(fā)，提出學習圖像預處理算法的重要性；并以阿茲海默癥AI輔助診斷項目為例，對數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、網(wǎng)絡搭建、特征提取、損失函數(shù)計算、系統(tǒng)調(diào)試和過程分析等技術(shù)進行過程可視化講解，展示給學生一個可觸及、可設計、可創(chuàng)新、可分解、可綜合的阿茲海默癥AI輔助診斷系統(tǒng)。通過播放電影《困在時間里的父親》片段，讓我們意識到盡早檢測出阿茲海默癥并及時進行干預的重要性。目前，治療阿爾茨海默病的方法有限，我們所能做好的就是預防。目前，在臨床醫(yī)學上，大多數(shù)阿茲海默癥病人被確診時已處于晚期。而新一代人工智能技術(shù)能夠通過提供早期預警來幫助病人進行早期干預。由此，可幫學生進一步樹立科技要為人民大眾利益服務的理念，要有科技強國之意識，激勵廣大研究生們走科技報國之路。

（3）以翻轉(zhuǎn)課堂和學生項目質(zhì)量為“評教”：把主動權(quán)交給學生，以“強國有我”鼓勵學生根據(jù)案例自主策劃選題、自行進行項目調(diào)試設計，老師給予必要的指導，并要求在調(diào)試過程中做到逐步調(diào)參、優(yōu)化再創(chuàng)新，培養(yǎng)他們主動學習的能力和激發(fā)他們的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，塑造學生大國工匠素養(yǎng)；設立前沿論文講解、項目設計、小組匯報等分項目標考核評估機制，培養(yǎng)學生獨立查閱文獻的能力和團隊協(xié)作能力。

通過參加學術(shù)會議、閱讀學術(shù)論文的線上線下自主學習[3]、項目案例的講解設計和翻轉(zhuǎn)課堂將思政育人、知識傳授、技能培養(yǎng)和雙創(chuàng)培育有機結(jié)合在教學實施過程中。以思政引領價值塑造，以熱點案例引導知識目標，以項目教學促進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，以考評機制激發(fā)能力目標。預期教學成效：能夠在實踐中逐步培養(yǎng)學生攻堅克難的拼搏意志，在熱點應用的激發(fā)下，能夠通過現(xiàn)象看本質(zhì)，掌握圖像預處理算法及其綜合應用，激發(fā)學生的愛國情感，培養(yǎng)學生求真務實的工作嚴謹態(tài)度和逐步樹立正確的科學觀念。

3 教學實施

3.1 教學模式

（1）在知識結(jié)構(gòu)上，由項目任務拋出基本理論的學習，再轉(zhuǎn)向應用和算法分析，再回歸到項目任務上來，循序邁進；在教學內(nèi)容上，由實際案例向融入實景和思政元素進行改革，引導知識模塊的有機整合，逐步實現(xiàn)案例和模塊化教學的結(jié)合，采用任務驅(qū)動的教學方法，不僅使研究生了解到數(shù)字圖像處理的具體應用及與其他學科的交叉融合，還拓寬了學生的研究思路和方向，激發(fā)了學生知識系統(tǒng)化、精益求精的學術(shù)素養(yǎng)。臨沂大學研究生開設的“數(shù)字圖像處理”課程，依托智能計算團隊和國家面上項目“基于結(jié)構(gòu)回歸森林估計形態(tài)和灰度嬰幼兒腦部核磁共振圖像非剛體配準研究”，將課程內(nèi)容與醫(yī)學影像進行了交叉融合。

（2）在自主學習和翻轉(zhuǎn)課堂方面，考查學生線上課程的自學情況、參加學術(shù)會議的情況和前沿論文的閱讀情況。以“科技強國”為內(nèi)在動力、“翻轉(zhuǎn)課堂和評價機制”為外在動力，通過自主學習，可使他們很快能夠了解認識到數(shù)字圖像處理技術(shù)就是人工智能時代的“眼睛”，可與很多學科進行交叉融合。這種教學方式不僅能快速培養(yǎng)研究生主動查閱文獻資料和批判性閱讀高水平學術(shù)論文的學習能力，還能在實踐中進一步拓寬自身學術(shù)知識面、調(diào)動自主學習的主動性意識和勇于探索科學研究的精神。如由《等著我》電視欄目想到，從和諧社會到拐賣人口問題再到網(wǎng)絡照片尋親再抽象到圖像處理算法最后上升到課程素養(yǎng)目標，在潛移默化中讓他們養(yǎng)成居安思危、勇于攀登科技高峰的信念[5]。

（3）小組項目匯報。從思政的角度，以實例或?qū)嶋H應用場景視頻、故事開場打開教學過程。啟發(fā)學生針對場景抽象到圖像處理算法上去，然后進行系統(tǒng)功能設計。小組匯報設計和系統(tǒng)功能實現(xiàn)，演示實操結(jié)果。通過小組匯報的方式，讓學生有獲得感，同時也培養(yǎng)了學生團隊協(xié)作的精神。

3.2 信息化平臺

平臺選用智慧樹、雨課堂、騰訊會議等。智慧樹，用于線上討論、發(fā)布任務、了解學生課下自主學習情況等；學生通過共享自錄授課視頻預習知識點和進行項目設計等。雨課堂+騰訊會議用于直播答疑、熱點討論、翻轉(zhuǎn)課堂等。智慧樹系統(tǒng)中，學生通過線上完成預習和自主學習完成率近100%。騰訊會議中，學生積極參與課堂討論，隨堂提問答題準確率較高，對知識點的實際應用非常感興趣。個別學生課堂表現(xiàn)不佳，專注力弱、課堂沉默，需要考慮應對和改善的有效策略。

3.3 混合式教學設計

課程立足于立德樹人的根本教育任務，采用“閱讀前沿文章+問題討論、熱點思政+技術(shù)提煉、案例實操+項目設計、分項考核+持續(xù)改進”相結(jié)合的線上線下混合式教學方法。如圖2所示。

圖2 混合式教學設計

4 結(jié)語

在當前人工智能時代的背景下，國家對應用型研究生人才的培養(yǎng)提出了更高的要求[6]。作為應用型研究生課程“數(shù)字圖像處理”面向新一代人工智能領域，立足于立德樹人，遵循工程認證理念，將知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造和創(chuàng)新意識緊密融入課程教學全過程。我們要在前沿技術(shù)發(fā)展和當下社會熱點話題中充分挖掘?qū)W科知識點，整合教學內(nèi)容，用實景故事引導學生要居安思危，關注專業(yè)領域前沿，培養(yǎng)學生切實具備發(fā)現(xiàn)問題、解決復雜疑難問題的決心和毅力。同時，我們還要持續(xù)挖掘完善課程思政案例，不斷拓展優(yōu)化，圍繞立德樹人，培養(yǎng)學生課下自主學習、項目設計和課上熱點思政引導、項目案例講解、翻轉(zhuǎn)課堂、小組匯報等方式，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊意識。臨沂大學數(shù)字圖像處理課程團隊成員積極參加思政課程培訓，不斷進行課程思政教學探索，在社會熱點和國內(nèi)外科學技術(shù)成果中，持續(xù)挖掘典型思政教學案例，將“價值塑造、知識目標、能力目標和雙創(chuàng)培育”四位一體的理念貫穿于課程教學始末。

課程思政教育建設體系作為一項長期的系統(tǒng)工程，目前全國范圍仍處于起步和建設階段。如何真正做到合理地、有效地、科學地根據(jù)專業(yè)知識制定合適的課程思政內(nèi)容，還需我們不斷地去深入探索與交流學習。面向臨沂大學高水平應用型人才培養(yǎng)定位，在日常的教學中，我們既要提升研究生群體的專業(yè)技能[7]，又要注重學生思想教育的引領，培養(yǎng)出專業(yè)水平高的、素質(zhì)過硬的合格的應用型人才。