面向數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的機(jī)器視覺類課程智能化教學(xué)研究

詹千熠 蔣亦樟 晏 濤 王 駿 鄧趙紅

(江南大學(xué) 數(shù)字媒體學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

數(shù)字媒體產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)人才提出了更高需求，尤其要求學(xué)生具備技術(shù)與藝術(shù)交叉融合的創(chuàng)新實(shí)踐能力[1-3]。江南大學(xué)數(shù)字媒體學(xué)院將數(shù)字媒體技術(shù)與動(dòng)畫、數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)整合，成立了實(shí)體學(xué)院，踐行工、藝融合多元人才培養(yǎng)體系，即“基礎(chǔ)-專業(yè)-強(qiáng)化-創(chuàng)新”的校內(nèi)教學(xué)與“創(chuàng)新訓(xùn)練-產(chǎn)業(yè)實(shí)踐-學(xué)術(shù)培養(yǎng)”的校外實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)體系，進(jìn)而提升學(xué)生“工程實(shí)踐能力-創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力-學(xué)術(shù)研究能力”。該學(xué)院成立至今，學(xué)科專業(yè)建設(shè)日趨完善，學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量顯著提升。

但近年來，隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，江南大學(xué)數(shù)媒學(xué)院為了適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的需求，大力推進(jìn)與數(shù)字媒體技術(shù)相關(guān)的人工智能本科教學(xué)活動(dòng)[4-5]。其中，最為相關(guān)的就是機(jī)器視覺類課程的開展。該類課程主要包含線性代數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)與分析、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、人機(jī)交互以及三維場(chǎng)景建模與渲染等機(jī)器視覺技術(shù)直接相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。此類課程具有較強(qiáng)的專業(yè)性和理論性，學(xué)生在學(xué)習(xí)該類課程時(shí)常常因?yàn)楦邤?shù)、概論及矩陣論等先導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)不佳而造成不良影響。為了解決此類問題的出現(xiàn)，本文將智能化大數(shù)據(jù)處理技術(shù)引入數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的機(jī)器視覺類課程的教育過程中，通過視頻監(jiān)控及智能穿戴設(shè)備采集學(xué)生課堂的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)來追蹤學(xué)生各科基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)表現(xiàn)[6-8]。具體來說，教師可通過機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行跟蹤分析，而學(xué)生通過機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)自身的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行把控并且通過對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)軟件的使用達(dá)到自學(xué)的目的，從而形成“老師在教中學(xué)，學(xué)生在學(xué)中教”的新培養(yǎng)模式?？梢灶A(yù)見的是，隨著學(xué)生數(shù)據(jù)采集的日趨完善，所構(gòu)建的智能模型將愈加完美，給出的指導(dǎo)性教學(xué)方案也將更加完備，這對(duì)培養(yǎng)高層次專業(yè)技術(shù)人具有重要的意義，這也是對(duì)新時(shí)代教學(xué)模式的探索。

1 數(shù)媒技術(shù)專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 數(shù)媒技術(shù)專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)字媒體是一門工藝交融的學(xué)科，其既強(qiáng)調(diào)工科性又需要一定藝術(shù)色彩。目前，就國(guó)內(nèi)各大高校而言，開設(shè)該專業(yè)的學(xué)校有江南大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)傳媒大學(xué)、吉林動(dòng)畫學(xué)院及浙江科技學(xué)院等。其中，尤以江南大學(xué)最早設(shè)立數(shù)字媒體學(xué)院，該院采用如圖1所示的總體建設(shè)方案與總體思路，并進(jìn)一步實(shí)施“4-3-3”結(jié)果導(dǎo)向的工、藝融合多元人才培養(yǎng)體系，即“基礎(chǔ)-專業(yè)-強(qiáng)化-創(chuàng)新”的校內(nèi)教學(xué)與“創(chuàng)新訓(xùn)練-產(chǎn)業(yè)實(shí)踐-學(xué)術(shù)培養(yǎng)”的校外實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)體系(見圖2)，提升學(xué)生的“工程實(shí)踐能力-創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力-學(xué)術(shù)研究能力”。其教學(xué)理論先進(jìn)，課程內(nèi)容貼近時(shí)代發(fā)展特色，教學(xué)質(zhì)量也在國(guó)內(nèi)享有盛譽(yù)。

圖1 建設(shè)方案與總體思路

圖2 “4-3-3”創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系

在課程設(shè)置方面，江南大學(xué)數(shù)字媒體學(xué)院創(chuàng)新性地將所有課程分為以下5類：學(xué)科平臺(tái)課程、專業(yè)核心課程、專業(yè)選修課程及專業(yè)自主課程如表1所示。這樣的課程設(shè)計(jì)理念達(dá)到了工藝平衡、融會(huì)貫通的課程設(shè)計(jì)要求。

此外，在人工智能技術(shù)得到大力發(fā)展的形勢(shì)下，一些成熟的機(jī)器視覺類課程，如人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字娛樂及場(chǎng)景設(shè)計(jì)與表現(xiàn)等，很自然地加入數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的課程設(shè)置中。熟練掌握機(jī)器視覺類課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的空間設(shè)計(jì)感、3D處理能力、算法設(shè)計(jì)能力及編程實(shí)踐能力均有著重要的意義。特別是多種移動(dòng)終端的普及以及可穿戴式計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得社會(huì)進(jìn)一步渴求通曉機(jī)器視覺類技術(shù)人才。這也堅(jiān)定了學(xué)校培養(yǎng)此類學(xué)生的信心，但在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐過程中，特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)視覺類課程，課題組依舊發(fā)現(xiàn)了一系列問題，并擬采用基于智能化大數(shù)據(jù)處理技術(shù)來提供決策服務(wù)，進(jìn)而協(xié)助教師改進(jìn)教學(xué)手段，提升教學(xué)效果。

表1 工藝融合課程設(shè)置

1.2 數(shù)媒技術(shù)專業(yè)機(jī)器視覺類課程教學(xué)中存在的問題

1.2.1機(jī)器視覺類課程專業(yè)性較強(qiáng) 機(jī)器視覺類課程主要包含人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字娛樂及場(chǎng)景設(shè)計(jì)與表現(xiàn)等，這些課程所需專業(yè)知識(shí)對(duì)本科學(xué)生而言要求普遍較高。以人工智能這門課程為例，該課程包含機(jī)器學(xué)習(xí)、概率推理、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺以及自然語言處理。拿出其中任意的一個(gè)專題，如機(jī)器學(xué)習(xí)，其本身又可形成一門獨(dú)立的課程，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感受課程的知識(shí)量龐大、難以消化、專業(yè)水平高等問題。然而，教學(xué)人員往往會(huì)忽視學(xué)生的這些教學(xué)感受，為了一味地追趕進(jìn)度而造成學(xué)生越學(xué)越懵，最終導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)甚至不學(xué)的狀況。

1.2.2機(jī)器視覺類課程所需要的理論知識(shí)水平要求高 機(jī)器視覺類課程對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的要求偏高，此類課程需要學(xué)生先進(jìn)行如高數(shù)、概論及矩陣論等先導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)。以普通高等學(xué)校幾乎所有工學(xué)、理學(xué)專業(yè)均開設(shè)的“高等數(shù)學(xué)”課程為例，該課程由于前后的連貫性較大，很容易造成“一章學(xué)不懂，章章成難點(diǎn)”的困局，學(xué)生在面對(duì)此類課程時(shí)均有一定的懼怕心理。由于基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)問題，進(jìn)而直接影響到機(jī)器視覺類課程的學(xué)習(xí)，最終導(dǎo)致一系列的教學(xué)問題。

上述問題致使所開設(shè)的機(jī)器視覺類課程普遍存在學(xué)習(xí)效率低、教學(xué)效果差、課堂氣氛沉悶等不良的教學(xué)現(xiàn)象。此外，機(jī)器視覺類課程由于自身的關(guān)聯(lián)性較大、理論性較強(qiáng)等特點(diǎn)，使得學(xué)生在一門課程沒學(xué)好的情況下，后期對(duì)此類相關(guān)課程均存在一定程度的“怕學(xué)”現(xiàn)象。為此，如果教師可以在教學(xué)過程中，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，并且提供一定的決策分析，如減緩進(jìn)度、增加實(shí)際例子及教學(xué)環(huán)境改良等建議，那么必然將改善學(xué)生的教學(xué)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生理解課程難點(diǎn)，最終擺脫厭學(xué)的情緒。

2 智能化技術(shù)在機(jī)器視覺類課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 智能化技術(shù)在機(jī)器視覺類課程中的應(yīng)用

智能化應(yīng)用是由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對(duì)某一個(gè)方面的應(yīng)用。智能化技術(shù)在其應(yīng)用中主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密傳感技術(shù)、GPS定位技術(shù)的綜合應(yīng)用。這幾種技術(shù)的綜合應(yīng)用，便產(chǎn)生了人工智能技術(shù)。將智能化技術(shù)或人工智能技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中形成智能化教學(xué)系統(tǒng)(見圖3)，這不僅能夠提升師生的教學(xué)效率，還能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。智能化技術(shù)的引入是未來教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

圖3 智能化教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

由圖3可看出，底層為輸入/采集層。采集的內(nèi)容主要包含三部分，第一部分為各領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)具體內(nèi)容，采集的形式可以是文字、圖片、音頻、視頻等；第二部分為專家輸入內(nèi)容，針對(duì)學(xué)生遇到的問題，專家給出權(quán)威性解答，這部分知識(shí)也作為輸入內(nèi)容；第三部分為學(xué)生輸入內(nèi)容，學(xué)生可以對(duì)某些不理解的知識(shí)或遇到的問題進(jìn)行提問，還可以對(duì)某些知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解程度進(jìn)行描述。第二層為核心控制層，通過對(duì)底層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，得出科學(xué)決策。決策主要包括針對(duì)某門課或某些知識(shí)點(diǎn)怎么教，用什么教，什么時(shí)候教，才能夠使得教學(xué)效果最優(yōu)。第三層為用戶層。這里的用戶主要包括學(xué)生、老師、系統(tǒng)管理員，用戶可以在這一層進(jìn)行輸入、查找等操作。

2.2 智能化技術(shù)在機(jī)器視覺類課程的可行性分析

目前，人工智能技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)大放異彩，如自動(dòng)駕駛、圖形識(shí)別、語音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。而人工智能技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域也開始受到廣大教學(xué)工作者的關(guān)注，紛紛投入“如何將智能化技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中”這一命題的探索研究隊(duì)伍中。未來的教學(xué)過程注定是更加高效、更加便捷的智能化教學(xué)過程。智能化技術(shù)在機(jī)器視覺類課程中也開始得到了應(yīng)用。機(jī)器視覺類課程主要指的是軟硬件相結(jié)合的一些課程，其概念如圖4所示。

圖4 機(jī)器視覺概念

基于機(jī)器視覺類課程的智能化教學(xué)系統(tǒng)包含兩大功能，具體如下：

(1)明確學(xué)習(xí)主體，提升學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力。系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)者提交的作業(yè)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和打分，對(duì)于優(yōu)秀的作業(yè)可作為榜樣進(jìn)行示范展覽，既可增加學(xué)生的榮譽(yù)感，亦能為其他學(xué)生提供榜樣示范。對(duì)于一些優(yōu)秀的工程實(shí)踐類課題，還可以推薦參加相應(yīng)競(jìng)賽或推薦作者參與到企業(yè)的真實(shí)項(xiàng)目中去，為學(xué)生提供一些實(shí)踐平臺(tái)。對(duì)于不理想、粗制濫造的作業(yè)，可由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和打分，督促學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。智能化教學(xué)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)共同交流的平臺(tái)以及一個(gè)繼續(xù)學(xué)習(xí)探索的平臺(tái)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提高。

(2)明確教授主體，提升教授技能和效率。智能化教學(xué)系統(tǒng)可對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)、作業(yè)情況進(jìn)行反饋，老師能夠通過相關(guān)信息了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控自己的教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容。系統(tǒng)不僅能夠動(dòng)態(tài)顯示學(xué)生整體學(xué)習(xí)情況，還能查詢到每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)、作業(yè)情況。這就便于老師精準(zhǔn)地指導(dǎo)學(xué)生，實(shí)時(shí)了解每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，空余時(shí)間有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)。這樣的方式不僅提高了老師教授的效率，也提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，同時(shí)增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 智能化技術(shù)在機(jī)器視覺類課程教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 智能化技術(shù)在機(jī)器視覺類課程中的教學(xué)體系

機(jī)器視覺類課程主要包含人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字娛樂及場(chǎng)景設(shè)計(jì)與表現(xiàn)等。其中，人工智能又包含機(jī)器學(xué)習(xí)、概率推理、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺以及自然語言處理。由此可看出，機(jī)器視覺類課程的知識(shí)體系龐大，不同課程的學(xué)習(xí)需要融會(huì)貫通，才能熟練掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)。因此，高校在制訂教學(xué)計(jì)劃時(shí)，需要循序漸進(jìn)，有詳有略，讓大部分學(xué)生能夠順利掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)。另外，由于該類課程是一門還在不斷發(fā)展和成熟的課程，教師在教授該門課程時(shí)還需實(shí)時(shí)拓展知識(shí)點(diǎn)，更新教學(xué)內(nèi)容。

從本文第二部分的論證可得出結(jié)論，基于智能化技術(shù)的機(jī)器視覺類課程的教學(xué)系統(tǒng)具備可行性。系統(tǒng)從底層輸入層獲取專業(yè)知識(shí)、學(xué)生學(xué)習(xí)情況、老師教學(xué)情況以及師生間活動(dòng)情況；第二層核心控制層對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行綜合處理和科學(xué)決策，為教師的教和學(xué)生的學(xué)提供更加高效、便捷的策略；第三層，用戶可以在客戶端、系統(tǒng)和其他用戶之間進(jìn)行交互。通過這樣的方式，學(xué)生能夠不斷提高自身水平，老師能夠豐富自己的教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化自己的教學(xué)方法。具體教學(xué)模式如圖5所示。

圖5 教學(xué)模式

3.2 智能技術(shù)在機(jī)器視覺類課程中的教學(xué)流程

同許多傳統(tǒng)課程的教學(xué)模式一樣，機(jī)器視覺類課程的教學(xué)流程也可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段的主要任務(wù)是新生引導(dǎo)，關(guān)注基礎(chǔ)潛質(zhì)的培養(yǎng)；開展創(chuàng)新訓(xùn)練，促進(jìn)個(gè)性能力的發(fā)展；進(jìn)行專業(yè)技能的強(qiáng)化，依據(jù)個(gè)性能力進(jìn)行分流；著手綜合能力的培養(yǎng)，促進(jìn)個(gè)性能力的提升。第二階段的主要任務(wù)是積極開展創(chuàng)新實(shí)踐，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)實(shí)訓(xùn)，注重學(xué)術(shù)培養(yǎng)。第三個(gè)階段是在第二個(gè)階段的基礎(chǔ)上，使得學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、學(xué)術(shù)研究能力得到大大提升。

第一個(gè)階段,引導(dǎo)新生快速了解機(jī)器視覺類課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，相應(yīng)技術(shù)的市場(chǎng)需求和應(yīng)用情況，使學(xué)生能對(duì)該類課程所教內(nèi)容以及相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用均有所了解。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新型訓(xùn)練，引導(dǎo)發(fā)展學(xué)生的個(gè)性能力。各個(gè)學(xué)生的個(gè)性能力得到發(fā)展以后，自然會(huì)出現(xiàn)分流，然后再進(jìn)行每個(gè)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，使其個(gè)性能力得到不斷提升。該階段屬于新生入學(xué)的初級(jí)階段，對(duì)于機(jī)器視覺類課程的學(xué)習(xí)還在基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的掌握階段。

第二個(gè)階段,學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐、產(chǎn)業(yè)實(shí)訓(xùn)、學(xué)術(shù)能力的培養(yǎng)。該階段的主要任務(wù)是讓學(xué)生結(jié)合第一階段所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐。學(xué)生可以通過參加一些創(chuàng)新型比賽和項(xiàng)目的方式，進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，還能通過實(shí)踐訓(xùn)練提升自己的理論知識(shí)水平，從而提升自己的學(xué)術(shù)能力。

第三個(gè)階段,通過第二階段的實(shí)踐動(dòng)手訓(xùn)練，學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力以及學(xué)術(shù)研究能力得到提升。具備這幾方面能力以后，學(xué)生便能夠在自己的專業(yè)上發(fā)揮一定的作用，從而增加自己的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，提升自己的專業(yè)技能。

4 總結(jié)

機(jī)器視覺類課程是數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。課題組將“數(shù)字媒體技術(shù)”專業(yè)機(jī)器視覺類課程作為研究對(duì)象，基于新媒體時(shí)代對(duì)人才的需求，分析目前數(shù)字媒體技術(shù)機(jī)器視覺類相關(guān)課程的教學(xué)現(xiàn)狀及面臨的主要問題。針對(duì)機(jī)器視覺類課程專業(yè)性較強(qiáng)及理論知識(shí)水平要求高而造成的學(xué)生厭學(xué)、學(xué)習(xí)效率低、教學(xué)效果差及課堂氣氛沉悶等不良現(xiàn)象，課題組提出基于智能化技術(shù)手段，通過采集學(xué)生課堂的實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)來追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到改進(jìn)教學(xué)方法、改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)藝工交融的目的，最終建立高水平的師資隊(duì)伍，培養(yǎng)卓越的創(chuàng)新型新時(shí)代人才。