新工科背景下“數(shù)字圖像處理”課程思政教學(xué)探索

袁 丁， 張 弘， 羅曉燕， 楊一帆， 李 露

(1.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 102206； 2.北京航空航天大學(xué) 人工智能學(xué)院， 北京 100191)

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”[1]。新工科的建設(shè)對應(yīng)于新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等等。與傳統(tǒng)工科相比，“新工科”更強調(diào)學(xué)科的實用性、交叉性與綜合性[2]。對照新工科專業(yè)的鮮明特點，數(shù)字圖像處理技術(shù)不僅是人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)課程，同時也完全具備了新工科專業(yè)的實用性、交叉性與綜合性特點，必然服務(wù)于我國的新興產(chǎn)業(yè)。習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào): 教育是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要基石，其首要問題便是培養(yǎng)什么人，作為一個社會主義國家，我國的教育事業(yè)必須全面貫徹黨的教育方針，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，培養(yǎng)具有愛國精神的社會主義現(xiàn)代化青年[3]。

青年的價值取向決定了未來整個社會的價值取向，人生的扣子從一開始就要扣好[4]。當(dāng)代青年要樹立共產(chǎn)主義遠(yuǎn)大理想和信念，具備大是大非的分辨能力，養(yǎng)成正確的世界觀、人生觀與價值觀。目前，有些工科學(xué)生并不重視思政類課程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)積極性不高。因此，工科大學(xué)教育必須構(gòu)建全方位思政教學(xué)體系，特別要充分發(fā)揮各工科專業(yè)課程的思政教育作用，在講授專業(yè)知識的同時，通過理論與應(yīng)用相結(jié)合、專業(yè)與思政相融通，達(dá)到育人“潤物細(xì)無聲”的效果。對于數(shù)字圖像處理課程團(tuán)隊，要挖掘課程思政元素、設(shè)計生動思政案例、開展系統(tǒng)性的課程思政建設(shè)，在課堂上弘揚愛國愛黨的家國情懷，從而充分發(fā)揮這門專業(yè)課程立德樹人的育人作用，為國家新興產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)政治思想堅定、勤奮拼搏的建設(shè)人才貢獻(xiàn)力量。

1 新工科背景下實施課程思政教學(xué)的必要性

人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展推動了新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。在這樣的背景下，新工科建設(shè)作為新時代高等教育的重要發(fā)展戰(zhàn)略，對創(chuàng)新性人才的核心素養(yǎng)與創(chuàng)造能力提出了新的要求。新工科人才必將成為未來工程技術(shù)領(lǐng)域的中堅力量。因此為新工科培養(yǎng)什么人這一問題成為高等教育的首要問題。

德行是做人的根本，思想政治教育是落實大學(xué)立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著自媒體時代的到來，任何人都可以隨意發(fā)表和擴散自己的言論和觀點，信息雜亂且混雜各種極端、錯誤信息，也為高校思政教育帶來了更高的難度和新的挑戰(zhàn)。在大學(xué)工科教育中，學(xué)生大部分時間用于理工課程的學(xué)習(xí)。理工課程具有專業(yè)性、實踐性、創(chuàng)新性、科學(xué)性等特點，目前大多存在注重理論技術(shù)而缺乏科學(xué)精神、倫理道德的培養(yǎng)[5]。因此，在理工課程中融入思政元素，可使思政教育更生動、更接地氣、更與學(xué)生未來從事技術(shù)領(lǐng)域息息相關(guān)，因此更能引起青年學(xué)生的興趣與共鳴。在新工科建設(shè)的背景下，完整的思政課程體系建設(shè)，是加快培養(yǎng)愛黨愛國情感、基礎(chǔ)知識扎實、創(chuàng)新能力強、樂于實踐的復(fù)合型人才的重要舉措。

2 數(shù)字圖像處理課程思政教學(xué)探索

數(shù)字圖像處理是隸屬于人工智能領(lǐng)域的綜合性專業(yè)課程，涉及計算機視覺、模式識別、機器學(xué)習(xí)等多學(xué)科交叉。同時，數(shù)字圖像處理是面向工程應(yīng)用的一門課程，所涉及的技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于航空航天、安防監(jiān)控、無人系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、工業(yè)生產(chǎn)、游戲娛樂等國防、生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。數(shù)字圖像處理課程團(tuán)隊，綜合自身多年來與國內(nèi)多家航空、航天等科研院所深入合作的工程經(jīng)驗，設(shè)計了大量航空、航天信息領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的思政教學(xué)案例，同時輔以專家面對面講座、課程考核改革等手段，將思政教育始終貫穿于專業(yè)知識講授與考核過程中，取得了良好的教學(xué)效果。

2.1 理論與應(yīng)用相結(jié)合，思政案例設(shè)計

課程案例部分往往是授課過程中最吸引學(xué)生興趣點的所在，也是培養(yǎng)學(xué)生家國情懷、提高實踐能力的重要環(huán)節(jié)。充分發(fā)掘課程思政元素，結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊教師從事多年科研工作的經(jīng)歷，以案例分析體現(xiàn)我國科研人員自立自強的拼搏精神，培養(yǎng)學(xué)生具有堅定的思想政治覺悟、擁有愛國愛黨的紅心、磨礪堅韌不拔的性格、敢于挑戰(zhàn)自我的勇氣。

2.1.1 思政案例設(shè)計的意義

思政理論課程始終是本科生培養(yǎng)方案中的必修課。但相較于專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，工科專業(yè)的學(xué)生對思政理論課程的學(xué)習(xí)一直缺乏積極性，對思政課程理論學(xué)習(xí)的重視程度與認(rèn)真程度有限。大部分工科專業(yè)的學(xué)生更重視專業(yè)技能的學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)水平的提高。由于學(xué)生閱歷有限，并不能理解專業(yè)知識與思想政治的本質(zhì)聯(lián)系，也并不理解所謂學(xué)術(shù)思想和哲學(xué)規(guī)律的相輔相成。學(xué)生的誤區(qū)常常是思政理論課程講授內(nèi)容就是社會科學(xué)內(nèi)容、是文科的知識，和自己專業(yè)技術(shù)理論不相關(guān)。同時，以往的專業(yè)課堂上，教師往往著重介紹專業(yè)知識、技術(shù)前沿，忽略了德育在高校教育中的首要地位。

2020年5月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，指出要全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，使各類課程與思政課程同向同行，將顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局[6]。因此，每一名專業(yè)課程教師都應(yīng)該在自己教授的專業(yè)課程上發(fā)揮立德樹人的重要作用，充分挖掘課程的思政元素，培養(yǎng)學(xué)生勇于奉獻(xiàn)的精神、團(tuán)隊合作的意識、樂于實踐的務(wù)實精神、自強不息的意志品質(zhì)，幫助學(xué)生樹立正確的價值觀。

2.1.2 課程思政案例設(shè)計探索

數(shù)字圖像處理技術(shù)始終是一門以實際應(yīng)用為牽引而發(fā)展的學(xué)科。課程思政案例分析也必應(yīng)盡可能和工程應(yīng)用實例緊密結(jié)合，以便設(shè)計更生動的教學(xué)環(huán)節(jié)，最大程度地提升學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的興趣。教學(xué)團(tuán)隊依照本課程的教學(xué)大綱，針對每一章設(shè)計工程案例內(nèi)容，并進(jìn)行思政元素的挖掘，做到專業(yè)知識與思政元素的有機結(jié)合。接下來，以緒論、圖像處理基礎(chǔ)、圖像復(fù)原、數(shù)字圖像處理的工程應(yīng)用四章為例，探討思政案例設(shè)計的主要思想。

緒論部分是引起學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課興趣最重要的章節(jié)。二十世紀(jì)20年代，人類得到了第一幅數(shù)字圖像。隨后的一個世紀(jì)以來，人類不斷地尋求更高質(zhì)量的數(shù)字圖像，設(shè)計了成像質(zhì)量更好的光學(xué)鏡頭，發(fā)明了各種類型、更先進(jìn)的感光元器件。盡管數(shù)字圖像起源時僅作為新聞報刊素材出現(xiàn)，但人們一直在探索如何利用這種新型數(shù)據(jù)、并通過一些處理手段，使其發(fā)揮更大的價值。隨著軟硬件性價比的大幅提高、通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及處理算法智能化程度的飛躍，圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍事國防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)生活等各個方面。數(shù)字圖像處理技術(shù)的百年發(fā)展史，正是人類文明的原動力——探索精神的生動體現(xiàn)。通過該領(lǐng)域發(fā)展史的介紹，鼓勵學(xué)生建立好奇與熱愛、懷疑與理性的思考習(xí)慣，堅持勇于探索、永無止境的科學(xué)探索精神。同時，在領(lǐng)域研究方向及技術(shù)應(yīng)用的小節(jié)中，重點介紹近十年國內(nèi)研究工作取得的重大進(jìn)展。例如，在深空探測領(lǐng)域，介紹我國“祝融號”的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)；在人臉識別領(lǐng)域，介紹自動支付系統(tǒng)；在圖像增強領(lǐng)域，介紹華為手機的移動影像技術(shù)。在對比國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀過程中，讓學(xué)生領(lǐng)會到盡管在該領(lǐng)域我國科研工作啟動較晚，但經(jīng)過近二十年的努力和奮斗，已經(jīng)在多個應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)甚至領(lǐng)先水平。通過以上案例，幫助學(xué)生樹立遠(yuǎn)大理想，培養(yǎng)學(xué)生堅持不懈、不屈不撓、奮發(fā)圖強的優(yōu)秀品質(zhì)。

圖像處理基礎(chǔ)介紹了圖像的感知與獲取。其中，相機成像是利用了凸透鏡將光線折射的原理，使得景物表面反射光折射在像平面成像。對于成像這一現(xiàn)象，據(jù)說古希臘人曾利用小孔成像原理,將物體的影像投射到暗箱壁上。1839年達(dá)蓋爾制成了第一臺實用的照相機。其實，我國對光學(xué)的認(rèn)識可以追溯至公元前四百多年?！赌?jīng)》中就詳細(xì)記載了光的直線傳播、反射，以及平面鏡、凹面鏡、凸面鏡的成像現(xiàn)象。宋代沈括所著《夢溪筆談》中，就描述過小孔成像原理。可見，我國很早就在探索如何利用光線獲取景物的像。通過對相關(guān)歷史記載的講述，讓學(xué)生體會到中華民族始終走在探索科學(xué)規(guī)律的道路上，為人類科技文明的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感。

圖像復(fù)原技術(shù)旨在通過構(gòu)建成像退化模型，恢復(fù)已被退化圖像的原始數(shù)據(jù)，是圖像處理領(lǐng)域的一個重要研究方向，廣泛應(yīng)用于軍事國防、航空航天、衛(wèi)星遙感、醫(yī)學(xué)檢查、交通運輸、刑偵取證等等與影像處理相關(guān)的各個領(lǐng)域。在成像過程中，圖像不可避免地受到各種外部、內(nèi)部因素干擾，引起圖像質(zhì)量的下降。然而，干擾因素不同、對應(yīng)的圖像退化模型也各不相同。即便是同一降質(zhì)因素，在不同成像條件下，圖像降質(zhì)的程度和表現(xiàn)也不相同。因此，圖像復(fù)原始終是圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的研究難點和熱點。本章將在具體算法中講解圖像去霧復(fù)原方法、圖像去運動模糊方法以及圖像去湍流復(fù)原方法。在介紹圖像去霧復(fù)原方法中，重點介紹學(xué)者何凱明的暗通道去霧方法[7]。暗通道去霧方法是何凱明在香港中文大學(xué)讀博士期間發(fā)表的第一篇學(xué)術(shù)論文，該工作獨辟蹊徑、構(gòu)思巧妙，獲得了當(dāng)年領(lǐng)域頂級國際會議CVPR的最佳論文，得到領(lǐng)域?qū)＜覀兊母叨仍u價，并引領(lǐng)了隨后多年圖像去霧的研究方向。通過暗通道算法的講解，不僅教授圖像復(fù)原算法模型，同時引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)研究不能拘泥于現(xiàn)有框架，也不要迷信學(xué)術(shù)權(quán)威，要敢于標(biāo)新立異、大膽設(shè)想。特別是對于面向新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，難題挑戰(zhàn)更多、創(chuàng)新機遇也更多。鼓勵青年學(xué)生一定把握時代的機遇、勇于開拓創(chuàng)新，共筑人工智能實現(xiàn)中國夢。

數(shù)字圖像處理的工程應(yīng)用這一章旨在介紹如何綜合運用數(shù)字圖像處理技術(shù)解決實際工程任務(wù)。課程團(tuán)隊教師均有多年從事航空、航天領(lǐng)域科研項目的研究經(jīng)驗，擔(dān)了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、航空航天院所課題幾十項，研制的光電探測裝備已廣泛應(yīng)用于邊海防、特種安防等領(lǐng)域并出口海外。本章將圍繞課程團(tuán)隊研制的航空光電吊艙，講授其中數(shù)字圖像處理技術(shù)的具體應(yīng)用，涵蓋從圖像數(shù)據(jù)存貯、 圖像濾波去噪聲、圖像增強、圖像復(fù)原等底層圖像處理技術(shù)，到圖像特征提取、目標(biāo)識別到目標(biāo)跟蹤高層圖像處理技術(shù)。同時介紹航空光電吊艙發(fā)展歷程，特別是我國曾經(jīng)在技術(shù)方面落后西方國家30年，經(jīng)不懈努力與艱苦奮斗，如今性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過本章的學(xué)習(xí)，一方面培養(yǎng)工科學(xué)生學(xué)以致用、理論聯(lián)系實際的務(wù)實精神；另一方面引導(dǎo)學(xué)生在實際工程問題中提煉科學(xué)問題、提高科研水平。更重要的是，通過案例講解，讓學(xué)生深刻理解科研人員必須擁有堅定的思想政治覺悟、擁有愛國愛黨的紅心、磨礪堅韌不拔的性格、敢于挑戰(zhàn)自我的勇氣、養(yǎng)成科學(xué)思維的能力、細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶Υ蒲泄ぷ?，才能在智能制造時代趕超歐美等發(fā)達(dá)國家，成為中國未來制造業(yè)的合格接班人。

按照課程大綱，課程團(tuán)隊為本課程每章節(jié)設(shè)計的思政案例如表1所示。

表1 數(shù)字圖像處理的課程思政案例設(shè)計

2.2 空天領(lǐng)域?qū)＜抑v座，厚植家國情懷

近年來，我國的航空、航天事業(yè)取得了很多舉世矚目的成就。這也是我國無數(shù)科學(xué)研究人員自立自強、拼搏奉獻(xiàn)取得的偉大成果。課程團(tuán)隊在與多個航空航天院所的常年合作過程中，與多位領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者建立了良好的合作關(guān)系。課程團(tuán)隊圍繞數(shù)字圖像處理在新一代航空航天智能系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)前沿，每學(xué)期邀請兩位領(lǐng)域?qū)＜遗c學(xué)生面對面，開展專題講座。例如，課程團(tuán)隊邀請航天科工集團(tuán)二院總師，介紹我國腦機接口技術(shù)的技術(shù)潛力與發(fā)展歷程，分析美國將腦機接口作為對中國技術(shù)封鎖的一級目錄的原因，以及我國科工集團(tuán)研究中心的相關(guān)研究成果。通過本次講座，學(xué)生深深認(rèn)識到自主創(chuàng)新絕對不是空喊口號，而是要腳踏實地、艱苦奮斗。

通過研究院所專家們的案例分析和前沿探討，一方面開闊學(xué)生眼界，使學(xué)生了解目前行業(yè)內(nèi)科研動態(tài)；另一方面，作為奉獻(xiàn)祖國航空航天事業(yè)的楷模，領(lǐng)域?qū)＜覀冏陨戆駱拥牧α坎粌H能激勵學(xué)生們勇于戰(zhàn)勝艱難險阻、攀登航天科技高峰，還能更深入地引導(dǎo)學(xué)生厚植空天報國情懷。

2.3 完善課程考核環(huán)節(jié)、增加思政評價

教學(xué)效果和兩個因素息息相關(guān)，一方面取決于教師的授課質(zhì)量；另一方面取決于學(xué)生對課程的參與程度。課程思政內(nèi)容的教學(xué)只有讓學(xué)生的全程參與，才能達(dá)到立德樹人的預(yù)期教學(xué)效果。為此，本課程考核方式將采用課程過程全覆蓋的形式，以充分調(diào)動學(xué)生參與課程、學(xué)習(xí)課程的積極性。

課程最終成績評定采用出勤、隨堂提問、配套實驗、項目報告、期末筆試各項成績加權(quán)求和的方式，以便更加全面地考核學(xué)生狀態(tài)和教學(xué)效果。其中項目報告以小組為單位，學(xué)生可自由結(jié)組、根據(jù)興趣選擇與課程相關(guān)的項目研究方向。學(xué)生將在一個月的時間內(nèi)，完成研究方向綜述、研究方案制定、程序編寫、實驗結(jié)果分析、未來研究工作展望5方面的工作。在完成項目報告的過程中，一方面鍛煉了學(xué)生分工、合作、協(xié)調(diào)的能力；另一方面能夠充分調(diào)度學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，在項目進(jìn)行過程中充分發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力。

特別在考核環(huán)節(jié)增加思政評價內(nèi)容。例如，在依托自由選題的小組為單位的項目報告展示時，要求對題目方向進(jìn)行思政元素的提煉和感想分享，并占其中成績30%。此外，在每節(jié)課后對下一節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行預(yù)告，要求學(xué)生課后查閱相關(guān)文獻(xiàn)，思考思政元素與哲學(xué)規(guī)律，采用隨機點名的形式在課堂上分享，并將學(xué)生表現(xiàn)計入隨堂提問成績。更加全面與客觀的綜合評價、全程的思政元素覆蓋、與鼓勵學(xué)生全程參與的機制，保障了預(yù)期教學(xué)效果。

2.4 課程思政的建設(shè)成效

思政元素融入數(shù)字圖像處理課堂，同時增加課程案例分析，提高了學(xué)生的課程參與程度。將思政案例穿插在專業(yè)知識理論中，緩解了部分學(xué)生因理論難度較高引起的焦慮情緒，同時活躍了課堂氣氛，課堂上學(xué)生回答問題積極性明顯提高。期末學(xué)生的任課教師綜合評教中，滿意率達(dá)到百分百。更多的學(xué)生對圖像處理技術(shù)研究工作產(chǎn)生了非常高的熱情，積極報名參加該方向的本科生畢業(yè)設(shè)計。2022年5月底，課程團(tuán)隊教師指導(dǎo)的本科生畢業(yè)設(shè)計獲得了第三屆全國高等學(xué)校航空航天類專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計成果交流會一等獎。與此同時，課程團(tuán)隊教師在思政建設(shè)過程中，對教學(xué)大綱重新梳理，通過挖掘各知識點的思政元素，不僅提升了專業(yè)理論水平，個人思政修養(yǎng)和哲學(xué)素養(yǎng)也得到了很大的提高。

3 結(jié)語

課程團(tuán)隊通過思政案例設(shè)計、領(lǐng)域?qū)＜抑v座、完善考核環(huán)節(jié)三方面對數(shù)字圖像處理課程開展思政建設(shè)，在近一年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的課堂活躍程度明顯提高，對課堂的思政內(nèi)容設(shè)計比較滿意。問卷調(diào)查顯示95%的學(xué)生認(rèn)為思政內(nèi)容的增加提升了聽課注意力；88%的學(xué)生認(rèn)為思政內(nèi)容貼合課程理論內(nèi)容；76%的學(xué)生認(rèn)為思政內(nèi)容的增加對專業(yè)知識的理解有幫助。為此，本文總結(jié)的課程建設(shè)經(jīng)驗也可以為其他本科生、研究生的課程思政建設(shè)提供借鑒。同時在本次課程建設(shè)過程中，筆者深刻認(rèn)識到，課程思政建設(shè)質(zhì)量與任課教師自身的思想道德政治水平息息相關(guān)。教師作為學(xué)生成長道路上的重要引路人，在教學(xué)過程中要不斷提高自身的專業(yè)水準(zhǔn)，同時還要提高自身的思想政治素質(zhì)，為學(xué)生樹立良好的榜樣。因此，教師自身要有意識地加強思政工作對學(xué)科專業(yè)的引領(lǐng)，要了解社會、國情、國際政治、世界科技發(fā)展趨勢，要加強自身的思想道德水平，要通過不斷的學(xué)習(xí)和思考將專業(yè)知識與思政元素有機融合，潛移默化在教學(xué)中開展思政教育，同時積極參與教學(xué)示范課程建設(shè)，致力于為新工科專業(yè)培養(yǎng)思想政治過硬、專業(yè)技能扎實、德才兼?zhèn)涞膭?chuàng)新性人才。