基于“OBE理念”和“多元驅(qū)動式”的本科生計(jì)算機(jī)視覺課程建設(shè)

蔡慧英

［摘 要］文章針對當(dāng)前本科生計(jì)算機(jī)視覺課程不能滿足快速發(fā)展的視覺智能需求的問題，分析了計(jì)算機(jī)視覺課程的特點(diǎn)和教學(xué)要求，基于OBE理念，依據(jù)本科生對知識點(diǎn)的接受程度，設(shè)計(jì)了包含計(jì)算機(jī)視覺基本原理、數(shù)字圖像處理、2D計(jì)算機(jī)視覺、3D計(jì)算機(jī)視覺四個模塊的課程體系構(gòu)建方案，并從計(jì)算機(jī)視覺課程教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，闡述了課程教學(xué)目標(biāo)建設(shè)、課程體系和教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)、評價(jià)體系建設(shè)、教學(xué)模式建設(shè)、課程質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的措施，以期多元化全方位進(jìn)行課程建設(shè)。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算機(jī)視覺；課程建設(shè)；OBE理念；視覺智能

［中圖分類號］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）05-0040-04

視覺智能是人工智能領(lǐng)域最重要的分支之一，專注于對圖像和視頻等視覺數(shù)據(jù)的分析和解釋，從視覺信息中提取有價(jià)值的位置、類別、形狀、大小等數(shù)據(jù)。隨著高精度成像和視覺技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，視覺人工智能在速度、精度、環(huán)境要求等方面均存在著顯著優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用在安防、零售、醫(yī)療、無人駕駛等各個行業(yè)[1-2]。計(jì)算機(jī)視覺課程是培養(yǎng)視覺智能人才的核心課程。自2019年教育部批準(zhǔn)開設(shè)人工智能專業(yè)起，多所高校將計(jì)算機(jī)視覺課程列為專業(yè)必修課程，例如山東大學(xué)、北京理工大學(xué)、電子科技大學(xué)等。由于計(jì)算機(jī)視覺課程建設(shè)時間較短，而視覺智能正以前所未有的速度迅速發(fā)展，使得目前的計(jì)算機(jī)視覺課程存在如下問題：（1）計(jì)算機(jī)視覺課程體系包含計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)視覺與模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)視覺等課程，雖然有側(cè)重點(diǎn)地突出了課程特色，但是知識體系缺乏系統(tǒng)性，不利于視覺智能人才的培養(yǎng)；（2）計(jì)算機(jī)視覺課程教學(xué)內(nèi)容偏向傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理，不能滿足迅速發(fā)展的視覺智能的社會需求；（3）計(jì)算機(jī)視覺教學(xué)方式較為傳統(tǒng)，多以課堂教學(xué)為主，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，不易達(dá)成視覺智能人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

OBE理念是一種從學(xué)生學(xué)習(xí)成果出發(fā)、以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。2018年，《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》正式發(fā)布，高等教育理念正在從“以教師為中心”向“突出以學(xué)生為中心、突出產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向、突出持續(xù)改進(jìn)”的現(xiàn)代化教學(xué)理念轉(zhuǎn)變，更加關(guān)注學(xué)生能力與社會需求的結(jié)合，與OBE理念不謀而合[3-4]。為此，以O(shè)BE理念為引導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生對視覺信息的分析和理解能力、解決視覺問題為重點(diǎn)，重設(shè)計(jì)算機(jī)視覺課程的教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建計(jì)算機(jī)視覺課程體系，完善課程教學(xué)方式，將使課程與視覺智能的社會需求、視覺智能人才培養(yǎng)相結(jié)合，從不同維度對計(jì)算機(jī)視覺課程進(jìn)行建設(shè)。

一、面向需求的計(jì)算機(jī)視覺課程教學(xué)目標(biāo)建設(shè)

視覺智能發(fā)展迅速，基本覆蓋了人們生活的方方面面。人們對視覺智能的需求不斷提高，視覺智能任務(wù)靈活多變、目的各異。為了滿足社會需求，視覺智能人才不僅需要具備處理復(fù)雜視覺任務(wù)的能力，更需要具備體現(xiàn)視覺任務(wù)本質(zhì)屬性的視覺思維。根據(jù)OBE理念面向產(chǎn)出的觀點(diǎn)，專業(yè)將培養(yǎng)目標(biāo)分解為各項(xiàng)畢業(yè)要求，體現(xiàn)在培養(yǎng)方案中每門課程的教學(xué)目標(biāo)上，其中計(jì)算機(jī)視覺課程的教學(xué)目標(biāo)主要體現(xiàn)在工程知識學(xué)習(xí)、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、使用現(xiàn)代工具及終身學(xué)習(xí)的能力上。結(jié)合OBE理念，面向智能人才培養(yǎng)需求的計(jì)算機(jī)視覺課程教學(xué)目標(biāo)主要分為如下三個方面：

（一）知識

掌握視覺智能領(lǐng)域的數(shù)學(xué)與科學(xué)知識以及工程基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)地掌握視覺智能領(lǐng)域的基本理論、基礎(chǔ)知識、基本方法，并能夠?qū)⑵溆糜诮鉀Q實(shí)際復(fù)雜視覺工程問題。

（二）能力

具備分析和設(shè)計(jì)視覺智能領(lǐng)域復(fù)雜問題解決方案的能力，使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源和現(xiàn)代工程工具模擬與預(yù)測視覺智能復(fù)雜工程問題的能力，以不變應(yīng)萬變的視覺思維能力以及與時俱進(jìn)的持續(xù)學(xué)習(xí)與適應(yīng)發(fā)展的能力。

（三）素養(yǎng)

具備人文社會科學(xué)素養(yǎng)、社會責(zé)任和道德修養(yǎng)、有效溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、創(chuàng)新意識，能綜合考慮技術(shù)、人文、法律、文化及環(huán)境等因素，樹立正確的價(jià)值觀，具有家國情懷。

二、課程體系和教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)

基于OBE理念，以學(xué)生為中心、以視覺智能任務(wù)為驅(qū)動、以解決問題的能力為導(dǎo)向，構(gòu)建有機(jī)融合知識、能力和素養(yǎng)的計(jì)算機(jī)視覺課程體系，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜視覺問題的能力，以及應(yīng)對瞬息萬變的視覺技術(shù)的視覺思維。“兩性一度”為教育部副部長吳巖提出的“金課”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。考慮到課程思政的建設(shè)要求、本科生的知識接受能力，以及復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求，課題組對“兩性一度”的“金課”要求進(jìn)行了拓展，形成了“基礎(chǔ)性、交叉性、思政性、高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，即“五性一度”的設(shè)計(jì)理念，據(jù)此對計(jì)算機(jī)視覺課程體系、教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)方式、考核方式等進(jìn)行建設(shè)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力、培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

課程體系以學(xué)生為中心，從學(xué)生對知識點(diǎn)的接受和理解程度出發(fā)，按照“先導(dǎo)知識—專業(yè)知識—綜合實(shí)踐”階段提升的方式進(jìn)行構(gòu)建（見表1）。教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)由淺入深地覆蓋視覺智能需要的理論知識和實(shí)踐技能，動態(tài)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，及時根據(jù)前沿的視覺技術(shù)拓展和更新相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容（見表1）。

計(jì)算機(jī)視覺導(dǎo)論課程主要教授視覺成像機(jī)理、視覺模型、視覺系統(tǒng)搭建以及視覺算法要求的數(shù)學(xué)知識等，要求學(xué)生認(rèn)識和掌握計(jì)算機(jī)視覺基礎(chǔ)知識和本質(zhì)屬性，具備分析視覺問題的基礎(chǔ)素養(yǎng)，理解計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)，能夠搭建視覺系統(tǒng)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)視覺思維能力。

2D計(jì)算機(jī)視覺課程以數(shù)字圖像處理為主，教學(xué)內(nèi)容覆蓋圖像預(yù)處理、基元檢測、目標(biāo)特征提取、模式識別等。其中，圖像預(yù)處理包括圖像增強(qiáng)、圖像變換、圖像復(fù)原、圖像分割等對數(shù)字圖像進(jìn)行基本處理的算法及概念；基元檢測主要包括孤立點(diǎn)、角點(diǎn)、線等的檢測；目標(biāo)特征提取主要講述目標(biāo)的形狀、紋理、區(qū)域等典型特征的構(gòu)造和提取方法；模式識別主要講授視覺中基本模式處理的相關(guān)算法。計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)以數(shù)字圖像為主要處理對象，數(shù)字圖像處理為視覺智能人才必須具備的基礎(chǔ)能力。該部分內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生處理簡單視覺任務(wù)的能力，以及將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為視覺問題的視覺思維。

3D計(jì)算機(jī)視覺課程以處理目標(biāo)的3D信息為主，教學(xué)內(nèi)容主要包括攝像機(jī)標(biāo)定、立體視覺、3D目標(biāo)表達(dá)、圖像序列處理、知識和場景解釋等。立體視覺主要內(nèi)容包括雙目成像和視差、立體圖像匹配、3D數(shù)據(jù)描述方法等；圖像序列處理主要內(nèi)容為運(yùn)動目標(biāo)檢測和跟蹤、3D場景恢復(fù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等；知識和場景解釋主要內(nèi)容為時空行為理解、場景解釋等。該模塊內(nèi)容涵蓋了解決計(jì)算機(jī)視覺3D問題的基礎(chǔ)知識，使學(xué)生建立對3D問題的認(rèn)知，能夠處理更復(fù)雜的視覺任務(wù)。

計(jì)算機(jī)視覺綜合實(shí)踐課程以對計(jì)算機(jī)視覺信息的綜合分析和處理為主，借助Matlab、Python等語言，以主流的視覺處理框架飛槳、Caffe、PyTorch等為基礎(chǔ)，依托openCV、Scikit?Image、Albumentations、Mahotas等圖像處理庫，執(zhí)行典型的視覺處理任務(wù)，例如目標(biāo)分類、目標(biāo)檢測、圖像生成、目標(biāo)姿態(tài)估計(jì)、3D重建、SLAM等，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)視覺信息處理工具的典型算法，理解并能夠使用所學(xué)知識處理實(shí)際的視覺任務(wù)，達(dá)成有關(guān)知識、能力和素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。

三、課程評價(jià)體系建設(shè)

針對計(jì)算機(jī)視覺課程體系的構(gòu)建和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，以學(xué)生為中心，以案例為驅(qū)動，圍繞課堂教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生從以知識學(xué)習(xí)為主向知識、能力、素養(yǎng)三位一體培養(yǎng)的方向轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力以及分析和解決問題的能力，采用知識達(dá)成度為主的過程考核和能力達(dá)成度為主的期末考核相結(jié)合的成績評定方式，檢驗(yàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)能力，以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性。

在課程評價(jià)的過程中，重視計(jì)算機(jī)視覺課程核心素養(yǎng)，構(gòu)建客觀、多元、及時的評價(jià)體系。評價(jià)體系以“理論考核和實(shí)踐考核并重、過程考核與結(jié)果考核并重”為基本原則，力爭實(shí)現(xiàn)知識、能力、素養(yǎng)、思維的四維度全面評價(jià)（見表2）。對教學(xué)中的討論、講解、算法分析、程序編寫、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等活動進(jìn)行全過程跟蹤，并將其作為評價(jià)考核的主要因素。學(xué)期期評成績由平時成績、階段性項(xiàng)目成果和期末成績構(gòu)成，分別考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、責(zé)任意識、知識點(diǎn)掌握程度、知識點(diǎn)綜合運(yùn)用能力。平時成績占比相對高一些，主要包括基于線上平臺的在線考勤、隨堂測驗(yàn)、課后作業(yè)、階段測驗(yàn)、討論等內(nèi)容。課堂討論以案例教學(xué)法帶動學(xué)生對預(yù)習(xí)過程中的疑點(diǎn)、難點(diǎn)、重點(diǎn)等展開課堂討論，注重生生互動、師生互動，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)情況進(jìn)行成績評定。同時，引入?yún)⑴c的競賽、論文發(fā)表、學(xué)術(shù)活動等成果作為課程評價(jià)的參考因素，形成全方位立體化的評價(jià)考核體系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力。

四、課程教學(xué)模式建設(shè)

（一）教學(xué)理念

課題組以O(shè)BE理念為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺課程實(shí)踐性強(qiáng)、理論性強(qiáng)、與時代發(fā)展結(jié)合緊密等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“以學(xué)生為中心，始于科普，敘于論理，終于實(shí)戰(zhàn)，余于探思”的教學(xué)理念。計(jì)算機(jī)視覺課程注重學(xué)生的知識基礎(chǔ)，全面培養(yǎng)學(xué)生的能力和素養(yǎng)，以科普的方式通俗易懂地引導(dǎo)學(xué)生了解計(jì)算機(jī)視覺基本概念和技術(shù)原理，使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。教師還從計(jì)算機(jī)視覺本質(zhì)屬性出發(fā)論述計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的機(jī)理并延伸至全域，促進(jìn)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)解決實(shí)際問題，引領(lǐng)學(xué)生開啟計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)及倫理的思考和探究之路。

（二）教學(xué)手段

結(jié)合課程特點(diǎn)，以“五性一度”為建設(shè)理念，制作課程教學(xué)視頻、教學(xué)課件，設(shè)計(jì)教學(xué)案例、教學(xué)題庫、教學(xué)輔導(dǎo)資料等。根據(jù)課程特點(diǎn)，依托超星、慕課、雨課堂等線上平臺開展線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)，合理使用教學(xué)助手實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”，課前發(fā)布以問題為導(dǎo)向的自主學(xué)習(xí)任務(wù)，課中根據(jù)檢查結(jié)果進(jìn)行有側(cè)重點(diǎn)的知識講解，課后布置個性化綜合性作業(yè)，以提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（三）教學(xué)方法

“案例驅(qū)動式”教學(xué)為OBE理念中重要的教學(xué)方法[6]。結(jié)合本課程理論性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，綜合考慮學(xué)生的思維特點(diǎn)，以學(xué)生為中心，課程采用“思辨型案例驅(qū)動法”教學(xué)手段，利用簡單易懂的教學(xué)案例詮釋基本概念，設(shè)計(jì)“貫穿式大案例”和“遁入式小案例”，使學(xué)生明白計(jì)算機(jī)視覺知識體系的核心思想和“來源”，并且使學(xué)生知悉知識體系的“去路”，達(dá)到“講機(jī)理，明來源；論案例，知去路”的教學(xué)效果。

五、課程質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)

計(jì)算機(jī)視覺課程采用“思辨型案例驅(qū)動法”進(jìn)行教學(xué)，并且推行了線上線下混合式教學(xué)方式，促使學(xué)生理解和掌握計(jì)算機(jī)視覺知識，同時進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動的全過程學(xué)業(yè)評價(jià)，有利于提高學(xué)生的溝通能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。應(yīng)從課堂活躍度、學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、學(xué)生滿意度、解決問題的能力等多個維度，以定性和定量相結(jié)合的方式，對計(jì)算機(jī)視覺課程的實(shí)施進(jìn)行分析，以檢測課程建設(shè)質(zhì)量，為課程建設(shè)提供持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)。

課堂活躍度能夠有效反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)而反映出使用的教學(xué)方法的合理程度，以及教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性。為此，可借助視覺智能技術(shù)分析臉部表情變化，最終得到學(xué)生的課堂活躍度。同時，可依托線上教學(xué)平臺，統(tǒng)計(jì)學(xué)生完成課堂“翻轉(zhuǎn)任務(wù)”的參與率和準(zhǔn)確率，從側(cè)面反映學(xué)生的積極性。教師可對課堂活躍度低的課堂設(shè)置調(diào)查問卷，對應(yīng)存在的問題進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度能夠反映學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的接受程度以及評價(jià)體系的合理程度。對學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度的評價(jià)需要根據(jù)全過程評價(jià)中學(xué)生完成各項(xiàng)任務(wù)的時長、正確率、成果獎勵數(shù)量等多方面綜合考慮，采取“一生一案”的方式對每位學(xué)生設(shè)置學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度評測方案，進(jìn)而對課程教學(xué)體系進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

學(xué)生滿意度全面反映了課程體系、教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)模式以及課程評價(jià)體系的合理性。學(xué)生滿意度可以通過學(xué)校教務(wù)網(wǎng)站的評教系統(tǒng)、調(diào)查問卷等多種方式獲取，從而得到教學(xué)課時分配是否合理、課程內(nèi)容是否能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生接受程度是否匹配等多方面的課程改進(jìn)情況。

課程質(zhì)量也可以通過學(xué)生的視覺思維、解決實(shí)際問題的能力等方面來體現(xiàn)。教師可對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行逐項(xiàng)分解，全面分析學(xué)生從課程中獲取的知識、能力和素養(yǎng)是否和設(shè)置的課程目標(biāo)相匹配，進(jìn)而有針對性地對課程體系進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

六、結(jié)語

計(jì)算機(jī)視覺課程是人工智能專業(yè)的必修課，承擔(dān)著為社會培養(yǎng)視覺智能人才的重要角色。以“五性一度”設(shè)計(jì)理念引導(dǎo)建設(shè)的計(jì)算機(jī)視覺課程，有效地結(jié)合了一流課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算機(jī)視覺課程的特點(diǎn)，注重以學(xué)生為中心，構(gòu)建了內(nèi)容全面的課程體系和教學(xué)內(nèi)容體系以及全過程學(xué)業(yè)評價(jià)體系，創(chuàng)建了以“始、敘、終、余”牽引的全過程案例驅(qū)動式教學(xué)模式，同時給出了多維度課程質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的措施，有助于培養(yǎng)具備計(jì)算機(jī)視覺知識、能力和素養(yǎng)的視覺智能人才，可以為開設(shè)計(jì)算機(jī)視覺課程的高校提供基礎(chǔ)的課程建設(shè)思路，以推動人工智能學(xué)科的發(fā)展。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］