科研轉(zhuǎn)化教學(xué)

楊秋菊 劉麗麗

摘? 要：全面推進(jìn)新工科建設(shè)的大背景對(duì)高校人才培養(yǎng)提出了更高的要求。該文在分析數(shù)字圖像處理課程現(xiàn)有教學(xué)模式弊端的基礎(chǔ)上，精心構(gòu)建典型工程案例輔助理論教學(xué)，探討將最新的科研技術(shù)和方法融入課堂教學(xué)，并在教學(xué)過(guò)程中融入思政教育。介紹部分工程案例的具體內(nèi)容、涉及的知識(shí)點(diǎn)、課程思政元素，并以其中的硨磲熒光圖像預(yù)處理案例為例，詳細(xì)說(shuō)明案例的具體構(gòu)建過(guò)程及呈現(xiàn)形式。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果顯示，引入案例化教學(xué)后學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，學(xué)生的科研素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力也得到顯著提升，結(jié)合案例實(shí)際的課程思政設(shè)計(jì)有利于“全方位育人”的目標(biāo)達(dá)成。

關(guān)鍵詞：新工科;數(shù)字圖像處理;案例教學(xué);課程建設(shè);課程思政

中圖分類(lèi)號(hào)：G641? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）01-0180-04

Abstract： The background of comprehensively promoting the construction of new engineering puts forward higher requirements for the cultivation of talents in universities. Based on the analysis of the shortcomings of the existing teaching mode of Digital Image Processing course， this article carefully constructs typical engineering cases to assist theoretical teaching， discusses the integration of the latest scientific research techniques and methods into classroom teaching， and integrates the ideological education in the teaching process. The paper introduces the specific contents of some engineering cases and the knowledge points involved. Taking the tridacna fluorescence image preprocessing as an example， the construction process and presentation are introduced in detail. The teaching practice results show that the introduction of case-based teaching has significantly increased students' interests in learning， and has also significantly improved their research skills， innovation， practical skills and comprehensive application skills. Combining the actual case with the curriculum political design is conducive to achieving the goal of "comprehensive education".

Keywords： new engineering; Digital Image Processing; case teaching; course construction; curriculum politics

為響應(yīng)《教育部高等教育司2023年工作要點(diǎn)》中“加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科人才培養(yǎng)，著力造就拔尖創(chuàng)新人才”和“強(qiáng)化交叉融合再出新，深入推進(jìn)新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)，引領(lǐng)帶動(dòng)高等教育提質(zhì)創(chuàng)新發(fā)展”等精神，高校應(yīng)持續(xù)對(duì)工科類(lèi)課程進(jìn)行教學(xué)研究與改革。目前，高校人才培養(yǎng)面臨著眾多挑戰(zhàn)：一方面，教學(xué)與科研脫節(jié)，學(xué)生的創(chuàng)新能力難以保證;另一方面，理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生綜合應(yīng)用能力不強(qiáng);此外，課程思政融入方式及融入深度均有待提升[1]。

數(shù)字圖像處理是信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等學(xué)科的重要研究方向及業(yè)務(wù)內(nèi)容之一，也是信息科學(xué)中發(fā)展最快的熱點(diǎn)研究方向。其不僅涉及專(zhuān)深的基礎(chǔ)理論，而且與工程實(shí)踐密切相關(guān)，同時(shí)具有極其廣闊的探索空間。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展及教學(xué)改革的不斷深入，舊版的《數(shù)字圖像處理》教材和傳統(tǒng)的課堂理論講授模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足教育教學(xué)的需求，國(guó)內(nèi)高校紛紛開(kāi)展教學(xué)改革，如設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、綜合、開(kāi)放等不同層次的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2-3]，增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)量突出工程實(shí)踐[4]，引入最新機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)[5]，引入案例化教學(xué)[6-8]，將思政教育融入課程教學(xué)[9-10]等，并取得了不錯(cuò)的效果。

本文從師范院校的人才培養(yǎng)出發(fā)，充分利用任課教師團(tuán)隊(duì)的科研成果和前沿專(zhuān)業(yè)賽事，構(gòu)建數(shù)字圖像處理工程化教學(xué)案例，將最新的科研技術(shù)和方法融入課堂教學(xué)，實(shí)施課程教學(xué)改革。案例教學(xué)是以學(xué)生為中心，通過(guò)呈現(xiàn)案例場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，在實(shí)踐中提高學(xué)生的綜合能力。同時(shí)，為了更好地發(fā)揮專(zhuān)業(yè)課程的育人作用，結(jié)合案例內(nèi)容在教學(xué)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)融入思政元素，切實(shí)開(kāi)展課程思政，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值塑造有機(jī)融合，旨在培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞膶?zhuān)業(yè)技能人才。

一? 數(shù)字圖像處理國(guó)內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀

數(shù)字圖像處理課程主要講授計(jì)算機(jī)圖像處理的基本原理、典型方法和應(yīng)用實(shí)踐，具體包括數(shù)字圖像的基礎(chǔ)、圖像變換域處理、圖像增強(qiáng)、圖像分割、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、圖像復(fù)原與重建、圖像壓縮與編碼、圖像特征提取和模式識(shí)別等內(nèi)容。該課程是一個(gè)理論學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐并重的課程，不僅概念多，理論性強(qiáng)，同時(shí)與日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的具體應(yīng)用直接相關(guān)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、通信、工業(yè)、醫(yī)學(xué)及軍事公安等領(lǐng)域。目前，數(shù)字圖像處理的教學(xué)模式依然以課堂講授為主，教師借助幻燈片講解相關(guān)理論和知識(shí)，學(xué)生參與度低，課堂效果一般;且本課程側(cè)重于工程應(yīng)用與實(shí)踐，完全采用課堂講授難以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。此外，很多學(xué)校采用的數(shù)字圖像處理的教材是2010年左右出版，已經(jīng)跟不上日新月異的技術(shù)發(fā)展，比如如火如荼的深度學(xué)習(xí)。這導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將熱門(mén)的數(shù)字圖像應(yīng)用（如戴口罩人臉識(shí)別、美顏相機(jī)等）與課堂理論建立聯(lián)系，最終導(dǎo)致課堂教學(xué)理論性強(qiáng)、應(yīng)用性差，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，將理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力得不到鍛煉。

本文提出以科教融合、產(chǎn)教融合、思政融合的育人觀為指導(dǎo)，將教師科研成果（包括理論成果、技術(shù)成果、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成果等）轉(zhuǎn)化成教學(xué)案例，課堂教學(xué)既有基礎(chǔ)理論，又有當(dāng)前國(guó)際前沿發(fā)展及典型案例演示，學(xué)生既能“耳聽(tīng)”，又能“目染”。在教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)案例內(nèi)容將思政元素融入課程的細(xì)微處，實(shí)現(xiàn)全程育人和全方位育人，完成立德樹(shù)人的根本任務(wù)。通過(guò)課堂案例教學(xué)不僅使學(xué)生掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決前沿問(wèn)題的能力。在綜合實(shí)驗(yàn)和課程大作業(yè)環(huán)節(jié)，學(xué)生需要通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)案例內(nèi)容，在實(shí)踐應(yīng)用中將知識(shí)融會(huì)貫通，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

二? 工程化教學(xué)案例的構(gòu)建

數(shù)字圖像處理作為機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別、遙感圖像處理與識(shí)別、醫(yī)學(xué)圖像處理、視頻編碼與處理等方向的基礎(chǔ)知識(shí)，綜合了計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、光學(xué)及信號(hào)處理等領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)及相近專(zhuān)業(yè)的一門(mén)綜合性專(zhuān)業(yè)課，對(duì)培養(yǎng)綜合性人才大有裨益。該課程與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，教學(xué)內(nèi)容豐富，在構(gòu)建工程案例時(shí)應(yīng)該兼顧前沿性、系統(tǒng)性、專(zhuān)業(yè)性、工程性和普遍性等準(zhǔn)則，選擇當(dāng)下熱門(mén)的應(yīng)用需求和場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用水平，提高學(xué)生的動(dòng)手能力并培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)踐問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)和設(shè)計(jì)能力。

按照上述準(zhǔn)則，結(jié)合任課老師的科研方向，我們共構(gòu)建了十個(gè)典型案例，基本涵蓋了數(shù)字圖像處理的基本理論和主流任務(wù)。表1列出了其中五個(gè)案例的案例名稱(chēng)、案例內(nèi)容、涉及的知識(shí)點(diǎn)及思政內(nèi)容，以此來(lái)說(shuō)明我們案例的構(gòu)建過(guò)程和特點(diǎn)。

具體地，每個(gè)教學(xué)案例包括案例來(lái)源、案例內(nèi)容、涉及的知識(shí)點(diǎn)、算法流程、算法源代碼和思政元素等，其中算法源代碼主要由Matlab或Python來(lái)實(shí)現(xiàn)。以表1中硨磲熒光圖像預(yù)處理為例：在案例引入時(shí)，先討論厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象等極端天氣現(xiàn)象給人類(lèi)造成的巨大影響，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，繼而引入硨磲這種研究全球氣候變化的載體。硨磲熒光圖像預(yù)處理的具體流程如圖1所示。其輸入原始圖像為圖1（a）;圖1（b）是使用直方圖均衡法進(jìn)行圖像增強(qiáng)，以改善圖像較暗的情況;圖1（c）是使用PatchCore算法[11]，對(duì)硨磲熒光圖像中較大異常區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)異常檢測(cè)，得到包含異常區(qū)域的不規(guī)則mask;圖1（d）是利用PEN-Net方法[12]，根據(jù)硨磲熒光圖像的上下文信息對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行圖像復(fù)原;圖1（e）是利用無(wú)監(jiān)督深度生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)[13]生成的硨磲熒光圖像;圖1（f）是對(duì)圖1（e）二值化后的結(jié)果。我們對(duì)整個(gè)案例的算法核心代碼提供了必要的解釋說(shuō)明，包括案例介紹、涉及的知識(shí)點(diǎn)、算法名字，并對(duì)算法的運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)等做了充分的說(shuō)明，引導(dǎo)學(xué)生去實(shí)現(xiàn)案例，理解和應(yīng)用數(shù)字圖像處理算法。整個(gè)過(guò)程側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用理論、系統(tǒng)考慮問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。而且在案例設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到因材施教的原則，既有統(tǒng)一性，又有多樣性：每個(gè)學(xué)生都能根據(jù)自己的能力，達(dá)到不同程度，比如本案例中的圖像生成這一步比較難，學(xué)生可以根據(jù)自己的水平選擇性完成。

三? “案例+思政”融合教學(xué)實(shí)踐

本案例聚焦硨磲熒光圖像預(yù)處理這一問(wèn)題，課程思政主要包括三點(diǎn)：①案例引入時(shí)，帶領(lǐng)學(xué)生討論近年頻出的極端天氣（如干旱、高溫、暴雨輪番上演等）對(duì)人類(lèi)的影響，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感;②介紹中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所晏宏研究員在氣候變化領(lǐng)域的成就，通過(guò)青年榜樣的力量引導(dǎo)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)、趕超學(xué)術(shù)前沿;③在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，并培養(yǎng)創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)合作精神及工匠精神。

在引入案例化教學(xué)之前，學(xué)生常常通過(guò)課堂聽(tīng)講、課后習(xí)題作業(yè)，以及演示/驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成整個(gè)課程教學(xué)。構(gòu)建典型教學(xué)案例后，學(xué)生提前預(yù)習(xí)和研究案例內(nèi)容，課堂上教師組織學(xué)生將案例拆解成多個(gè)子任務(wù)、分析各子任務(wù)涉及的知識(shí)點(diǎn)、并給學(xué)生演示各子任務(wù)的結(jié)果示例（圖1），最后學(xué)生自由組隊(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)案例內(nèi)容。具體地，本案例在教學(xué)過(guò)程中采用美國(guó)神經(jīng)病學(xué)教授Howard Barrows 提出的“基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)”（Problem-Based Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)PBL）教學(xué)-學(xué)習(xí)模式來(lái)完成，該教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心、以老師為主導(dǎo)，問(wèn)題是該教學(xué)模式的軸心[14]。主要包括如下步驟。

課前自學(xué)。學(xué)生根據(jù)案例內(nèi)容自主查閱最新論文，了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，知道研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

課堂討論。將硨磲熒光圖像預(yù)處理拆解為數(shù)字圖像處理的典型任務(wù)，包括圖像增強(qiáng)、異常區(qū)域檢測(cè)、圖像復(fù)原、圖像生成及圖像二值化等，討論每個(gè)子任務(wù)可行的解決方案。

自由組隊(duì)。建議3人一組，分別負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研、編程、理論研究等。

自主完成實(shí)驗(yàn)。根據(jù)前面的學(xué)習(xí)和討論，每個(gè)組自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，編程完成實(shí)驗(yàn)。

小組匯報(bào)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等進(jìn)行小組匯報(bào)和組間PK。

綜合評(píng)價(jià)。包括自評(píng)、互評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)，如實(shí)驗(yàn)任務(wù)和關(guān)鍵問(wèn)題是否得到解決？實(shí)驗(yàn)過(guò)程中組員間合作如何？研究方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果有沒(méi)有問(wèn)題？

采用PBL案例教學(xué)和問(wèn)題驅(qū)動(dòng)/任務(wù)驅(qū)動(dòng)的小組合作教學(xué)模式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、自主學(xué)習(xí)能力、合作能力和創(chuàng)新能力。

在學(xué)生的考評(píng)環(huán)節(jié)，現(xiàn)有模式主要依據(jù)是期末考試成績(jī)，通常占比70%～80%;而占比20%～30%的平時(shí)考核成績(jī)主要依據(jù)的是考勤、課后習(xí)題作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，平時(shí)成績(jī)很難拉開(kāi)差距;這種考核方式很難反映出學(xué)生的綜合能力。引入“案例+思政”后，平時(shí)成績(jī)比例增大至50%，其中課程大作業(yè)占比25%，主要考查評(píng)估學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用能力，具體包括算法設(shè)計(jì)、代碼實(shí)驗(yàn)、報(bào)告撰寫(xiě)和匯報(bào)答辯等部分;平時(shí)成績(jī)的另外25%主要考察學(xué)生的課堂表現(xiàn)（10%）、實(shí)驗(yàn)課表現(xiàn)（10%）及作業(yè)情況（5%）。針對(duì)課程思政，主要考查學(xué)習(xí)態(tài)度、在團(tuán)隊(duì)中的表現(xiàn)等。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)對(duì)概念和原理的理解而不是死記硬背，培養(yǎng)獨(dú)立思考和獨(dú)立解決相關(guān)工程問(wèn)題的能力。值得一提的是，雖然在考核方式上來(lái)單獨(dú)體現(xiàn)課程思政部分，但其實(shí)已經(jīng)將其融入課程全過(guò)程，包括通過(guò)課堂測(cè)試強(qiáng)化學(xué)生的公平公正意識(shí)，通過(guò)小組合作強(qiáng)化學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、誠(chéng)實(shí)守信的工作態(tài)度，精益求精的科研精神，以及一榮俱榮的集體榮譽(yù)感。

總之，通過(guò)案例教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)如何對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行綜合處理、分析和應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生了解相關(guān)研究方向的前沿技術(shù)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力;通過(guò)思政教學(xué)，發(fā)揮課堂育人的主渠道作用，落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)。

四? 教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)在2個(gè)班級(jí)的教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，相比之前傳統(tǒng)教學(xué)，“案例+思政”融合教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果。一方面，學(xué)生的新工科素養(yǎng)提到了很大的提升，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、理論水平、動(dòng)手能力及文獻(xiàn)調(diào)研能力等均有了明顯改善，學(xué)生的視野得到了有效拓寬，對(duì)本門(mén)課的理解和認(rèn)識(shí)有了很大提升。通過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，給定一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，比如設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，大多數(shù)同學(xué)都能通過(guò)分析問(wèn)題、查閱資料、獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并最終完成實(shí)驗(yàn)。另一方面，學(xué)生探索未知、追求真理的好奇心大大增強(qiáng);培養(yǎng)了批判質(zhì)疑、縝密分析的科學(xué)思維和科學(xué)方法;樹(shù)立了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度和規(guī)則意識(shí)，創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)見(jiàn)長(zhǎng);強(qiáng)化了學(xué)以致用、學(xué)習(xí)報(bào)國(guó)的理念，民族使命感和社會(huì)責(zé)任感大大增強(qiáng)。

五? 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)與科研的關(guān)系相輔相成，“教而不研則淺，研而不教則空”。當(dāng)前科技發(fā)展迅速，只有將教師優(yōu)秀的科學(xué)成果轉(zhuǎn)換為教學(xué)資源，才能滿(mǎn)足人才培養(yǎng)的需求。文章通過(guò)將科研新技術(shù)融入課堂教學(xué)并將科研新成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，精心設(shè)計(jì)了數(shù)字圖像處理工程案例，并結(jié)合案例內(nèi)容挖掘思政元素，在課程教學(xué)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)思政育人。教學(xué)實(shí)踐表明，與日常生活和專(zhuān)業(yè)賽事相關(guān)、兼具學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值的工程案例能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的求知欲;采用基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)和小組分工的PBL教學(xué)法可以強(qiáng)化學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題及團(tuán)隊(duì)合作的能力;立足學(xué)術(shù)前沿，有利于學(xué)生科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升;思政元素的引入，使教學(xué)更加人性化，有助于全面落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)。

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第一作者簡(jiǎn)介：楊秋菊（1986-），女，漢族，湖南岳陽(yáng)人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)。