本科和研究生數(shù)字圖像處理課程的差異化教學(xué)思考

于迎霞，庫(kù)爾班·吾布力，古麗拉·阿東別克，黃志華

（新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

0 引 言

隨著圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展及其在社會(huì)各領(lǐng)域的廣泛深入應(yīng)用[1,2]，一些高校按照需求，面向高年級(jí)本科生或研究生開設(shè)了“數(shù)字圖像處理課程”，作為應(yīng)用型專業(yè)基礎(chǔ)必修的核心學(xué)位課程或全校性的公共選修課。有的高校還面向不同專業(yè)，如信號(hào)處理，遙感地理信息系統(tǒng)，有側(cè)重地選擇添加了與本專業(yè)方向相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行授課。部分高校，建設(shè)了精品課程網(wǎng)站，或?qū)ｉT設(shè)置了圖像處理中心和研究所，從事數(shù)字圖像處理的教學(xué)及科研工作。但也有一些高校，在同專業(yè)本科生和研究生中都開設(shè)了數(shù)字圖像處理課程，卻在課程名稱、內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)模式設(shè)計(jì)等方面沒有太大本質(zhì)差異，在碩士研究生階段的碩士教育相當(dāng)于重修了該門課程，出現(xiàn)了研究生教育本科化傾向，“弱學(xué)術(shù)化”傾向[3-5]。

幾年前，數(shù)字圖像處理技術(shù)研究熱點(diǎn)，較多集中在以低中層圖像工程為基礎(chǔ)的圖像處理和圖像分析方向[6,7]，大部分相關(guān)圖像課程教改文獻(xiàn)側(cè)重于基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，很少考慮本科生和研究生在該課程上的培養(yǎng)教育目標(biāo)差異，只關(guān)注課程本身的教學(xué)方法改進(jìn)，很少對(duì)環(huán)節(jié)改革、模式創(chuàng)新等提出針對(duì)性的教改。近幾年，數(shù)字圖像處理的理論與應(yīng)用迅猛發(fā)展，其研究?jī)?nèi)涵、研究方法、應(yīng)用領(lǐng)域等都大大改變[8]，需要及時(shí)對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)行更新。一些高校加大了本科階段的實(shí)踐比重，并且結(jié)合當(dāng)前主流的應(yīng)用領(lǐng)域和這個(gè)學(xué)科的前沿特性面向研究生開設(shè)高級(jí)數(shù)字圖像處理課程。如安徽工程大學(xué)[9]提出面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式改革，武漢理工大學(xué)[10]則進(jìn)行圖像處理教學(xué)與科研共建模式研究，同濟(jì)大學(xué)[8]提出研究生課程高級(jí)數(shù)字圖像處理的建設(shè)方案，北方工業(yè)大學(xué)[11]整合幾門圖像系列研究生課程，形成面向研究生培養(yǎng)的圖像工程課程群，北京航天航空大學(xué)[12]則嘗試圖像工程課程群本研貫通式一體化建設(shè)，這些教改都不同程度地開始考慮同課程本科和研究生教育教學(xué)的差異側(cè)重與整合。

1 課程差異化教學(xué)必要性分析

通過對(duì)《中華人民共和國(guó)學(xué)位條例》《中華人民共和國(guó)學(xué)位條例暫行實(shí)施辦法》中對(duì)學(xué)士、碩士學(xué)術(shù)水平和要求的規(guī)定作比較分析，不難發(fā)現(xiàn)碩士教育的重心是在以研究為基礎(chǔ)的專業(yè)教育，而本科教育的重心則是在以理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)為基礎(chǔ)的通識(shí)教育。但是，近幾年部分文獻(xiàn)研究分析[5]指出，碩士生教育呈現(xiàn)出了“本科化”傾向，主要體現(xiàn)在培養(yǎng)目標(biāo)、管理模式、教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容等方面缺乏差異性，在一定程度上影響了研究生教育的質(zhì)量。在教學(xué)方式上，本科多采用“教師講授為主，學(xué)生參與為輔”的教學(xué)方式，而碩士研究生教育總體選擇“講授”與“講授為主，討論為輔”這兩項(xiàng)的比例高達(dá)74.5%。在教學(xué)內(nèi)容上，部分研究生課程內(nèi)容與本科大量重復(fù)，課程難度小。正如謝安邦教授[13]所說，“研究生教育的部分課程的高深層級(jí)性只是體現(xiàn)在對(duì)本科生課程內(nèi)容在橫向?qū)用嫔献髌矫媸降臄U(kuò)展上，沒有凸顯研究生教育在課程內(nèi)容上的要求和特色”。

（1）從本科生和研究生培養(yǎng)方案入手，“本科生和研究生教育的共性在于，它們同屬于高等教育范疇，且都是培養(yǎng)高級(jí)專門人才的專業(yè)教育；而研究生教育區(qū)別于本科教育的特有屬性則表現(xiàn)為它的研究性、創(chuàng)造性、最高層次性和它既出人才又出成果的雙效性”。[14]。從該層面考慮，通才和精英教育，本科生和研究生在培養(yǎng)目標(biāo)上存在著很大的差異，實(shí)施課程的差異化教學(xué)十分必要。

（2）從課程體系所包含的內(nèi)容來分析，為了保證圖像工程知識(shí)體系的完整性，大部分參考教材都以低層圖像處理為主，涉及少部分高層知識(shí)。碩士教育的重心是在以研究為基礎(chǔ)的專業(yè)教育，而本科教育的重心則是在以理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)為基礎(chǔ)的通識(shí)教育[5]。這些常用參考書能滿足本科生的知識(shí)擴(kuò)充和對(duì)圖像進(jìn)行基本處理的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)需求，但研究生與本科階段不同，研究生教育需要系統(tǒng)化、深入化、專業(yè)化、前沿化知識(shí)的應(yīng)用和研究能力培養(yǎng)，因此差異化教學(xué)十分必要。

（3) 從知識(shí)建構(gòu)模式來考慮，本科重概念建構(gòu)，碩士重問題探索建構(gòu)[5]。本科階段和研究生階段的知識(shí)建構(gòu)模式不同，其教學(xué)側(cè)重也會(huì)因此而產(chǎn)生差異。

綜上，為了迎合本科生和研究生培養(yǎng)目標(biāo)的不同需求，提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)技術(shù)學(xué)科的發(fā)展，實(shí)施差異化教學(xué)及合理良性的課程銜接改革，是該課程教學(xué)中必須要考慮的一個(gè)問題。

2 本科和研究生課程的差異化教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 本校本科和碩士研究生課程現(xiàn)狀比較分析

從本校的本碩課程情況比較表（表1）中作以下分析。

表1 本校本碩課程情況比較

（1）授課教師職稱。本科階段授課教師既包含講師，還包含副教授和教授，形成階梯教學(xué)團(tuán)隊(duì)，而碩士階段全部是教授授課，這一點(diǎn)保證了高學(xué)歷專業(yè)人才培養(yǎng)的高水平。

（2）教學(xué)目標(biāo)。本科的教學(xué)目標(biāo)主要是注重全面基礎(chǔ)知識(shí)的講授，Matlab編程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。碩士研究生階段則關(guān)注如何應(yīng)用圖像處理知識(shí)，并為應(yīng)用型的專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。

（3）課時(shí)安排及實(shí)踐環(huán)節(jié)。本科階段的總學(xué)時(shí)數(shù)大于碩士研究生的學(xué)時(shí)，這有利于本科階段全面知識(shí)的掌握，實(shí)施“講授為主”，同時(shí)輔以Matlab編程實(shí)踐能力的鍛煉。但碩士研究生階段課時(shí)量少，并且缺乏實(shí)踐練習(xí)，存在一定的缺陷。

（4）教學(xué)內(nèi)容。相比本科教學(xué)，在研究生教學(xué)內(nèi)容中減少了低層圖像處理的學(xué)時(shí)比重，增加了中高層圖像分析和圖像處理的學(xué)時(shí)比重，體現(xiàn)了圖像工程知識(shí)體系的層次性特點(diǎn)和本碩知識(shí)側(cè)重的考慮，但在圖像處理層次，碩士研究生教學(xué)仍占了其絕大部分的學(xué)時(shí)。

（5）教材比較。研究生所選用的經(jīng)典教材,理論知識(shí)部分難度增加，全面深入且專業(yè)化，本科生教材則偏重基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單理論介紹及Matlab實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力的綜合培養(yǎng)，符合本科重全面知識(shí)和實(shí)踐能力鍛煉、研究生重專業(yè)培養(yǎng)的初衷。

（6）教學(xué)模式設(shè)計(jì)，教學(xué)環(huán)節(jié)，期末考核。首先，研究生教學(xué)環(huán)節(jié)中，無論課上還是課下，均沒有安排實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，并且與本科階段的教學(xué)模式設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)差異也并不大，碩士研究生仍按照“講授為主”的傳統(tǒng)教學(xué)模式。在這一點(diǎn)上，“數(shù)字圖像處理研究生”課程在研究生教育階段存在“弱研究化”“弱學(xué)術(shù)化”傾向。在考核方式上，研究生考核采用了與本科不同的方式。

（7）無論是本科，還是碩士研究生階段，“數(shù)字圖像處理”都是作為一門單獨(dú)的專業(yè)課開設(shè)。即使在碩士研究生階段選擇開設(shè)了“模式識(shí)別”課程，將模式識(shí)別在圖像處理中的很多案例包含在該課程的講授內(nèi)容中，也并沒有形成一個(gè)完善的數(shù)字圖像處理應(yīng)用型課程。

2.2 國(guó)內(nèi)其他雙一流建設(shè)高校開課情況

從國(guó)內(nèi)B類雙一流建設(shè)的6所高校官方網(wǎng)站上發(fā)布的本科和研究生培養(yǎng)方案計(jì)劃或課程建設(shè)中查閱到，鄭州大學(xué)、云南大學(xué)、湖南大學(xué)、新疆大學(xué)4所大學(xué)在本科和碩士階段開設(shè)的課程基本同名，但是西北農(nóng)林科技大學(xué)的地理信息科學(xué)學(xué)院本科專業(yè)開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”，碩士階段則開設(shè)了“圖像分析”和“遙感圖像”兩門與專業(yè)相關(guān)的圖像工程類課程，東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)則在本科階段開設(shè)了“數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺”，碩士研究生階段分別開設(shè)了“圖像處理分析與識(shí)別”和“計(jì)算機(jī)視覺”兩門課程。

相比較而言，A類雙一流建設(shè)的36所高校則呈現(xiàn)出了多樣性。許多此類高校如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等擁有專門的圖像信息處理研究所承擔(dān)教學(xué)和科研工作，其本科和碩士所開設(shè)的課程已構(gòu)成一個(gè)比較全面的圖像工程課程體系。比較典型的如清華大學(xué)，本科階段開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”，而研究生階段則開設(shè)了“數(shù)字圖像處理學(xué)”“圖像分析”“圖像理解”“數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用”“視頻信號(hào)處理”“基于內(nèi)容的視覺信息檢索”等相關(guān)圖像工程課程。吉林大學(xué)則在本科階段同時(shí)開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”“數(shù)字圖像通信”“圖像分析與應(yīng)用”“數(shù)字圖像處理（雙語）”等。還有一些高校，如武漢大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)則有區(qū)別地在本科和碩士階段開設(shè)了不同名稱的具體應(yīng)用的課程，如本科開設(shè)“數(shù)字圖像處理”“數(shù)字圖像處理導(dǎo)論”，碩士階段就開設(shè)“數(shù)字圖像處理與視頻處理”“數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別”“圖像處理與分析”[15]等。這些高校中有的將雙語教學(xué)引入了課程，如上海交大，還有的在碩士階段的該課程中添加了圖像處理新技術(shù)，如吉林大學(xué)。

綜上，本校的數(shù)字圖像處理課程雖考慮到了本科和碩士研究生的差異，但在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式上并沒有較大的突破，需要嘗試進(jìn)一步的改革，以提升教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果。而在國(guó)內(nèi)一些雙一流建設(shè)的頂尖高校中，數(shù)字圖像處理課程體系在本科和碩士階段趨向差異化和本研貫通式一體化建設(shè)的特征明顯。

2.3 本科和研究生的差異化教學(xué)設(shè)計(jì)思考

1）授課教師選擇。

無論本科階段還是研究生階段的授課，都應(yīng)該注重培養(yǎng)具有較高學(xué)術(shù)科研水平及指導(dǎo)能力的教師為任課教師。研究生授課主講教師更應(yīng)選擇在該方向上具有科研成果的研究生導(dǎo)師，其擁有淵博的知識(shí)修養(yǎng)和豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，活躍在學(xué)術(shù)前沿，并在本學(xué)科具有一定的影響力。在授課時(shí)，鼓勵(lì)有科研成果的碩士研究生和博士研究生參與到學(xué)術(shù)沙龍講座中，拓寬知識(shí)面的同時(shí)，分享新的研究熱點(diǎn)和解決問題的思維方法。

2）授課內(nèi)容側(cè)重。

本科教育更多的是一種通識(shí)教育[5]，其知識(shí)構(gòu)成主要是“基礎(chǔ)知識(shí)＋專業(yè)知識(shí)”，學(xué)生只需要掌握一定的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐能力，形成全面、完整的專業(yè)理論素養(yǎng)，為以后的深入學(xué)習(xí)和工作建立基礎(chǔ)。圖像工程中的圖像處理層次的全部基礎(chǔ)內(nèi)容和圖像分析的部分內(nèi)容應(yīng)納入本科課程的核心授課內(nèi)容，而在學(xué)時(shí)允許的情況下，可以有選擇地講授圖像理解層次，以擴(kuò)充知識(shí)面。

研究生階段授課內(nèi)容則要重視教學(xué)內(nèi)容的前沿性與實(shí)踐性，即專業(yè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)、重點(diǎn)以及尚存爭(zhēng)議性的問題和研究發(fā)展的新動(dòng)向[13]。數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，而目前通用的經(jīng)典數(shù)字圖像處理教材更新較慢，碩士研究生階段的系列課程除了介紹最基本的圖像處理分析理解基礎(chǔ)知識(shí)外，更要添加補(bǔ)充專業(yè)性和應(yīng)用性較強(qiáng)的一些教學(xué)內(nèi)容，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生物特征識(shí)別等。任課教師要在有限的時(shí)間內(nèi)講授完該課程的這些有關(guān)內(nèi)容是不現(xiàn)實(shí)的，因此課堂上只能選擇較為重點(diǎn)、核心的部分進(jìn)行講解，其他的則需要學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)。專業(yè)前沿知識(shí)的充實(shí)，一方面依靠課下閱讀數(shù)字圖像處理前沿文獻(xiàn)資料，另一方面需要任課導(dǎo)師在授課時(shí)分享自己的科研成果或課題組最新的研究方向。同時(shí)，還必須通過課余的專家技術(shù)講座、學(xué)術(shù)沙龍等環(huán)節(jié)來獲取前沿知識(shí)。

3）教學(xué)模式及環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

數(shù)字圖像處理屬于一門交叉學(xué)科，其內(nèi)容豐富多樣，和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用結(jié)合比較緊密。但本科階段的教學(xué)方法還是仍應(yīng)以專業(yè)知識(shí)的講授為主，輔助以實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室的環(huán)節(jié)，基于Matlab或VC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，可以通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)則以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主，選做部分開放性、研究性實(shí)驗(yàn)。目前一些數(shù)字圖像處理教改文獻(xiàn)中的教學(xué)模式都可以結(jié)合應(yīng)用，豐富教學(xué)過程。筆者在本科教學(xué)中引入的課程設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，連續(xù)實(shí)踐了3年，在學(xué)生中反響較好，許多學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)數(shù)字圖像處理方向的課題表現(xiàn)出了極濃厚的興趣，還有的學(xué)生在碩士研究生專業(yè)方向選擇上都傾向于圖像處理相關(guān)方向。

碩士研究生教育的教學(xué)方式，在教學(xué)模式設(shè)計(jì)上除了沿用傳統(tǒng)的本科教學(xué)模式，還應(yīng)采取“啟發(fā)式探索式教學(xué)”，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新科研能力以及獨(dú)立思考解決問題的能力。教學(xué)模式可以選擇“講授為輔”，通過采用研討式教學(xué)，如學(xué)術(shù)沙龍、學(xué)術(shù)報(bào)告、課堂討論以及案例教學(xué)等形式來開展。實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方面也應(yīng)以開放性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)為主，同時(shí)增加文獻(xiàn)閱讀整理和外文授課的比重，按需求進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)模式探索。

無論本科教學(xué)，還是研究生教學(xué)，都可參考結(jié)合信息技術(shù)新時(shí)代的一些混合教學(xué)模式，如線上線下基于云平臺(tái)MOOC，或基于雨課堂，或根據(jù)學(xué)校的軟硬件條件，建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立精品課程網(wǎng)站，共享教學(xué)資料，增加與學(xué)生的互動(dòng)交流環(huán)節(jié)，形成多元化課程教學(xué)模式。

4）課程體系建設(shè)。

借鑒參考一些國(guó)內(nèi)一流大學(xué)的先進(jìn)教改實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可按需對(duì)圖像工程專業(yè)相關(guān)課程進(jìn)行改革，逐步形成圖像處理、圖像分析和圖像理解3個(gè)層次的圖像課程群。優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，增加本科和研究生系列課程的銜接性，減少課程內(nèi)容的重復(fù)以及側(cè)重點(diǎn)模糊的缺陷，構(gòu)建本研貫通式一體化建設(shè)。同時(shí)，搭建合理的課程建設(shè)方案評(píng)估體制，不斷改進(jìn)和提升教學(xué)質(zhì)量。從同濟(jì)大學(xué)研究生高級(jí)數(shù)字圖像處理課程建設(shè)方案、武漢大學(xué)研究生課程建設(shè)改革、北方工業(yè)大學(xué)課程整合、北京理工大學(xué)研究生課程多元化教學(xué)改革和北航本研貫通式一體化建設(shè)效果來看[8,11,12,15,16]，這樣既考慮差異，又融合研究生教育特點(diǎn)的課程體系改革，對(duì)課程學(xué)科的發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用，可形成一個(gè)良性的教學(xué)循環(huán)。

5）考核方式。

本科教學(xué)的傳統(tǒng)考核方式多采用閉卷考試，在平時(shí)成績(jī)中可增加實(shí)踐、翻轉(zhuǎn)課堂、課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)來綜合考查學(xué)生對(duì)本門課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。

研究生的考核方式則不應(yīng)局限于閉卷考試，更應(yīng)注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用和研究創(chuàng)新能力的考核，可采用課程論文、項(xiàng)目開展等方式來綜合評(píng)價(jià)。

3 結(jié) 語

目前，許多高校都在相關(guān)專業(yè)的本科和研究生培養(yǎng)中開設(shè)了系列課程，而各高校在圖像工程課程群建和方面還處在起步階段[12]，同時(shí)，仍有不少高校沒有對(duì)本科生和研究生進(jìn)行該課程的詳細(xì)全面的差異化教學(xué)設(shè)計(jì)，本文所提出的本科生和研究生課程差異化教學(xué)思考，為此提供了一個(gè)借鑒的思路，也將慢慢在本校的授課中逐漸實(shí)行推廣。