教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型下AI賦能數(shù)字圖像處理教學(xué)改革探索與實(shí)踐

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-5995（2025）01-0032-06

一、背景

伴隨新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的深人推進(jìn)，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為全球共識，數(shù)字化已經(jīng)成為新時(shí)代世界范圍內(nèi)教育變革的戰(zhàn)略方向和重要推力。近年來，我國陸續(xù)出臺了《教育信息化2.0行動計(jì)劃》（2018年）、《中國教育現(xiàn)代化2035》（2019年）、《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》（2021年）和《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》（2022年）等一系列政策文件，充分表明了堅(jiān)定我國教育數(shù)字化改革的決心。習(xí)近平總書記在主持中央政治局工作時(shí)明確指出：“教育數(shù)字化是我國開辟教育發(fā)展新賽道和塑造教育發(fā)展新優(yōu)勢的重要突破口。”可見，教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動是順應(yīng)時(shí)代潮流和推進(jìn)教育創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展的重大舉措，對于推進(jìn)我國教育現(xiàn)代化和教育強(qiáng)國建設(shè)具有重要意義。人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展在極大促進(jìn)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，為數(shù)字賦能教育帶來了新的機(jī)遇。高等教育作為教育強(qiáng)國的龍頭，研究“人工智能十X”復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式，多渠道培養(yǎng)解決“卡脖子”問題的科創(chuàng)新型關(guān)鍵技術(shù)人才，是推進(jìn)教育、科技、人才的一體化發(fā)展的重要保障，也是適應(yīng)全球大變局下的科技創(chuàng)新趨勢和更好應(yīng)對國際競爭的重要前提和支撐。

數(shù)字圖像處理課程作為一門實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用性廣且前景廣闊的課程，融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子工程和數(shù)學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科，應(yīng)用場景涵蓋航天航空、生物醫(yī)學(xué)、智能交通、工業(yè)檢測等眾多領(lǐng)域。國內(nèi)外很多知名高校和在線學(xué)習(xí)平臺（如Coursera、edX、Udemy等）都普遍開設(shè)了該課程。例如，美國頂尖大學(xué)（如麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等）和英國頂尖大學(xué)（如牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)等），以及歐洲眾多知名大學(xué) （如蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等），都將數(shù)字圖像處理列為計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程專業(yè)的必修課；我國的眾多重點(diǎn)高校，也都將數(shù)字圖像處理列為人工智能課程體系或課程群的基礎(chǔ)核心課程。總之，在全球范圍內(nèi)，無論是學(xué)術(shù)研究還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理都受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

近年來，為了響應(yīng)大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的召喚，促進(jìn)人工智能與其他學(xué)科的深度交叉融合，國內(nèi)一些高校針對新形勢下數(shù)字圖像處理課程的建設(shè)和改革，進(jìn)行了有益的探索和研究。如北京航空航天大學(xué)[1]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)[2]強(qiáng)調(diào)改革應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新性思維，湖南大學(xué)[3］提出“線上理論 + 線下討論”一體化教學(xué)模式；武漢大學(xué)[4］和天津醫(yī)科大學(xué)[5]、中國礦業(yè)大學(xué)[6]和南京信息工程大學(xué)[7]分別開展了醫(yī)學(xué)圖像處理和遙感數(shù)字圖像處理課程的實(shí)踐教學(xué)改革研究。然而，目前國內(nèi)數(shù)字圖像處理課程建設(shè)總體而言，教學(xué)資源、教學(xué)手段和評價(jià)方式仍滯后于新興技術(shù)發(fā)展，難以滿足人工智能時(shí)代的學(xué)科建設(shè)與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略需求。因此，研究適應(yīng)新形勢下數(shù)字圖像處理課程的學(xué)科發(fā)展和教學(xué)改革勢在必行。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

本文首先對目前國內(nèi)外相關(guān)高校的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了充分的調(diào)研。國外大學(xué)普遍采用岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》作為教材，一些大學(xué)將數(shù)字圖像處理課程與其他課程相結(jié)合以強(qiáng)化教學(xué)特色及應(yīng)用，如加州大學(xué)伯克利分校結(jié)合宇航空間技術(shù)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用開設(shè)數(shù)字圖像處理課程，杜克大學(xué)結(jié)合消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用開設(shè)該課程；關(guān)于國內(nèi)高校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀，目前已有較多研究[8]-[11]，指出該課程自前存在教學(xué)體系不合理、教學(xué)內(nèi)容滯后、實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱和考核方式單一等不足，并針對性提出一系列改革方案。

在此基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)分析了2018年以來教育部發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》和《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》等一系列戰(zhàn)略規(guī)劃和行動計(jì)劃，結(jié)合新形勢下高等教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式和教育教學(xué)的新質(zhì)量，本文將目前國內(nèi)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)存在的局限性及教學(xué)改革的重點(diǎn)總結(jié)為以下三個(gè)方面：

（一）教學(xué)信息資源持續(xù)建設(shè)與更新的問題

傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)信息資源與教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型下的信息化教學(xué)模式契合度不夠，需要持續(xù)更新改進(jìn)，并增加適應(yīng)教學(xué)模式改革的新形態(tài)信息資源。具體而言，信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)人大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代，專業(yè)知識急劇膨脹，摩爾定律依然適用。大數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)、多尺度、多維度等特性以及人工智能各項(xiàng)新技術(shù)，都正在深刻影響著傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程的知識體系及教學(xué)形式。然而，目前的數(shù)字圖像處理課程仍主要采用形式單一的傳統(tǒng)教材，教學(xué)資源、形式和內(nèi)容相對陳舊，缺乏與時(shí)俱進(jìn)的新形態(tài)資源，對人工智能領(lǐng)域最新成果的跟蹤和引入有限；此外，知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)較為松散，與其他領(lǐng)域的交叉融合性弱且缺乏實(shí)際場景案例，難以滿足新形勢下學(xué)科建設(shè)與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求。

（二）面向新工科工程能力的問題

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)普遍采用“四中心”培養(yǎng)模式，即以課程為中心、老師為中心、教室為中心、考試為中心，難以為新工科高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求提供有效支撐。具體表現(xiàn)在四個(gè)方面：（a）理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的矛盾：理論課時(shí)過多，而實(shí)踐教學(xué)較為薄弱，“重理論、輕應(yīng)用”現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)際應(yīng)用需求的理解不足，對算法的理解停留在理論層面，難以做到學(xué)以致用；（b）實(shí)踐教學(xué)原理驗(yàn)證性多、研究探索性少，基礎(chǔ)訓(xùn)練多、綜合提高少，且產(chǎn)教協(xié)同實(shí)踐育人深度有限，很少將企業(yè)在科技創(chuàng)新中的能動性融人課程教學(xué)，大多數(shù)學(xué)校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以支持有深度的專業(yè)實(shí)驗(yàn)；（c）教學(xué)模式以教師傳授為主，教師充當(dāng)知識的傳遞者和灌輸者，采用以知識傳授為主的教學(xué)方法，缺乏任務(wù)式驅(qū)動，忽視了學(xué)生創(chuàng)新思維與工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)；（d）教學(xué)評價(jià)方式單一且“重結(jié)果、輕過程”，目前的課程教學(xué)中，卷面考試仍然是課程考核的主要方式，難以精準(zhǔn)考核學(xué)生對學(xué)科動態(tài)的了解情況、運(yùn)用理論知識的實(shí)踐能力以及解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。

（三）教學(xué)模式與教育新理念不相適配的問題

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程在教學(xué)中普遍存在專業(yè)教育與思政育人、知識傳授與能力培養(yǎng)、教學(xué)手段與信息技術(shù)結(jié)合不夠緊密的問題。因此，亟須將思政教育、高階思維培養(yǎng)和信息技術(shù)等先進(jìn)教育理念融人到教學(xué)模式改革中。目前教學(xué)過程中側(cè)重介紹數(shù)字圖像處理技術(shù)的相關(guān)算法本身，而對數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展歷史、尤其是我國數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展的歷史沿革及前沿動態(tài)結(jié)合有限，如能在教學(xué)中適時(shí)融入當(dāng)前人工智能和深度學(xué)習(xí)的最新進(jìn)展及其在醫(yī)學(xué)、遙感、智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，如基于AI算法診斷新冠肺炎疫情、數(shù)字孿生及元宇宙應(yīng)用、無人駕駛領(lǐng)域等前沿知識，則既能幫助學(xué)生理解本學(xué)科的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，又能提升學(xué)生對本學(xué)科發(fā)展動態(tài)的敏銳度和感知力，對于樹立學(xué)生良好的職業(yè)道德觀和社會主義核心價(jià)值觀，以及勇攀科學(xué)高峰的志氣和情懷都大有裨益。

由此可見，在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型大背景下，探索和研究AI賦能數(shù)字圖像處理教學(xué)改革模式，構(gòu)建能力導(dǎo)向的高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)教學(xué)體系，從而滿足新形勢人才培養(yǎng)戰(zhàn)略需求，是大勢所趨，且已迫在眉睫。

三、教學(xué)改革思路

（一）構(gòu)建“融合一實(shí)踐一創(chuàng)新”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教學(xué)體系

針對目前數(shù)字圖像處理課程教學(xué)存在的局限性，本文提出“融合一實(shí)踐一創(chuàng)新”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教學(xué)體系，包含3個(gè)層面（如圖1所示）。

其中，“融合”指的是將人工智能技術(shù)的動態(tài)發(fā)展前沿融人課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)科交叉融合，強(qiáng)化學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識的掌握和人工智能實(shí)際應(yīng)用場景的理解；“實(shí)踐”指的是加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，結(jié)合人工智能科研項(xiàng)目設(shè)立課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)課堂理論學(xué)習(xí)和科研項(xiàng)目實(shí)踐的良性互動；“創(chuàng)新”指的是通過理論學(xué)習(xí)和人工智能案例實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生思考科學(xué)問題，養(yǎng)成“問題大于方法”的科研思維。總之，“融合一實(shí)踐一創(chuàng)新”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教學(xué)體系通過最新科研成果帶人課堂，用科研成果更新理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)內(nèi)容，充分體現(xiàn)了“科研反哺教學(xué)”的理念和思路。

（二）設(shè)計(jì)基于科研項(xiàng)目引導(dǎo)的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)環(huán)節(jié)

本文提出人工智能科研項(xiàng)目引導(dǎo)的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式，依托實(shí)際的人工智能科研項(xiàng)目，以問題和任務(wù)需求為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生帶著人工智能科研項(xiàng)目中的任務(wù)和需求進(jìn)人學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生理解具體的圖像處理算法在真實(shí)場景中的應(yīng)用，以此帶動其學(xué)習(xí)興趣和積極性。具體的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，要求學(xué)生完成從模型構(gòu)建一算法設(shè)計(jì)一開發(fā)一驗(yàn)證的整體流程，使其學(xué)習(xí)超越算法理論層面，將所學(xué)知識應(yīng)用于大數(shù)據(jù)和人工智能實(shí)踐，從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問題的能力、提升其創(chuàng)新性思維。表1給出“智慧交通視頻大數(shù)據(jù)智能分析關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法實(shí)例，包含任務(wù)驅(qū)動算法、知識模塊、知識點(diǎn)融合及場景案例。

（三）構(gòu)建多維度全過程考核體系

構(gòu)建完善的多維度全過程考核體系，能夠綜合考核學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和對數(shù)字圖像處理領(lǐng)域最新研究進(jìn)展的了解和掌握情況，同時(shí)深化學(xué)生對于專業(yè)知識和學(xué)科交叉融合應(yīng)用的理解，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及創(chuàng)新思維。本文提出包含“基礎(chǔ)理論一課堂互動一小組開放性課題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一前沿綜述報(bào)告”的多維度全過程考核體系，除了傳統(tǒng)卷面考試之外，將考勤及課堂互動、開放性課題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及前沿動態(tài)跟蹤納人目前考核體系。一方面，將原有的單一算法代碼仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)整為面向任務(wù)的開放性課題，要求學(xué)生在相關(guān)科研項(xiàng)目范圍內(nèi)自選題目，分小組設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)算法并撰寫報(bào)告，以考核學(xué)生對數(shù)字圖像處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，并鼓勵(lì)學(xué)生以此課題為基礎(chǔ)申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，進(jìn)一步提升學(xué)生的雙創(chuàng)能力。另一方面，要求學(xué)生針對具體的研究方向查閱文獻(xiàn)，調(diào)研最新研究動態(tài)，撰寫調(diào)研報(bào)告，以考核學(xué)生對該領(lǐng)域發(fā)展前沿的了解程度以及科學(xué)問題的發(fā)現(xiàn)能力。此外，借助微助教等教學(xué)平臺的課堂互動功能及時(shí)掌握學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，在便于調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，也作為一項(xiàng)重要的過程考核依據(jù)納人考核體系。

四、結(jié)束語

教育數(shù)字化已全面走向縱深，AI賦能高等教育是實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國的必經(jīng)之路。本文以AI基礎(chǔ)核心課程一一數(shù)字圖像處理課程為例，對AI賦能的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式系統(tǒng)化創(chuàng)新和科研范式轉(zhuǎn)型思路進(jìn)行了有效的探索。本文提出的“融合一實(shí)踐一創(chuàng)新”的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)教學(xué)體系，旨在構(gòu)建數(shù)字社會發(fā)展需要的新教育形態(tài)，培養(yǎng)一批具有國際學(xué)術(shù)視野、富有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力、主動適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)發(fā)展需要的創(chuàng)新性人才，提升高等教育數(shù)字化水平，促進(jìn)我國高等教育的高質(zhì)量發(fā)展。本文的研究是數(shù)字技術(shù)與教育雙向賦能的智慧育人新模式的有益探索。

本文提出的教學(xué)體系及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對于該學(xué)科其它課程（如多媒體技術(shù)與應(yīng)用、視頻處理與通信、數(shù)字音頻處理、醫(yī)學(xué)圖像處理等）的教學(xué)改革同樣具有借鑒意義。

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Exploration and Practice of Al-Driven Teaching Reform in Digital Image Processing Under the Digital Transformation of Education

Qimin Cheng ，Li Yu，Qinmu Peng

（School of Electronic Informationand Communications，Wuhan Hubei，430074）

Abstract：Digitaltransformationineducationisastrategicdirectionandkeyinitiativeforgobal educationalreform. Artificialinteligence（Al）technology brings newopportunitiesforempowering educationthrough digital means.This paper，addressing the developmentand teaching reform requirementsof the foundationalAlcorecourse-Digital Image Processing-under newcircumstances，proposesaninnovativeteachingsystemcharacterizedby“Integration-PracticeInovation.”Thesystemaims toexploreinnovativeteaching modelsandresearch paradigmshiftsenabledbyAlinthe contextof thedigital education strategy.Itrepresentsanewapproach tointegrating scienceandeducationaswellas industry-academiacolaboration，servingasanexplorationandpracticeofacoordinated teachingmodelthatcombines innovative entrepreneurship education with professional education.

Keywords：DigitalTransformationinEducation；Artificial Inteligence；DigitalImageProcessing；TeachingReform InnovativeEducation

（責(zé)任編校：周文鼎）