人工智能教育背景下融入自主學(xué)習(xí)理念的“ 數(shù)字圖像處理” 課程教學(xué)改革

馮思為

關(guān)鍵詞 人工智能 數(shù)字圖像處理 自主學(xué)習(xí) 教學(xué)改革

人工智能作為一類新興技術(shù)現(xiàn)在已幾乎應(yīng)用于包括工業(yè)制造、醫(yī)療、金融等在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，在深刻改變著人類生產(chǎn)生活方式的同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步等方面產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。2017 年7 月，相關(guān)部門印發(fā)并實(shí)施《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，將加快培養(yǎng)聚集人工智能高端人才作為重點(diǎn)任務(wù)之一。2019 年2 月，相關(guān)部門發(fā)布《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，提出加快推進(jìn)信息化時(shí)代的教育變革，利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革。這些政策對(duì)人工智能人才的培養(yǎng)也提出更高的要求。因此，如何在人工智能時(shí)代中進(jìn)行新型人才培養(yǎng)是各個(gè)高校急需解決的問(wèn)題。

數(shù)字圖像處理是指一類通過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理的技術(shù)，在醫(yī)療和安全等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，“數(shù)字圖像處理”課程涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，且具有理論晦澀難懂、實(shí)踐要求高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生厭學(xué)情緒。此外，人工智能技術(shù)，尤其是基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，正極大地促進(jìn)著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理技術(shù)，融合了人工智能思想的新型數(shù)字圖像處理技術(shù)在圖像分類等相關(guān)任務(wù)上的表現(xiàn)有了大幅度提升。同時(shí)，人工智能時(shí)代下的數(shù)字圖像處理技術(shù)呈現(xiàn)出了快速更新和多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)。為緊跟人工智能時(shí)代的發(fā)展步伐，如何對(duì)本科生“數(shù)字圖像處理”課程進(jìn)行教學(xué)改革，使之能夠緊跟數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展前沿，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與時(shí)代發(fā)展的緊密結(jié)合，已經(jīng)成為本科生教學(xué)中一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文旨在探討基于自主學(xué)習(xí)的“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)模式，在保證基礎(chǔ)理論中核心知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)質(zhì)量外提升學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的自主性，增強(qiáng)其工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1教學(xué)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，大量高校采用集中教學(xué)的方式進(jìn)行“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)。就理論教學(xué)而言，教師通?；诮滩母髡鹿?jié)的編排對(duì)各種圖像處理算法的基本原理和應(yīng)用進(jìn)行逐一介紹。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師所布置的更多為驗(yàn)證性質(zhì)或演示性質(zhì)而非探索性或開放性的實(shí)驗(yàn)作業(yè)。在考核方式上，教師大多選擇試卷對(duì)課上所講授過(guò)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行考察，較少出現(xiàn)開放性考核。

這樣的教學(xué)方式簡(jiǎn)單高效，鼓勵(lì)學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的記憶和理解。然而，此類教學(xué)方式較難滿足在人工智能背景下培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐性人才的需求，理由如下：（1）國(guó)內(nèi)高校目前普遍采用岡薩雷斯教授所編寫的《數(shù)字圖像處理》作為教材。盡管內(nèi)容全面，這本教材中所介紹的方法大多過(guò)于陳舊，且較少介紹人工智能相關(guān)知識(shí);（2）過(guò)分強(qiáng)調(diào)對(duì)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難進(jìn)行系統(tǒng)性理解[1～2] ;（3）較少涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)的最新應(yīng)用和與其他相關(guān)學(xué)科的交叉融合情況，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)所學(xué)知識(shí)應(yīng)用前景的了解，使用所學(xué)相關(guān)理論、算法來(lái)解決實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所遇到的新問(wèn)題的能力也無(wú)法得到鍛煉;（4）填鴨式的授課方式和枯燥的實(shí)驗(yàn)任務(wù)難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生缺乏主動(dòng)性、參與性和協(xié)作性，進(jìn)而影響教學(xué)效果。

2教學(xué)改革探討

自主學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，基于自身的興趣或需求以自主探索的方式獲取知識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)方式。自主學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為核心，在教師的引導(dǎo)下自主構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。相較于傳統(tǒng)的接受性學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)更能夠激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和參與性，更加適合人工智能時(shí)代下數(shù)字圖像處理方向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐性人才培養(yǎng)的需要。本文基于自主學(xué)習(xí)理念，從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式三方面對(duì)現(xiàn)有“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)方式提出改革方案。

2.1理論教學(xué)改革

針對(duì)傳統(tǒng)“數(shù)字圖像處理”課程理論教學(xué)方式中所普遍存在的教材內(nèi)容陳舊、各知識(shí)點(diǎn)難以融會(huì)貫通和缺少對(duì)于所學(xué)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用前景介紹等問(wèn)題，本文從基礎(chǔ)理論與高層應(yīng)用兩個(gè)層面探討如何將自主學(xué)習(xí)的思想融入“數(shù)字圖像處理” 課程理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。

在基礎(chǔ)理論層面，在保證各知識(shí)點(diǎn)核心基礎(chǔ)理論不變且由授課教師講授的前提下基于學(xué)生的自主選擇不斷更新教學(xué)內(nèi)容。例如，在紋理特征表示相關(guān)章節(jié)，教師可著重介紹紋理特征的定義及相關(guān)例子，并簡(jiǎn)要介紹部分傳統(tǒng)紋理特征表示方法。學(xué)生可于課后分組進(jìn)行文獻(xiàn)搜索，以尋找當(dāng)下常用的基于人工智能的紋理特征表示方法，并在課上對(duì)所尋找到的方法進(jìn)行講解。教師可在文獻(xiàn)搜索過(guò)程中提供部分思路，并針對(duì)學(xué)生課上所講內(nèi)容的遺漏部分進(jìn)行補(bǔ)充。通過(guò)教師講解核心基礎(chǔ)理論和學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，學(xué)生既能掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)理論和最新方法，又能通過(guò)對(duì)比各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其改進(jìn)動(dòng)機(jī)，激發(fā)創(chuàng)新思維。

在進(jìn)行相關(guān)知識(shí)點(diǎn)講授之后，教師可對(duì)學(xué)生布置自主學(xué)習(xí)任務(wù)，以了解知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的高層應(yīng)用。這一過(guò)程可以使得學(xué)生在了解時(shí)下熱門人工智能應(yīng)用的同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通能力。同樣的方式也可用于使學(xué)生了解數(shù)字圖像處理技術(shù)與其他領(lǐng)域的交叉融合情況。

通過(guò)基礎(chǔ)理論與高層應(yīng)用的緊密結(jié)合，使得學(xué)生能夠在掌握數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，基于自主學(xué)習(xí)了解這些知識(shí)點(diǎn)所能進(jìn)行的具體應(yīng)用，從而為學(xué)以致用提供了方向。以此為思路優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，可在保證學(xué)生牢固掌握基本知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)提升學(xué)生的視野，為培養(yǎng)學(xué)生在人工智能時(shí)代下數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的實(shí)踐創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的重要延伸，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的重要途徑之一?；谏衔乃接懙睦碚摻虒W(xué)改革方案，本文在實(shí)驗(yàn)設(shè)置和工具使用兩方面對(duì)探討如何將自主學(xué)習(xí)的思想融入“數(shù)字圖像處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面，除了保留少數(shù)重要知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)增加綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為理論教學(xué)中基礎(chǔ)理論部分的延伸，其目標(biāo)在于使得學(xué)生通過(guò)實(shí)踐牢固掌握對(duì)應(yīng)重要知識(shí)點(diǎn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)置應(yīng)由教師完成，并且應(yīng)在教師的監(jiān)督下使得每一名學(xué)生保質(zhì)保量完成。綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)為理論教學(xué)中高層應(yīng)用部分的延伸，其目的在于拓寬學(xué)生的視野，使得學(xué)生通過(guò)實(shí)踐了解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的可能應(yīng)用場(chǎng)景。具體而言，綜合性實(shí)驗(yàn)主要包含數(shù)字圖像處理技術(shù)的經(jīng)典應(yīng)用，旨在鍛煉學(xué)生對(duì)核心算法融會(huì)貫通以解決問(wèn)題的能力;開放性實(shí)驗(yàn)則主要以當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)任務(wù)為內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和挖掘授課內(nèi)容以外的新方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。不同于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中教師制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的模式，綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)應(yīng)基于理論課堂中的自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，由各小組的學(xué)生自主制定本小組的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并由小組成員合作完成。通過(guò)自主制定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提出解決問(wèn)題的思路、方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)算法，完成實(shí)驗(yàn)作品，學(xué)生可在這個(gè)過(guò)程中得到創(chuàng)新與實(shí)踐能力的提升。

在實(shí)驗(yàn)工具方面，筆者建議學(xué)生使用Python 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)“數(shù)字圖像處理”課程實(shí)驗(yàn)主要以MATLAB 作為實(shí)驗(yàn)工具。而Python 作為當(dāng)前在人工智能領(lǐng)域被廣泛使用的編程語(yǔ)言，除了免費(fèi)之外，其相比起MATLAB 的主要優(yōu)勢(shì)在于開源所帶來(lái)的可移植性和強(qiáng)大的第三方生態(tài)，以及其作為通用編程語(yǔ)言所帶來(lái)的應(yīng)用面廣等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)使用Python，學(xué)生可以更為自由地將所學(xué)到的數(shù)字圖像處理知識(shí)點(diǎn)與人工智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而加深對(duì)于人工智能時(shí)代下數(shù)字圖像處理技術(shù)的理解。

2.3考核方式改革

現(xiàn)有的多數(shù)高校對(duì)于課程考核體系主要采用“平時(shí)成績(jī)+理論課成績(jī)+實(shí)驗(yàn)課成績(jī)”的固有考核模式。這種考核方式簡(jiǎn)單且方便，筆者認(rèn)為可繼續(xù)沿用。基于上文所探討的理論教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容，除了考查對(duì)核心基礎(chǔ)理論的掌握程度外，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)上的表現(xiàn)也應(yīng)被納入課程評(píng)分中。通過(guò)將自主學(xué)習(xí)納入考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)之中，便可以以課程成績(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，從而更好地激發(fā)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)上的自主性。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)人工智能時(shí)代下數(shù)字圖像處理技術(shù)變化快和領(lǐng)域交融的特點(diǎn)，提出了基于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革方案，并從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式三方面提出具體改革措施?；谧灾鲗W(xué)習(xí)的“數(shù)字圖像處理”課程改革能夠有效提升學(xué)生的主動(dòng)性、參與性和協(xié)作性，從而使學(xué)生能夠適應(yīng)新技術(shù)的快速發(fā)展趨勢(shì)，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力與理論水平，為人工智能時(shí)代下數(shù)字圖像處理方向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐性人才的培養(yǎng)提供幫助。