基于新工科理念的計算機視覺實訓(xùn)課程教學(xué)改革探討

劉東 蘭宇琳 劉耀輝 方芳

摘? 要 近年來，計算機視覺技術(shù)作為人工智能的重要分支，呈現(xiàn)出新技術(shù)更新速度快、學(xué)科交叉融合等發(fā)展新勢態(tài)。在新工科背景下提出計算機視覺實訓(xùn)課堂五模式，即通過構(gòu)建技術(shù)講解、交叉學(xué)科、仿真實驗、展示與答疑、CV實戰(zhàn)等五課堂模式進行課程教學(xué)改革。實施成效表明，所提出的教學(xué)改革方法可在一定程度上突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限，滿足培養(yǎng)人工智能創(chuàng)新人才的需要。

關(guān)鍵詞 新工科;計算機視覺;實訓(xùn)課程;教學(xué)改革;教學(xué)資源;創(chuàng)新能力;仿真實驗平臺

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）24-0122-04

Educational Reform Research of Computer Vision Training

Courses based on New Engineering Concept//LIU Dong， LAN Yulin， LIU Yaohui， FANG Fang

Abstract Recently， computer vision technology， as an important branch of artificial intelligence， presents a new development trend， such as rapid updating of new technologies， interdisciplinary integra-

tion， and so on. Under the background of new engineering， this paper

proposes five teaching modes of computer vision training， i.e.， tech-

nical explanation， cross-discipline， simulation experiment， demon-

stration and mentoring， and computer vision practice. The implemen-

tation results show that the proposed teaching reform method can break through the limitations of traditional teaching mode to a cer-tain extent and meet the needs of cultivating innovative talents in artificial intelligence.

Key words new engineering; computer vision; training courses; tea-ching resources; innovation ability; simulation experiment platform

0? 引言

近年來，國家相繼提出“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”“中國制造2025”和“人工智能2.0”等一系列重大發(fā)展戰(zhàn)略政策。為適應(yīng)國家新時代戰(zhàn)略發(fā)展，新工科建設(shè)為高等教育帶來工程教育新理念、人才培養(yǎng)新模式和教育教學(xué)改革的新挑戰(zhàn)。培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、創(chuàng)新實踐能力強、具備跨學(xué)科知識的新工科人才，對于以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新模式為特點的經(jīng)濟快速發(fā)展具有重要的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。

目前在學(xué)科建設(shè)中，人工智能與各個學(xué)科交叉融合，極大地促進了新工科、新醫(yī)科的發(fā)展[1]。其中，計算機視覺是人工智能研究領(lǐng)域的重要分支，是一門研究如何使機器看的科學(xué)，主要探索研究能夠從圖像或視頻數(shù)據(jù)中獲取信息的人工智能系統(tǒng)，在醫(yī)學(xué)輔助診斷、軍事國防、航空航天、工業(yè)制造等諸多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。計算機視覺實訓(xùn)課程通常作為計算機、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)學(xué)影像、遙感、人工智能等專業(yè)的選修課或方向?qū)嵱?xùn)課，日益受到重視。該課程充分體現(xiàn)出科學(xué)前沿與學(xué)科交叉融合的特點，對于培養(yǎng)學(xué)生在新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新實踐能力具有重要的意義。

因此，本文主要探討新工科理念下計算機視覺實訓(xùn)課程教學(xué)改革，以提升學(xué)生在新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新與實踐能力為導(dǎo)向，構(gòu)建計算機視覺實訓(xùn)課堂五模式，優(yōu)化課程內(nèi)容，融合交叉學(xué)科，以期解決現(xiàn)有教學(xué)過程中存在的不足。

1? 研究現(xiàn)狀分析

1.1? 計算機視覺技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

計算機視覺技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已呈現(xiàn)出新勢態(tài)。首先，新理論與新算法不斷被提出，應(yīng)用場景持續(xù)擴大，技術(shù)革新速度不斷加快。許多傳統(tǒng)的方法得到進一步優(yōu)化，以深度學(xué)習(xí)為代表的大數(shù)據(jù)驅(qū)動方法將圖像分類與分割等任務(wù)的性能推上一個新臺階，具有一定可解釋性的新模型也不斷在復(fù)雜場景中得到驗證。其次，計算機視覺在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、家居、交通等諸多領(lǐng)域全面開花，學(xué)科交叉融合的趨勢日益明顯，成為實現(xiàn)人工智能驅(qū)動多元場景智能化中至關(guān)重要的一環(huán)。再次，計算機視覺技術(shù)面向?qū)嶋H場景落地的需求日益增長，輕量化、嵌入式部署逐漸成為其重要的發(fā)展方向。最后，計算機視覺人才需求持續(xù)旺盛，計算機視覺工程師、模式識別工程師，尤其具有交叉學(xué)科背景的相關(guān)畢業(yè)生，成為各大企業(yè)爭相追逐的人才。

1.2? 計算機視覺實訓(xùn)課程教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

部分國內(nèi)外學(xué)者對計算機視覺課程教學(xué)改革進行積極探索，如課程思政元素引入[2]、教學(xué)手段改革[3]、實驗教學(xué)改革[4]等，這些方法在一定程度上促進了教學(xué)質(zhì)量的提升，但多數(shù)集中在理論課程的改革，未針對實訓(xùn)課程的特點，亦尚未形成完整的體系。計算機視覺實訓(xùn)課程作為一門新興的綜合課程，建設(shè)時間較短，尚存在如下幾個方面的問題。

1.2.1? 部分教材內(nèi)容較為陳舊? 計算機視覺作為前沿科學(xué)研究熱點，技術(shù)發(fā)展日新月異，許多傳統(tǒng)的基礎(chǔ)算法已被新技術(shù)所替代，目前教學(xué)內(nèi)容缺乏對前沿技術(shù)的擴展。

1.2.2? 學(xué)科交叉的特點體現(xiàn)不充分? 計算機視覺在智慧醫(yī)療、智能制造等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用，目前缺少對跨學(xué)科教學(xué)場景的挖掘與應(yīng)用。

1.2.3? 教學(xué)模式不夠多元? 傳統(tǒng)的理論基礎(chǔ)與實驗實訓(xùn)教學(xué)模式不足以充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

1.2.4? 多場景的虛擬實驗平臺有待進一步集成? 目前的實驗手段較為單一，一般僅限于單一平臺的程序開發(fā)，缺乏從算法到實現(xiàn)、從實現(xiàn)到部署，從需求到設(shè)計、從設(shè)計到作品的訓(xùn)練閉環(huán)，使得學(xué)生在面對復(fù)雜應(yīng)用作品開發(fā)時難以勝任。因此，在新工科背景下，如何對計算機視覺實訓(xùn)課程進行教學(xué)改革，是人工智能人才培養(yǎng)亟待解決的問題。

2? 教學(xué)改革探討

2.1? 計算機視覺實訓(xùn)課堂五模式的構(gòu)建

針對計算機視覺實訓(xùn)課程所具有的科學(xué)前沿性、學(xué)科交叉性、實踐創(chuàng)新性等特點，本文研究構(gòu)建實訓(xùn)課程教學(xué)五模式，以滿足新工科背景下課程教學(xué)改革的需要。如圖1所示，計算機視覺實訓(xùn)課程教學(xué)五模式主要包括：

1）技術(shù)講解課堂;

2）交叉學(xué)科課堂;

3）仿真實驗課堂;

4）展示與答疑課堂;

5）CV（Computer Vision）實戰(zhàn)課堂。

2.2? 實訓(xùn)課堂五模式的應(yīng)用

2.2.1? 更新前沿技術(shù)，優(yōu)化知識講解課堂? 在新工科背景下對計算機視覺實訓(xùn)課程知識講解內(nèi)容進行優(yōu)化。首先，在基礎(chǔ)知識方面刪減部分難以適應(yīng)行業(yè)場景需求的陳舊技術(shù)，如部分底層視覺特征提取方法及簡單場景下的機器學(xué)習(xí)方法。通過淘汰過時的技術(shù)講解，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，使其可以適應(yīng)人工智能技術(shù)快速發(fā)展的步伐。其次，引入計算機視覺領(lǐng)域研究的前沿方法和目前工業(yè)中使用的熱門技術(shù)，如表1所示，以新算法、新思想、新應(yīng)用為驅(qū)動，豐富知識講解內(nèi)容，使得學(xué)生在實訓(xùn)課程中鍛煉理論與創(chuàng)新的能力，適宜新技術(shù)和新行業(yè)的發(fā)展要求?？偟膩碚f，在知識講解課堂，兼顧基礎(chǔ)，聯(lián)系實際，突出前沿，拓寬學(xué)生的人工智能視野，提高水平，為培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

2.2.2? 情景式跨學(xué)科案例，構(gòu)建交叉學(xué)科課堂? 當(dāng)前，人工智能與其他領(lǐng)域?qū)W科呈現(xiàn)出共融共生、相互助力、協(xié)同發(fā)展的新勢態(tài)。在計算機視覺課程中構(gòu)建交叉學(xué)科課堂，將計算機視覺核心技術(shù)融入醫(yī)學(xué)、工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、遙感等多個領(lǐng)域，設(shè)置情景式跨學(xué)科實訓(xùn)案例，如表2所示。這樣一方面能使核心知識點在真實跨領(lǐng)域場景中生根發(fā)芽，提升學(xué)生對復(fù)雜工程問題的實際解決能力;另一方面能夠有效擴大學(xué)生的知識廣度與深度，增強多學(xué)科學(xué)術(shù)視野，為培養(yǎng)跨學(xué)科的人工智能復(fù)合創(chuàng)新人才提供范式。

2.2.3? 多平臺支撐，共建仿真實驗課堂? 計算機視覺實訓(xùn)課程中涉及大量圖像數(shù)據(jù)處理與深度學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)，借助軟硬件開發(fā)平臺，構(gòu)建仿真實驗課堂，有助于增強實訓(xùn)效果。仿真實驗平臺主要包括以下幾個方面。

1）線上共建仿真實驗平臺，與頭歌等實踐教學(xué)平臺共建計算機視覺實訓(xùn)平臺，建立學(xué)、練、評、測一體化實驗環(huán)境。該環(huán)境的優(yōu)點是支持云端編程環(huán)境，實現(xiàn)自動化部署，塊化執(zhí)行與交互式對比實驗結(jié)果，同時省略對本地設(shè)備與環(huán)境的依賴;缺點是對課程資源以外的案例與項目難以支持。

2）根據(jù)實際項目的特點，綜合利用TensorFlow、Keras、

PyTorch等開源學(xué)習(xí)框架，在本地搭載實驗平臺，同時結(jié)合案例需求，選擇合適的框架與版本。比如在移動和嵌入式設(shè)備上部署模型時，選擇輕量級庫TensonFlow Lite;對一些模型在不需要分解情況下選擇代碼更短的Keras;等等。這種本地搭載的實驗平臺的優(yōu)點在于可以更廣泛地支持任何案例，學(xué)生亦可從到至尾地開展作品開發(fā)與移植;缺點是對本地高性能實驗設(shè)備性能依賴較高。

3）此外，利用百度飛漿（PaddlePaddle）提供的深度學(xué)習(xí)與圖像處理框架，以及高性能部署和集成方案，構(gòu)建實訓(xùn)實驗平臺。該方案優(yōu)點是可為學(xué)生提供部分免費的高性能算力，使得項目開發(fā)過程十分高效。

2.2.4? 以講演促提升，活躍展示與答疑課堂? 在實訓(xùn)課程考核中設(shè)置項目講演環(huán)節(jié)，每個項目設(shè)置八分鐘演示與七分鐘答辯。其中，演示部分包括項目背景、技術(shù)路線、創(chuàng)新點、成果展示等內(nèi)容，可使用PPT或者視頻展示的方式;答辯環(huán)節(jié)，由指導(dǎo)教師就解決方案、創(chuàng)新要點、應(yīng)用價值等方面進行提問。通過“展示與答疑課堂”，一方面讓學(xué)生對整個實訓(xùn)項目進行梳理與總結(jié)，建立知識網(wǎng)絡(luò)圖譜與理解復(fù)雜工程項目研發(fā)脈絡(luò);另一方面，鍛煉學(xué)生的口頭表達與項目展示能力，同時通過答辯的方式提煉項目的亮點與不足之處，進一步深化對項目的理解。此外，從教師的視角來看，通過答辯環(huán)節(jié)與學(xué)生進行高效互動，幫助學(xué)生解決疑惑與難點，填補學(xué)生知識盲區(qū)，不斷迭代優(yōu)化教學(xué)過程，同時挖掘優(yōu)秀的項目與案例作為學(xué)科競賽基礎(chǔ)及后續(xù)教學(xué)案例。

2.2.5? 以競賽與創(chuàng)新項目促超越，助力CV實戰(zhàn)課堂? 在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”國家戰(zhàn)略實施背景下，各項學(xué)科競賽百花齊放，已成為大學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力的重要方式。計算機視覺技術(shù)作為人工智能與各領(lǐng)域交叉融合的重要分支，在計算機作品設(shè)計、人工智能作品設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)作品設(shè)計等學(xué)科競賽中發(fā)揮著重要作用，因此，在實訓(xùn)過程中以學(xué)科競賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為引導(dǎo)，構(gòu)建CV實戰(zhàn)課堂，實現(xiàn)從知識點訓(xùn)練到創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，乃至到創(chuàng)業(yè)思維與能力的升華。

具體來說，構(gòu)建CV實戰(zhàn)課堂重點側(cè)重以下幾方面內(nèi)容：

1）以項目落地為驅(qū)動，梳理計算機視覺作品整體的創(chuàng)新性與應(yīng)用價值;

2）從算法先進性的角度，考慮模型運行的精度與時間效率，進一步改善與優(yōu)化;

3）從作品研發(fā)的角度，考慮系統(tǒng)是否完整、成熟，在必要的場景中解決嵌入式設(shè)備部署的問題;

4）站在用戶的視角，考慮作品的功能是否齊全，人機交互是否便利，在同類產(chǎn)品中是否有競爭力;

5）站在創(chuàng)業(yè)者的角度，如何對知識產(chǎn)權(quán)進行保護，如何對項目進行孵化、銷售、運營與融資，等等。

完善上述CV實戰(zhàn)課堂的內(nèi)容，使學(xué)生作品研發(fā)接近成熟，繼而參加學(xué)科競賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目成為水到渠成的事情。以學(xué)科競賽為驅(qū)動，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀性和積極性得到提高，綜合能力、團隊意識和創(chuàng)新能力亦得到培養(yǎng)。

2.3? 成效與啟示

筆者以所在高校為例，進行計算機視覺實訓(xùn)課堂五模式的教學(xué)改革，取得良好的教學(xué)成效，具體體現(xiàn)在：學(xué)生對計算機視覺前沿技術(shù)有較深的了解，具備一定的使用人工智能技術(shù)解決跨學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，具備知識成果保護與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維。學(xué)生成果方面，近三年獲國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目四項、省級三項，獲省級以上學(xué)科競賽獎勵10余項目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文六篇，申請軟件著作權(quán)10項，其中三個項目與企業(yè)簽訂合作孵化協(xié)議?？傮w上來說，學(xué)生通過計算機視覺實訓(xùn)，具備了人工智能與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維，提升了動手實踐能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了解決跨學(xué)科復(fù)雜工程性問題的能力。

經(jīng)過教學(xué)改革實踐，總結(jié)經(jīng)驗與啟示如下。

1）選擇具有交叉學(xué)科背景的實訓(xùn)項目，拓寬學(xué)生學(xué)術(shù)視野，激發(fā)課堂活力。每個項目的選題需要教師認(rèn)真擬定，既要具有一定的技術(shù)理論前沿性，又能解決交叉領(lǐng)域的實際問題，同時具備良好的應(yīng)用價值，訓(xùn)練成果能夠支持學(xué)生參加學(xué)科競賽與撰寫學(xué)術(shù)論文等。

2）以學(xué)科競賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目為抓手，激發(fā)學(xué)生主觀能動性，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力。學(xué)科競賽、創(chuàng)新項目、學(xué)術(shù)論文等實訓(xùn)成果的產(chǎn)出不僅讓學(xué)生真實感受到項目研發(fā)與落地的成就感，也讓學(xué)生在申請獎學(xué)金、考研復(fù)試等后續(xù)過程中獲得支撐。實訓(xùn)課堂五模式下學(xué)生取得的部分成果如表3所示。

3）適當(dāng)融入課堂思政，培養(yǎng)學(xué)生高尚情操與健康心理。一個實訓(xùn)項目的完成涉及創(chuàng)意、算法、代碼規(guī)范、合作、知識產(chǎn)權(quán)保護等一系列問題，在不同的環(huán)節(jié)融入課程思政元素，可有效地幫助學(xué)生樹立誠信、團隊合作、敬業(yè)等良好品德，同時結(jié)合醫(yī)學(xué)、交通等跨學(xué)科的場景，也讓學(xué)生意識到健康、遵紀(jì)守法等的重要性。

3? 總結(jié)

本文首先分析新工科理念下計算機視覺技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，從理論與應(yīng)用層面闡述計算機視覺實訓(xùn)課程教學(xué)改革面臨的挑戰(zhàn);接著提出計算機視覺實訓(xùn)課程教學(xué)五模式，從技術(shù)講解、交叉學(xué)科、仿真實驗、展示與答疑、CV實戰(zhàn)等五方面論述實訓(xùn)課程的改革措施與實施要點，并結(jié)合筆者所在單位的實施成效，闡述改革過程中的經(jīng)驗與啟示。本文研究成果對于完善計算機視覺實訓(xùn)課程具有良好的促進作用，為培養(yǎng)具有交叉學(xué)科背景的人工智能創(chuàng)新實踐人才提供助力?！?/p>

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