《數(shù)字圖像處理》課程中灰度變換與空間濾波章節(jié)的育人思考

申琪琪，馬苗，武杰，田卓鈺

（陜西師范大學 計算機科學學院，陜西 西安）

一 引言

2020年5月，教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出：“理學、工學類專業(yè)課程要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養(yǎng)結合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力”[1]。結合新工科建設要求，各高校工學類專業(yè)教師在教學設計與實施過程中，應關注學生的工程倫理教育，培養(yǎng)其精益求精的大國工匠精神，激發(fā)工科類學生科技報國的家國情懷和使命擔當精神，加強研究生對社會主義建設者和接班人的使命感，使得思想教育與知識傳授同向同行。

二 《數(shù)字圖像處理》課程簡述

課程思政指在各種非思政課中巧妙地融入思政元素，力爭做到潤物細無聲地逐步影響學生的道德品行，從理論知識、價值理念以及精神追求等方面逐一提升。課堂是人才培養(yǎng)的主陣地，因此教師在教學過程中將思政教育元素融入教學當中，引導學生了解國情、黨情和民情，增強對黨的理論創(chuàng)新的政治認同、思想認同、情感認同，堅定四個自信意義重大。

為建設高水平人才培養(yǎng)體系，重點抓好高校課程思政建設，陜西師范大學出臺了一系列鼓勵政策和措施，在本科生和研究生課程中均涌現(xiàn)出一批示范思政課和優(yōu)秀案例，努力實現(xiàn)思政課程與課程思政相輔相成，培養(yǎng)高質量優(yōu)秀人才[2]。

《數(shù)字圖像處理》是我校計算機類研究生的專業(yè)選修課程，也是計算機視覺方向中十分重要的基礎課程，對很多研究生后續(xù)的科學研究工作起到承上啟下的重要作用。課程要求學生掌握圖像的數(shù)字化以及基本的圖像處理原理和方式，引導研究生將圖像處理技術應用到各自的研究領域?？紤]到課程特點，我們選用了國內外有較好聲譽的經(jīng)典教材——《數(shù)字圖像處理》（岡薩雷斯著）第三版。

此教材不僅講述數(shù)字圖像處理技術的基礎知識、基本原理和基本方法，而且提供了醫(yī)學、天文、交通等各個領域的豐富實例。通過這些基礎專業(yè)知識和各類應用實例分析可以精心設計和提煉很多思政元素，自然地融入第一課堂，培養(yǎng)研究生勇于探索的科學家精神、精益求精的工匠精神，激發(fā)他們的專業(yè)自信與責任擔當意識，牢固樹立科技報國的理想信念。尤其在新工科建設背景下，人工智能技術飛速發(fā)展，與之密切相關的計算機視覺技術、數(shù)字圖像處理技術等相關領域的學習對工科學生來說意義重大。通過本課程的學習，研究生不僅應掌握相關的專業(yè)技術知識，而且能夠學以致用，善于發(fā)現(xiàn)和解決現(xiàn)實中的復雜工程問題，增強學生的成就感，不斷提高綜合素質，為將來走向工作崗位積累經(jīng)驗、鍛煉本領，成為一名合格的社會主義建設者和接班人。

三 教學內容與思政元素分析

本文以教材第3章“灰度變換與空間濾波”為例，探討“教書”與“育人”同頻共振的新模式。該章特點是在空間域對圖像進行處理，其中：灰度變換對圖像進行點處理，即操作對象是單個像素；空間濾波則進行鄰域處理。

該章主要內容是通過一系列灰度變換與空間濾波技術來完成圖像增強，從而改善圖像的視覺效果，便于人們觀察分析，或者便于進一步的對圖像進行處理。重點講授6部分的內容（含實訓實踐環(huán)節(jié)），包括：背景知識、灰度變換函數(shù)、直方圖處理、空間濾波基礎以及空間濾波器的原理及使用等[4]。教學內容的樹圖框架如圖1所示。

圖1 第3章 灰度變換與空間濾波的知識樹

通過課堂講授，在知識層面要求學生熟練掌握相關知識點；在價值引領方面，著力提高學生的綜合素質，例如科學的邏輯思維和計算思維方法，唯物主義世界觀的方法，大國工匠精神、家國情懷及四個自信等。

各知識點與提煉的思政元素間的對應關系如圖2所示。

圖2 思政元素與對應知識點關系

四 知識點對應融入的育人元素

(一） 知識點“背景知識”

本節(jié)講授本章基礎知識，通過例子讓學生對這部分的知識有更加深刻的理解。如：對遠紅外波段拍攝的圖像進行圖像增強操作，使圖像更加具有辨識度。在本章討論的內容都是在空間域上進行的，空間域技術不同于頻率域，空間域是直接在圖像像素上進行操作。

思政部分融入的育人元素為：（1）以空間域與頻率域的差異為切入點，啟發(fā)學生遇到問題時，要多角度分析，嘗試用不同方法探索解決方案，善用矛盾分析法，用辯證的方法去思考和解決問題。（2）從課堂所舉的這些例子中，啟發(fā)學生頭腦風暴圖像處理在其他行業(yè)當中的應用，比如在災害監(jiān)測、病蟲害檢測、環(huán)境污染監(jiān)測等，以此鼓勵學生發(fā)散思維，獨立思考又相互討論，增強學生的創(chuàng)新思維和思辨能力。

（二） 知識點“灰度變換函數(shù)”

講授基本的圖像灰度變換函數(shù)，包括圖像反轉、對數(shù)變換、冪律（伽馬）變換和分段線性變換函數(shù)。重點是以貨幣圖像處理為例，展示分段線性變換函數(shù)的應用；此外，結合本領域的最新進展，引出深度神經(jīng)網(wǎng)絡等新知識、新內容。

思政部分融入的育人元素為：（1）依托貨幣圖像增強處理的應用實例，引申到今天我國的移動支付。Worldplay發(fā)布的《2021全球支付報告》數(shù)據(jù)顯示，目前中國電子支付在所有支付方式中超過50%，我國移動支付處于世界領先地位，以此增強學生的道路自信。（2）從灰度變換函數(shù)擴展至深度神經(jīng)網(wǎng)絡等最新技術，引申到天貓等各類大型購物網(wǎng)站的智能推薦系統(tǒng)，體現(xiàn)我國在科技發(fā)展中服務至上的態(tài)度和速度，增加學生的專業(yè)自信和民族自豪感。

（三） 知識點“直方圖處理”

講授直方圖處理方法，包括直方圖均衡化、直方圖匹配、局部直方圖處理及在圖像增強中使用直方圖統(tǒng)計。列舉醫(yī)學應用實例，通過直方圖均衡化的方式處理紅細胞的醫(yī)學圖像，使得細胞的圖像更清晰，提高醫(yī)學臨床治療效果。

思政部分融入的育人元素為：（1）通過教材中的天文實例火星衛(wèi)星圖像分析，引導學生勇于創(chuàng)新思考，學會實例分析的方法，準確分析目標圖像，不斷探索最合適的方法，力爭起到最好的圖像增強效果，鍛煉學生精益求精的大國工匠精神。（2）醫(yī)學實例中的病灶信息不明顯會使醫(yī)生錯過重要信息，導致漏診誤診，以此激發(fā)學生對生命的敬畏，增強學生的社會責任感和擔當意識。（3）通過醫(yī)學中的實例，引申到近來的疫情，對于這樣的重大突發(fā)公共事件，黨的快速響應與民眾的積極配合，堅持“全國一盤棋”的方法論，使中國成為世界上疫情防控最好的國家，證明了中國特色社會主義制度的顯著優(yōu)勢，以此增強學生的制度自信。

（四） 知識點“空間濾波基礎”

講述空間濾波圖像的一些基本概念，包括空間濾波機理、空間相關與卷積、線性濾波的向量表示以及空間濾波器模板的產(chǎn)生[4]。學好本節(jié)是更好使用空間濾波進行圖像處理的基礎。

思政部分融入的育人元素為：（1）以空間濾波器的大小為切入點，演示從1×1模板到7×7模板對圖像處理效果的影響，強調量變的積累引發(fā)質變，引申到唯物辯證法的質量互變規(guī)律。（2）引導學生避免實踐與理論脫節(jié)，眼高手低，以編程實踐的形式，把基礎打牢，體會和理解實踐與認識之間的關系，通過實踐驗證掌握本部分的核心知識。

（五） 知識點“空間濾波器”

講述各種空間濾波器的原理及使用。通過案例法講解和演示不同濾波器的特點，如觀測到的月球北極的圖片，在未經(jīng)處理的情況下，是比較模糊的，很難看清楚表面的一些細節(jié)，經(jīng)過銳化處理后，圖片的細節(jié)更清晰的顯現(xiàn)出來。

思政部分融入的育人元素為：（1）以濾波器的選擇為切入點，演示濾波器的圖像處理效果，均值濾波可以將圖像模糊化，但無法去除椒鹽噪聲，而中值濾波在處理椒鹽噪聲時有良好的表現(xiàn)，引導學生具體問題具體分析。（2）以月球表面圖像處理實例為切入點，強調太空探測的發(fā)展中，圖像處理技術起到的不可或缺的作用。在此基礎上，舉例我國航天事業(yè)的發(fā)展，簡介中國航天發(fā)展的四大里程碑，尤其是近年來取得的突破性進展，增加學生對中國特色社會主義的道路自信。（3）通過鏡片的缺陷檢測和工業(yè)檢測飲料容量是否達標的實例，展示邊緣檢測為代表的各種數(shù)字圖像處理技術潛在應用領域廣泛，鼓勵學生勤于思考、勇于創(chuàng)新、學以致用。

（六） 實訓實踐環(huán)節(jié)

將來自于現(xiàn)實中的工業(yè)需求以項目的形式，分發(fā)小組完成，最后對項目作業(yè)進行匯報展示，目的是檢測學生對知識的綜合運用能力，尤其對工科學生，鍛煉和檢驗其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

思政部分融入的育人元素為：（1）通過學生按小組進行工程項目實踐，編程實現(xiàn)對工業(yè)制造中零部件毛刺定位或原材料計數(shù)的應用，以此培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神和實踐創(chuàng)新能力。（2）在問題建模、系統(tǒng)設計及編程實現(xiàn)等環(huán)節(jié)中，引導學生大局觀，盡可能優(yōu)化處理結果，精益求精，不斷提升項目呈現(xiàn)效果，使學生深刻體會大國工匠精神。

五 完善思政教育評價標準

課程思政的融入不是紙上談兵，其效果如何取決于育人成效，因此對于思政教育的評價標準應給予充分的重視，課程思政效果的評價不同于專業(yè)課程的評價，其目的是讓受教育者內化于心、外化于行。

我們在2021級計算機科學學院《數(shù)字圖像處理》課程進行的教學實踐是：一方面，在第一課堂中把育人元素穿插在知識點講解過程中；另一方面，加強過程性評價，讓每位學生結合課程學習的內容，實時總結自己的成長感受。結果表明，該年級研究生對課程的滿意度普遍提高，認為通過課程學習樹牢了“四個意識”，堅定了“四個自信”，增強了社會主義建設者和接班人的使命感，自身在創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作精神和愛國主義精神方面有長足進步[5]。

六 結語

專業(yè)課程的思政教育不能生搬硬套，而應從講堂講授的知識點入手，深入挖掘育人元素，像鹽一樣，潤物無聲地助力學生成長成才[6]。本文以研究生《數(shù)字圖像處理》課程中第3章為例，探討了有關計算機類專業(yè)課的知識點與育人元素提煉等關鍵環(huán)節(jié)，對《數(shù)字圖像處理技術》類的研究生課程育人新模式有重要的參考意義和指導意義。