圖形圖像課程群教學(xué)體系構(gòu)建探索

張季　董海艷　龔慶悅　王瑞娟

[摘 要]文章針對圖形圖像技術(shù)相關(guān)課程部分教學(xué)內(nèi)容重復(fù)、現(xiàn)有教學(xué)模式缺乏前沿科技敏感度等不足，探討通過優(yōu)化圖形圖像相關(guān)課程的知識體系，構(gòu)建符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與方案要求的圖形圖像課程群教學(xué)體系。專業(yè)教師在分析課程群內(nèi)課程模塊功能角色的基礎(chǔ)上，縱向梳理課程知識點，橫向建立課程間的聯(lián)系，設(shè)計更貼近學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求的圖形圖像課程群遞進(jìn)式實驗項目及個性化學(xué)習(xí)評價機(jī)制，為中醫(yī)院校交叉專業(yè)人才的培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)，培養(yǎng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展綜合性人才。

[關(guān)鍵詞]圖形圖像課程群;教學(xué)體系;課程模塊;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）04-0098-04

引言

視覺是人從外界獲取信息的重要渠道，因此，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)將圖形圖像技術(shù)作為其主要研究方向之一，其相關(guān)課程也通常被列為計算機(jī)類專業(yè)的主修課程。目前在本科教育階段，與圖形圖像技術(shù)相關(guān)的課程主要包括數(shù)字圖像處理與分析、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺等[1]。此類課程在以計算機(jī)為工具的交叉專業(yè)領(lǐng)域（如人工智能、醫(yī)學(xué)信息工程等）的人才培養(yǎng)過程中也發(fā)揮著重要作用。

南京中醫(yī)藥大學(xué)人工智能與信息技術(shù)學(xué)院始建于2003年，在國家大力鼓勵中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展的時代背景下，學(xué)院致力于交叉專業(yè)人才的培養(yǎng)，先后開設(shè)了醫(yī)學(xué)信息工程、人工智能等專業(yè)，為中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展培養(yǎng)綜合性人才。為進(jìn)一步優(yōu)化圖形圖像相關(guān)課程的知識體系，避免部分教學(xué)內(nèi)容重復(fù)而導(dǎo)致課堂教學(xué)效率降低，同時，也為進(jìn)一步著重培養(yǎng)學(xué)生對前沿科技發(fā)展的敏感度以及創(chuàng)新能力，專業(yè)教師對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)圖形圖像課程群建設(shè)展開探究與實踐。

一、圖形圖像課程群教學(xué)體系建設(shè)目標(biāo)的制定

南京中醫(yī)藥大學(xué)圖形圖像課程群教學(xué)體系建設(shè)以醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案為指導(dǎo)，以教學(xué)計劃為依托，對目前培養(yǎng)計劃中圖形圖像處理類課程進(jìn)行有效整合，主要涉及可視化程序設(shè)計、數(shù)字圖像處理與分析、計算機(jī)圖形學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理四門課程。

圖形圖像課程群教學(xué)體系建設(shè)的目標(biāo)：優(yōu)化調(diào)整課程群教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，有效整合重復(fù)交疊的知識內(nèi)容，精煉知識模塊，縱向梳理知識點，實現(xiàn)有序遞進(jìn)，橫向建立各課程之間的聯(lián)系，緊貼計劃安排 ，通過改進(jìn)教學(xué)模式，發(fā)揮學(xué)科評價機(jī)制的積極作用，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)習(xí)動力;重點培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，建立教材內(nèi)容與先進(jìn)科學(xué)技術(shù)間的緊密聯(lián)系;從理論到實踐應(yīng)用，構(gòu)建結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)容合理的課程體系，高效地發(fā)揮課程群的整體優(yōu)勢[2]。

二、圖形圖像課程群知識點的分析與整合

圖形圖像課程群建設(shè)所涉及的四門課程之間存在一定的相關(guān)性又互不相同，雖然獨立設(shè)課但其內(nèi)容卻有所交疊。因此，需明確各門課程在課程群中的功能角色：可視化程序設(shè)計作為平臺工具類課程，是課程群中其他幾門核心課程實驗開展的基礎(chǔ)，在課程群中屬于其他課程的前驅(qū)課程;數(shù)字圖像處理與分析是課程群的核心基礎(chǔ)課程，是后承課程計算機(jī)圖形學(xué)、醫(yī)學(xué)圖像處理的基礎(chǔ)所在;計算機(jī)圖形學(xué)課程側(cè)重于探討視覺感知多維數(shù)據(jù)的處理問題，醫(yī)學(xué)圖像處理課程更強(qiáng)調(diào)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，這兩門課程不屬于前驅(qū)后承的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，教師可通過對課程群教學(xué)體系組織結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)一步細(xì)化各門課程的知識點，對各門課程中獨立的知識點進(jìn)行縱向梳理。課程群的構(gòu)建流程如圖1所示。

（一）統(tǒng)籌規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容

從知識體系上來講，圖形圖像課程群的四門課程在教學(xué)時間安排上的先后順序依次為可視化程序設(shè)計、數(shù)字圖像處理與分析、計算機(jī)圖形學(xué)和醫(yī)學(xué)圖像處理，課程主要內(nèi)容承上啟下、相互關(guān)聯(lián)。目前，為實踐課程相關(guān)內(nèi)容的核心算法，大部分教材均引入了實驗平臺的講解和介紹，比如部分?jǐn)?shù)字圖像處理與分析課程的教材中引入了Matlab、OpenCV等[3-4]，部分醫(yī)學(xué)圖像處理課程的教材引入了VC++、OpenCV等[5-8]，部分計算機(jī)圖形學(xué)課程的教材引入了MFC、OpenGL或JAVA3D[9-11]等。開展不同實驗平臺的學(xué)習(xí)雖然可以加強(qiáng)學(xué)生對編程工具的掌握，但占用了大量的課程時間，甚至導(dǎo)致部分學(xué)生模糊了課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，因此，本課程群在建設(shè)過程中通過引入工具類平臺專題講座的方式，優(yōu)化課程中關(guān)于實驗平臺講解的內(nèi)容。專題講座的內(nèi)容設(shè)計是在洞悉行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過專項的工具類課程搭建課程群核心算法與行業(yè)風(fēng)向間的橋梁。統(tǒng)一優(yōu)化實驗工具平臺，在提升課時效率的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步探究課程群綜合設(shè)計性實驗打下堅實的基礎(chǔ)，從而提升學(xué)生理論知識與行業(yè)實踐的融合能力。

從課程內(nèi)容模塊上來講，通過分析各門課程的定位和目標(biāo)，重新梳理課程大綱，以課程目標(biāo)為導(dǎo)向組織教學(xué)內(nèi)容，同時確保課程群內(nèi)各門課程之間既做到邊界清晰又能有效銜接，既明確知識點又避免重復(fù)[12]。因此，在課程群的整體視角下，根據(jù)所掌握的學(xué)生的學(xué)前基礎(chǔ)及特征，可動態(tài)進(jìn)行課程內(nèi)容的設(shè)計和調(diào)整，從而在教學(xué)過程中幫助學(xué)生搭建完整的知識體系，引導(dǎo)他們構(gòu)建清晰的思維圖譜，使他們能發(fā)現(xiàn)課程間的內(nèi)在聯(lián)系并對整體知識結(jié)構(gòu)有直觀認(rèn)識。例如，在講授計算機(jī)圖形學(xué)課程中使用齊次坐標(biāo)實現(xiàn)圖形三維變換時，可提示學(xué)生用已學(xué)數(shù)字圖像處理與分析課程的圖像幾何變換的處理方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的拓展，通過實現(xiàn)相關(guān)算法，啟發(fā)他們思考視覺數(shù)據(jù)處理的通用共性。

從實踐教學(xué)模式上來講，可以培養(yǎng)學(xué)生探究、創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建多層面、遞進(jìn)式的實踐教學(xué)模式。將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)知識教育相融合，著重增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)造能力，設(shè)計融合想象力、創(chuàng)造力和設(shè)計思維訓(xùn)練的綜合性教學(xué)環(huán)節(jié)。

（二）搭建綜合知識體系

相關(guān)課程在課程群整合的過程中建立了縱向銜接、橫向互補的結(jié)構(gòu)體系。課程群的組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

可視化程序設(shè)計課程以行業(yè)熱點為導(dǎo)向，對課程內(nèi)容進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，目前以行業(yè)熱點程序設(shè)計語言Python為基礎(chǔ)，引入PIL、Opencv-Python、Pygame、VTK等實戰(zhàn)專題。

數(shù)字圖像處理與分析課程的主要知識包括圖像的預(yù)處理（圖像的數(shù)學(xué)表示、圖像的運算、圖像類型轉(zhuǎn)換、圖像彩色模式轉(zhuǎn)換）、圖像變換（傅里葉變換、 離散余弦變換、Hough變換等）、圖像增強(qiáng)（空間域圖像增強(qiáng)、頻率域圖像增強(qiáng)）、圖像恢復(fù)、圖像編碼等。

計算機(jī)圖形學(xué)的主要知識點包括幾何造型技術(shù)、三維觀察、真實感圖形技術(shù)、交互技術(shù)、計算機(jī)動畫等。

醫(yī)學(xué)圖像處理課程的主要知識點包括醫(yī)學(xué)圖像的分割、虛實配準(zhǔn)的原理與常用方法、虛實融合、醫(yī)學(xué)圖像三維重建等。

通過整合重復(fù)交疊的知識內(nèi)容、精煉課程模塊，使上述課程形成一個有機(jī)的整體。

（三）融合行業(yè)前沿技術(shù)

作為課程群設(shè)計及實踐者，相關(guān)教師不僅要關(guān)注課程內(nèi)容的縱深度，還要注意知識與技術(shù)的寬廣度和先進(jìn)性，適度提高課程的前瞻性[13]。通過建立與行業(yè)形態(tài)、商業(yè)模式融合的教學(xué)框架，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念融入課程群建設(shè)的構(gòu)思、設(shè)計和實現(xiàn)過程中。在使學(xué)生掌握專業(yè)理論、研究方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化探究精神、認(rèn)知能力，進(jìn)而實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐技能的培養(yǎng)。因此，本課程群的建設(shè)一方面通過劃分核心課程與工具平臺類課程并實現(xiàn)行業(yè)前沿技術(shù)的動態(tài)更新，另一方面通過設(shè)計綜合性實驗加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力，訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計思維，進(jìn)而提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

三、圖形圖像課程群實驗教學(xué)模式的構(gòu)建

課程體系的改革和建設(shè)是以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力及適應(yīng)行業(yè)需求為主旨，課程群實驗教學(xué)模式的設(shè)計是本課程群建設(shè)的主要內(nèi)容之一。課程群實驗教學(xué)模式構(gòu)建的實施路徑如圖3所示。

（一）單門課程基礎(chǔ)實驗的設(shè)置

可視化程序設(shè)計課程開設(shè)四個專題實驗，如表1所示。

（二）課程群綜合實驗的設(shè)置

在以上實驗的基礎(chǔ)上增加了四個綜合設(shè)計性實驗，著重培養(yǎng)學(xué)生的研究能力與創(chuàng)新意識，要求學(xué)生能提供實驗分析與研究報告，寫出有見解的心得體會。這四個實驗如表5所示。

（三）課外創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐的開展

通過在課外指導(dǎo)學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”“創(chuàng)青春”“計算機(jī)設(shè)計大賽”等比賽項目以及校企合作的課題研究，為學(xué)生搭建學(xué)以致用的平臺，強(qiáng)化對學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力、解決問題能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。

2017年至2020年本團(tuán)隊教師指導(dǎo)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題共20項，其中省級及省級以上的項目13項，校級項目7項;指導(dǎo)學(xué)生參加各類專業(yè)競賽，其中有23項獲得省級以上獎勵;指導(dǎo)學(xué)生參加企事業(yè)項目8項，與企事業(yè)項目團(tuán)隊保持高效溝通合作。

四、圖形圖像課程群智能學(xué)習(xí)評價

課程群采用綜合性多維度評價方法，借助智能測評軟件（比如北極星AI助教、雨課堂等）變革學(xué)習(xí)評價方式，改變單一的總結(jié)性評價方式，建立形成性評價機(jī)制，應(yīng)用智能測評軟件得出針對學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)目標(biāo)等多維度的個性化學(xué)習(xí)評價結(jié)果，并以此作為改進(jìn)教與學(xué)的重要依據(jù)[14]。因此，在本課程群的教學(xué)過程中，教師主要擔(dān)任的角色是學(xué)習(xí)評價形成的設(shè)計者和監(jiān)督者。課程學(xué)習(xí)評價體系的設(shè)計應(yīng)以學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)為目標(biāo)，以形成性評價為中心，以學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，發(fā)掘智能測評軟件的數(shù)據(jù)潛能，動態(tài)評價學(xué)生的適應(yīng)性學(xué)習(xí)過程，實現(xiàn)對學(xué)生知識點掌握的程度、算法思維的形成等綜合能力的多維度的評價和反饋，最終促進(jìn)學(xué)習(xí)者達(dá)成課程學(xué)習(xí)目標(biāo)。

五、結(jié)語

本文探討根據(jù)南京中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)和方案，將可視化程序設(shè)計、數(shù)字圖像處理與分析、計算機(jī)圖形學(xué)和醫(yī)學(xué)圖像處理這四門課程建設(shè)成圖形圖像課程群。通過梳理各課程知識點之間的關(guān)系，搭建有助于提高課程教學(xué)效率的課程群體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計遞進(jìn)式實驗項目，并借助智能測評軟件建立多維度的個性化學(xué)習(xí)評價機(jī)制。相關(guān)專業(yè)教師在課程群的建設(shè)過程中通過更新教育理念，不斷提升自身的專業(yè)研究和實踐能力，為專業(yè)人才培養(yǎng)做出切實有效的改革研究與實踐。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]