新工科背景下圖像處理改革與實(shí)踐探索
——以表情機(jī)器人體育教練項(xiàng)目為例

劉娜 萬里紅（.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院 上海 00093；.中原動(dòng)力智能機(jī)器人有限公司 河南 鄭州 450040）

1、新工科課程教學(xué)必要性

新型工程科學(xué)（簡稱新工科）是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新挑戰(zhàn)、全球競爭新局勢以及培養(yǎng)德才兼?zhèn)鋸?fù)合型人才的標(biāo)準(zhǔn)而提出的工程教育創(chuàng)新路徑。代表著我國積極應(yīng)對新一輪科技變革和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略性舉措，標(biāo)志著新時(shí)代下工程教育改革的新趨勢。新工科教育模式強(qiáng)調(diào)通過多學(xué)科和跨領(lǐng)域的融合，旨在塑造學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，著力于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，是未來科技發(fā)展和社會(huì)需求的新教育模式。當(dāng)代的工程技術(shù)專才需具備多學(xué)科知識(shí)結(jié)合的全面能力，在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)致力于跨領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐。

上海理工大學(xué)堅(jiān)持以培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞男鹿た茷槟繕?biāo)，致力于培育具備國際視野、深厚愛國情感、科學(xué)的思維方式、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和身心健康的優(yōu)秀工程技術(shù)人才。不斷嘗試工程道德教育的新范式，推動(dòng)新型工科教育的變革。于2023 年9 月成立卓越工程師學(xué)院，旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的工程人才，對于卓越工程師的培養(yǎng)則更需要新工科教育的支持，與新工科教育的理念是高度一致的。

2、體育領(lǐng)域內(nèi)智能教學(xué)現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)的趨勢顯示，體育領(lǐng)域正朝著數(shù)字化治理模式的轉(zhuǎn)變。這一模式的特點(diǎn)是政府主導(dǎo)、社會(huì)市場多元主體參與以及校企聯(lián)動(dòng)，這也意味著更加高效、精準(zhǔn)的管理方式和更廣泛的參與機(jī)會(huì)。

在數(shù)字中國建設(shè)的背景下，體育智慧化和數(shù)字化已經(jīng)成為體育發(fā)展的必經(jīng)之路。例如，在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練過程中，球追蹤問題和運(yùn)動(dòng)員行為識(shí)別問題等，都需要依靠先進(jìn)的人工智能技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以推斷運(yùn)動(dòng)員的意圖或行為模式；主要是通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等，對運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程進(jìn)行全方位的數(shù)字化管理和智能化分析。同時(shí)，電子設(shè)備、傳感器、機(jī)器人等技術(shù)也被廣泛地應(yīng)用，用于收集和分析運(yùn)動(dòng)員的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，從而更好地對訓(xùn)練過程和競技策略進(jìn)行評估。

目前，在許多體育項(xiàng)目中機(jī)器人教練得到了廣泛應(yīng)用，它可以更好地對運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作要領(lǐng)提出改進(jìn)方法，幫助運(yùn)動(dòng)員提升專業(yè)技能。基于大數(shù)據(jù)，通過人工智能算法的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合機(jī)械制造、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等技術(shù)對競技項(xiàng)目的特點(diǎn)進(jìn)行融合，這成為未來體育項(xiàng)目中的重點(diǎn)方向。其中，體育大數(shù)據(jù)作為一種新的研究領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注，這種趨勢使得體育領(lǐng)域逐漸進(jìn)入智能化的新時(shí)代，并為產(chǎn)業(yè)帶來了巨大變革。通過大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，包括數(shù)據(jù)的采集、分析和應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)了體育產(chǎn)業(yè)的智能化和精準(zhǔn)化。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人教練在體育訓(xùn)練中的應(yīng)用，需要將人工智能算法和運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)相融合。對于收集到的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)，機(jī)器人教練利用算法進(jìn)行分析，從而提供針對性的指導(dǎo)。機(jī)器人教練還可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的特點(diǎn)和需求，進(jìn)行訓(xùn)練計(jì)劃的量身定制，并提供實(shí)時(shí)的技術(shù)指導(dǎo)，幫助運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作。由于體育項(xiàng)目富有多樣性，有的項(xiàng)目注重反應(yīng)速度，有的則側(cè)重動(dòng)作和力量，這使得機(jī)器人應(yīng)該具備足夠的靈活性和精準(zhǔn)度，以適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的訓(xùn)練需求。

但是，由于經(jīng)濟(jì)原因?qū)е氯斯ぶ悄芗夹g(shù)在體育教學(xué)中的應(yīng)用仍處于探索和實(shí)驗(yàn)階段，無法得到普及和推廣。同時(shí)，相關(guān)政策和法律法規(guī)的欠缺，也為課程的普及帶來了諸多困難和風(fēng)險(xiǎn)，這些因素共同影響著人工智能技術(shù)在高校體育教學(xué)中的發(fā)展。舉例來說，由于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練過程具有復(fù)雜性和多樣性，對其動(dòng)作進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉并計(jì)算相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以提供反饋和指導(dǎo)對算法提出了極高的要求。此外，各種不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境也需要設(shè)備具備更高的穩(wěn)定性。另外，對于體育大數(shù)據(jù)的分析和處理也是至關(guān)重要的，需要提取有用的信息。這些問題需要得到解決，以促進(jìn)人工智能技術(shù)在高校體育教學(xué)中的應(yīng)用和推廣。因此，圖像處理等人工智能基礎(chǔ)課程的重要性也變得更加突出。

3、現(xiàn)有課程教學(xué)過程存在的問題

數(shù)字圖像處理是一門集理論與實(shí)踐于一體的綜合課程，在工科院系中占據(jù)著重要的課程地位。它是人工智能實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用最廣、成效顯著的基礎(chǔ)理論課程之一，隨著時(shí)代的發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，技術(shù)成果持續(xù)創(chuàng)新。基于該課程內(nèi)容所研發(fā)的技術(shù)成果多應(yīng)用于航空航天、公共服務(wù)、數(shù)據(jù)通訊、自動(dòng)化服務(wù)、數(shù)字娛樂、制造業(yè)、等軍事、生活和工業(yè)領(lǐng)域。

3.1、理論與實(shí)踐脫節(jié)

圖像處理課程融合了計(jì)算機(jī)學(xué)科與工程、電子工程、人工智能、數(shù)學(xué)以及數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域的知識(shí)內(nèi)容。實(shí)踐對于圖像處理課程的教學(xué)非常關(guān)鍵，跟實(shí)際項(xiàng)目的結(jié)合能夠更有利于學(xué)生更好地將理論與實(shí)踐結(jié)合，加深對基本理論的理解和感悟。目前，在圖像處理課程的教學(xué)過程中，存在一個(gè)主要問題，即過于注重理論知識(shí)的傳授，而忽視了實(shí)踐的內(nèi)容。盡管學(xué)生能夠在課堂上學(xué)習(xí)充足的理論知識(shí)，但由于該課程的特點(diǎn)，導(dǎo)致他們在實(shí)踐環(huán)節(jié)中缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)過于偏重理論教學(xué)，也減少了對學(xué)生動(dòng)手能力的鍛煉，使得學(xué)生缺乏項(xiàng)目實(shí)踐中解決問題的能力。為了解決這個(gè)問題，建議在課程教學(xué)過程中增加項(xiàng)目實(shí)踐的內(nèi)容，并最好與產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界進(jìn)行合作，以提供專業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)。通過這樣的方式，可以彌補(bǔ)當(dāng)前課程的不足之處，培養(yǎng)具有實(shí)際動(dòng)手能力的學(xué)生，使他們能夠在適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目中實(shí)踐所學(xué)的知識(shí)，從而使知識(shí)變得更加生動(dòng)起來。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，建議增設(shè)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提供充足的實(shí)驗(yàn)資源和設(shè)施支持，以確保學(xué)生能夠充分理解和體驗(yàn)圖像處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用場景中的功能和效果。同時(shí)，還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參與科研課題或大學(xué)生創(chuàng)新競賽活動(dòng)，以開拓學(xué)生視野，讓學(xué)生真正掌握和應(yīng)用圖像處理課程的理論和實(shí)踐技術(shù)。

3.2、學(xué)生對課程缺乏熱情

目前圖像處理課程存在學(xué)生對課程缺乏熱情、只是被動(dòng)接受知識(shí)的問題。造成這一問題的原因是多方面的，現(xiàn)有的課程只專注于知識(shí)的傳授，實(shí)驗(yàn)課時(shí)非常少，缺乏應(yīng)用實(shí)踐課程枯燥乏味，而實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)綜合能力的有效途徑，同時(shí)也有利于對理論教學(xué)進(jìn)行深入、延續(xù)和拓展。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和投入精力，需要采取多種措施來共同努力。例如，在教師授課方式中增加實(shí)踐和互動(dòng)環(huán)節(jié)，將課程的呈現(xiàn)方式結(jié)合視頻和多媒體，增加學(xué)生的實(shí)際操作環(huán)節(jié)等。同時(shí)，在課程設(shè)計(jì)和教學(xué)安排上也需要考慮學(xué)生的個(gè)人需求和興趣，根據(jù)圖像處理在不同行業(yè)的應(yīng)用方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)地參觀，如互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、機(jī)器人等。通過這些措施，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并使他們能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際場景中使他們能夠在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題并解決。以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的模式可以大大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還能夠提升他們的實(shí)際應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)更具競爭力的人才。

3.3、課程評價(jià)體系不夠完善

由于新工科對于的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求，需要對數(shù)字圖像處理進(jìn)行改革，主要集中于課程設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)、課程評價(jià)、學(xué)生管理等方面。主要目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升主動(dòng)性和創(chuàng)新性。在傳統(tǒng)的圖像處理課程中，其評價(jià)體系通常基于對學(xué)生進(jìn)行考試或課程論文的形式來對其理論知識(shí)掌握情況進(jìn)行考核，這會(huì)忽視對學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的考查。對于圖像處理課程來說也不夠全面，因?yàn)樵撜n程具有非常廣泛的應(yīng)用場景，需要學(xué)生具備實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新能力，才能更好地解決復(fù)雜的圖像處理問題，如圖像分割、圖像分類、形態(tài)學(xué)變換等。因此，需要建立一個(gè)更加完善的評價(jià)體系對學(xué)生的能力進(jìn)行評估，以更加全面、客觀地進(jìn)行評價(jià)。

4、項(xiàng)目課程設(shè)計(jì)

新工科模式下圖像處理在表情機(jī)器人中的應(yīng)用項(xiàng)目課程如表1 所示。

表1 新工科模式下圖像處理在表情機(jī)器人教練中的應(yīng)用項(xiàng)目課程安排

4.1、項(xiàng)目課程安排

在現(xiàn)有圖像處理課程缺乏實(shí)踐項(xiàng)目的不足下，我們通過結(jié)合表情機(jī)器人進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，旨在推動(dòng)學(xué)生對圖像處理的實(shí)際應(yīng)用和解決問題的能力。該課程內(nèi)容共包括五個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目供學(xué)生選擇，每個(gè)選題都基于當(dāng)下主流的計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法組成的，涵蓋了全部的圖像處理課程的內(nèi)容但又各有偏重點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣進(jìn)行選擇。通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，將能夠培養(yǎng)學(xué)生出色的動(dòng)手能力，軟硬件的結(jié)合方式也大大提高了學(xué)習(xí)興趣，在寓教于樂的過程當(dāng)中加深了對圖像處理課程的理解。通過這個(gè)基于表情機(jī)器人的課程設(shè)計(jì)，學(xué)生將不僅能夠獲得出色的實(shí)際操作能力，還能培養(yǎng)對實(shí)際問題的敏感度和理解能力，為他們未來在人工智能和情感計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2、課程考核

在新工科的大背景下，隨著人工智能技術(shù)的突飛猛進(jìn)，這使得傳統(tǒng)的圖像處理課程考核方式無法滿足新工科教育的新需求。圖像處理傳統(tǒng)的考核方式是以考試成績作為評估成績的主要依據(jù)，無法考查學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。為了與時(shí)俱進(jìn)，提高教學(xué)質(zhì)量，我們引入了一種全新的考核方式。旨在更全面地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，準(zhǔn)確衡量學(xué)生的真實(shí)水平。

在現(xiàn)有的實(shí)物機(jī)器人上面，通過公開和自制數(shù)據(jù)集的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練影像作為算法研發(fā)的數(shù)據(jù)，課程主要內(nèi)容為研發(fā)智能機(jī)器人教練的輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。該項(xiàng)目課程的考核方式共包括以下四個(gè)方面：

（1）項(xiàng)目成果展示：根據(jù)課程安排中的五個(gè)選題，學(xué)生依據(jù)個(gè)人興趣選擇感興趣的題目，需要完成相應(yīng)的演示要求并進(jìn)行實(shí)物展示。形式可參考創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的路演方式，每組準(zhǔn)備一份詳細(xì)的報(bào)告進(jìn)行匯報(bào)，不僅需要展示設(shè)計(jì)對應(yīng)的算法，還需在表情機(jī)器人上進(jìn)行對應(yīng)的功能展示。例如，如果選題是表情模仿，學(xué)生需要演示機(jī)器人如何通過攝像頭捕捉人類面部表情并繪制出檢測到的關(guān)鍵點(diǎn)信息，并對不同表情進(jìn)行識(shí)別和模仿；

（2）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：學(xué)生需撰寫一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，詳細(xì)描述他們在項(xiàng)目中所使用的圖像處理方法、數(shù)據(jù)集以及編程實(shí)現(xiàn)過程等。報(bào)告還應(yīng)包括依據(jù)主流評價(jià)指標(biāo)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析和討論，以及對機(jī)器人性能的評估和改進(jìn)方向的展望。例如，如果選題是手語識(shí)別，則需詳細(xì)解釋其原理和流程圖繪制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分則應(yīng)呈現(xiàn)如準(zhǔn)確率、召回率等評估指標(biāo)，并對模型的性能進(jìn)行對比分析；

（3）項(xiàng)目演示與答辯：每組學(xué)生均需進(jìn)行項(xiàng)目演示和答辯，演示內(nèi)容包括介紹項(xiàng)目背景、技術(shù)路線、算法內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，并進(jìn)行系統(tǒng)功能演示，同時(shí)回答老師提出的問題。假如選題是動(dòng)作識(shí)別和模仿，學(xué)生需要詳細(xì)介紹所采用的技術(shù)路線，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析階段，需展示詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和評價(jià)指標(biāo)。該考核方式著重考查學(xué)生在圖像處理算法的專業(yè)能力和創(chuàng)新思維以及表達(dá)能力等；

（4）團(tuán)隊(duì)合作評價(jià)：每組選題都是以團(tuán)隊(duì)合作的形式進(jìn)行的，因此需要對團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行評估，包括協(xié)作能力、任務(wù)分工和解決問題的能力等內(nèi)容。該考核方式有助于評估團(tuán)隊(duì)合作能力，如硬件開發(fā)與軟件編程、數(shù)據(jù)采集和標(biāo)注、模型訓(xùn)練與優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)討論與分析、項(xiàng)目報(bào)告制作等工作內(nèi)容的合作。

5、結(jié)論

傳統(tǒng)的圖像處理課程往往以理論教學(xué)為主，缺乏對實(shí)踐能力的考核，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完課程之后也難以將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用，對課程也隨之失去了興趣。本文對傳統(tǒng)圖像處理課程中存在的諸多問題進(jìn)行全面分析，并以表情機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)踐課程為例展示了項(xiàng)目課程的主要內(nèi)容，讓學(xué)生親自動(dòng)手操作機(jī)器人完成各種任務(wù)，加深對圖像處理課程的理解和掌握。還針對體育領(lǐng)域內(nèi)的智能教練研發(fā)項(xiàng)目，提出新的課程考核方式，通過三個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行綜合評估，希望為新工科背景下圖像處理課程的教學(xué)改革提供一些新的思路。