新工科背景下地方高校圖像處理與機(jī)器視覺課程的教學(xué)改革與實(shí)踐研究

摘要：圖像處理與機(jī)器視覺課程屬于新興課程，其教學(xué)內(nèi)容和模式不成熟。同時(shí)為了課程符合新工科和地方型高校建設(shè)的要求，對該課程的教學(xué)內(nèi)容和方式進(jìn)行改革。通過有機(jī)融入課程思政，基于區(qū)域特色的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的篩選，以及基于產(chǎn)業(yè)、前沿知識(shí)進(jìn)行教學(xué)方法的改進(jìn)，使得學(xué)生綜合能力得到更好的培養(yǎng)。由成效分析可知，學(xué)生對本課程的教學(xué)內(nèi)容和方法滿意度較高，且學(xué)生的綜合能力得到了更好的提升。為新工科背景下地方型高校新興課程的教學(xué)模式建設(shè)提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新工科；產(chǎn)業(yè)；圖像處理與機(jī)器視覺；前沿知識(shí)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2024）22-0166-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

近年來，隨著人工智能和機(jī)器視覺技術(shù)的高速發(fā)展，使得工業(yè)控制中對于人工智能和機(jī)器視覺技術(shù)的要求日益增高。同時(shí)用人單位對工科人才的應(yīng)用和實(shí)踐能力的要求逐漸提高。為了適應(yīng)新的產(chǎn)業(yè)變革和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，教育部提出了“新工科”建設(shè)的理念[1-2]。新工科是使用人工智能和智能計(jì)算等方法對傳統(tǒng)的工科進(jìn)行改造和升級。

在新工科背景下，國內(nèi)眾多地方高校的學(xué)者對地方應(yīng)用型高校的人才培養(yǎng)和課程建設(shè)做出了研究。一部分的學(xué)者從宏觀的角度對該課題進(jìn)行探索，即從課程體系、師資隊(duì)伍和人才培養(yǎng)等方面進(jìn)行研究。而另一部分的學(xué)者則從微觀的角度進(jìn)行探索，如夏春明等[3]從人才培養(yǎng)的特點(diǎn)和實(shí)施課程思政的意義進(jìn)行研究；湯迎紅等[4]對課程教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、成績評定方式等方面進(jìn)行研究。關(guān)小果、李愛寧和王艷等[5-7]將該課題與本專業(yè)特色相結(jié)合進(jìn)行了研究。

從上述研究可知，地方院校應(yīng)基于當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)構(gòu)成和經(jīng)濟(jì)情況，調(diào)整定位和培養(yǎng)模式。課程建設(shè)也應(yīng)根據(jù)地區(qū)產(chǎn)業(yè)構(gòu)成和發(fā)展情況進(jìn)行調(diào)整，使得地方院校培養(yǎng)的學(xué)生能夠?yàn)楫?dāng)?shù)氐陌l(fā)展做出貢獻(xiàn)，同時(shí)提高學(xué)生的就業(yè)前景和對當(dāng)?shù)氐恼J(rèn)同感。

圖像處理與機(jī)器視覺是一門多學(xué)科融合的課程[8]，是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、智能科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)本科生必修的專業(yè)應(yīng)用課程[9-11]，是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力、分析和解決復(fù)雜工程問題能力的綜合應(yīng)用課程。圖像處理與機(jī)器視覺作為一門新興課程，該課程的研究并不多。在該課程的教學(xué)模式研究和建設(shè)方面，劉新波和韓光等[12-13]對課程的內(nèi)容、方法、考核評價(jià)方式進(jìn)行了研究。劉改霞等[14]以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)課程的改革。張濤等[15]通過線上線下的混合模式進(jìn)行教學(xué)、同時(shí)深化校企合作。遲劍寧等[16]則對課程思政的融入進(jìn)行了研究。趙榮麗等[17]使用OBE理念進(jìn)行課程的改進(jìn)。李暉等[18]將本科生導(dǎo)師制加入了課程的教學(xué)。當(dāng)前，該課程的研究尚不多，并且與地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)合的研究較少。因此，本團(tuán)隊(duì)結(jié)合六盤水地區(qū)的產(chǎn)業(yè)構(gòu)成和發(fā)展情況對本課程進(jìn)行建設(shè)，為新工科背景下地方高校課程建設(shè)提供參考。

1 圖像處理與機(jī)器視覺課程問題分析

本團(tuán)隊(duì)通過對課程以往的教學(xué)文件、達(dá)成度分析和問卷調(diào)查的方式對課程存在的問題進(jìn)行分析，目前該課程存在問題如下。

1.1 課程思政融入生硬

圖像處理與機(jī)器視覺課程不同于傳統(tǒng)的思政課程，直接加入思政內(nèi)容會(huì)顯得生硬，與課程內(nèi)容沖突。因此，如何選取適合的課程思政內(nèi)容，并巧妙地融入教學(xué)過程中，使得學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)知識(shí)的過程中潛移默化地得到思想的教育是本課程需要著重考慮的。

1.2 課程知識(shí)框架有待完善

與傳統(tǒng)課程不同，圖像處理與機(jī)器視覺課程是新型、前沿型課程，其知識(shí)點(diǎn)多、范圍廣，技術(shù)和知識(shí)更新較快[19]。并且該課程公開教學(xué)資源較少，如何從繁雜的知識(shí)中選擇優(yōu)質(zhì)、實(shí)用的知識(shí)，同時(shí)建立各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系是本課程需要解決的。此外，選取課程內(nèi)容應(yīng)與地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展相適應(yīng)。

1.3 課程缺乏產(chǎn)業(yè)和科研的融合

當(dāng)前大多數(shù)課程僅局限于課程知識(shí)的教學(xué)，與產(chǎn)業(yè)和科研融合度較低。本課程屬于前沿型、應(yīng)用型課程，涉及前沿知識(shí)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，但該課程目前的教學(xué)中沒有與科研和產(chǎn)業(yè)相結(jié)合。

2 圖像處理與機(jī)器視覺課程的改革措施

2.1 課程思政的有機(jī)融入

高校教師應(yīng)在課程中積極融入課程思政的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生良好的道德品質(zhì)。圖像處理與機(jī)器視覺課程對應(yīng)章節(jié)的課程思政如表1所示，本團(tuán)隊(duì)從以下4個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)：1） 在講解前沿知識(shí)時(shí)，介紹國家發(fā)展過程中“卡脖子”的技術(shù)，如“光刻機(jī)”“半導(dǎo)體芯片”等，進(jìn)而引入老一輩科學(xué)家在科學(xué)和國家之間如何抉擇、如何解決“卡脖子”技術(shù)的問題，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情懷和艱苦奮斗的精神。2） 在介紹課程應(yīng)用場景時(shí)，融合六盤水地區(qū)的煤礦產(chǎn)業(yè)，并引出六盤水地區(qū)的三線精神，以培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷、艱苦奮斗的精神，同時(shí)提升學(xué)生對地區(qū)的認(rèn)同感。3） 該課程涉及較多的前沿知識(shí)，教師在授課過程中可融合科學(xué)家的科研故事，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、艱苦奮斗和堅(jiān)持不懈等精神。4） 該課程涉及人工智能的內(nèi)容，可在授課過程中融合“人工智能與社會(huì)”“人工智能與人”等方面的討論。在討論過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考人工智能的是否具備自我意識(shí)和辨別是非的能力，給學(xué)生傳遞正確的世界觀和科學(xué)觀。

2.2 基于產(chǎn)業(yè)和科研的課程知識(shí)框架完善

本課程從產(chǎn)業(yè)和科研兩個(gè)方面對課程內(nèi)容進(jìn)行選取。選取的部分知識(shí)點(diǎn)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，以及對應(yīng)前沿知識(shí)如表2所示。在產(chǎn)業(yè)方面，結(jié)合六盤水地區(qū)的特色產(chǎn)業(yè)（煤礦、光伏發(fā)電、櫻桃和獼猴桃等）選取優(yōu)質(zhì)、實(shí)用的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。使得學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)能夠分析產(chǎn)業(yè)中存在的問題，并通過所學(xué)知識(shí)解決問題。在科研方面，調(diào)研相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的前沿知識(shí)，并在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容介紹完成后，引入前沿知識(shí)，并對比前沿知識(shí)與課程介紹知識(shí)的差異性。

此外，對于知識(shí)點(diǎn)多、范圍廣的問題，本團(tuán)隊(duì)以地區(qū)特色產(chǎn)業(yè)作為起點(diǎn)，連接課程教學(xué)中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，建立的連接如圖1所示。圖1展示了各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，使學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)到產(chǎn)業(yè)與課程知識(shí)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，也使得學(xué)生更加清楚地認(rèn)識(shí)到各個(gè)知識(shí)點(diǎn)在產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用，同時(shí)更加便于學(xué)生記憶繁雜的知識(shí)體系。

2.3 結(jié)合地區(qū)特色產(chǎn)業(yè)和科研融合的課程內(nèi)容優(yōu)化

本課程屬于前沿型、應(yīng)用型課程，因此注重以下兩個(gè)能力的培養(yǎng)：1） 應(yīng)用能力方面，結(jié)合地區(qū)特色培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用、分析和解決問題的能力；2） 科研能力方面，培養(yǎng)學(xué)生的科研視野，為今后從事科研工作打下基礎(chǔ)。

在應(yīng)用能力培養(yǎng)方面，通過調(diào)研和企業(yè)交流，明確了課程的培養(yǎng)目標(biāo)和方向。因此本課程結(jié)合六盤水地區(qū)的特色產(chǎn)業(yè)對課程內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，將六盤水地區(qū)的獼猴桃、櫻桃、太陽能等產(chǎn)業(yè)與課程相融合，并提煉出與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的3個(gè)特色創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，融合內(nèi)容如表3所示。此外，為了提升學(xué)生的編程和應(yīng)用能力，本課程結(jié)合六盤水地區(qū)特色產(chǎn)業(yè)和所學(xué)知識(shí)建立線上編程訓(xùn)練題庫，建立的編程訓(xùn)練題庫如表4所示。由表3和4可知，本課程將地區(qū)特色產(chǎn)業(yè)與課程教學(xué)相融合，一方面培養(yǎng)學(xué)生對知識(shí)的應(yīng)用能力、分析和解決工程中復(fù)雜問題的能力。另一方面提高學(xué)生對地區(qū)的認(rèn)可度，同時(shí)使得培養(yǎng)的學(xué)生能夠較好適應(yīng)地區(qū)發(fā)展。

在科研能力培養(yǎng)方面，在課程中添加相關(guān)的前沿知識(shí)，可提升學(xué)生的科研視野，為將來進(jìn)一步深造從事科研工作打下基礎(chǔ)。同時(shí)，本課程還以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的方式培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和科研視野。在課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生根據(jù)其在課程中感興趣的部分確定研究方向，并申報(bào)大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)研究，最終以學(xué)術(shù)論文的方式對成果進(jìn)行展示。在項(xiàng)目執(zhí)行的過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、自學(xué)能力和科研能力。通過上述方式，可有效地提升產(chǎn)業(yè)和科研的融合，明確人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

3 課程改革成效分析

本課程通過匿名問卷調(diào)查的方式對課程進(jìn)行評價(jià)，部分結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，在課程打分方面，66.67%的學(xué)生打出了10分，并且8分及以下的比例較低，說明學(xué)生對本課程的滿意度較高。由圖2（b）可知，極大部分同學(xué)對于思政案例的滿意程度較高，說明本課程的思政案例設(shè)置是合理。由圖2（c）和（d）可知，學(xué)生對于本課程結(jié)合地區(qū)特色的教學(xué)方法滿意度較高，并且該教學(xué)方法使得學(xué)生對于該課程的應(yīng)用領(lǐng)域有了較好的了解，可知該教學(xué)方法是有效、合理的。由圖2（e）可知，大多數(shù)同學(xué)的編程能力都得到了一定的提升，說明建立的編程訓(xùn)練題庫取得了較好的效果。由圖2（f）可知，大多數(shù)同學(xué)對于學(xué)科前沿知識(shí)有了一定的了解，能夠?yàn)榻窈髲氖驴茖W(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)。綜上，從問卷調(diào)查可知，學(xué)生對本課程的教學(xué)方式滿意程度較高，說明所提出的教學(xué)方式是合理、有效的。

此教學(xué)方式提升了學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)校目前試卷批閱需要使用答題卡批閱機(jī)，而答題卡批閱機(jī)價(jià)格高昂。因此，學(xué)生通過機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)了答題卡的批閱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)不需要昂貴的答題卡批閱機(jī)等設(shè)備，僅需一臺(tái)能夠?qū)υ嚲韴D像進(jìn)行采集的設(shè)備。學(xué)生通過算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了學(xué)號的識(shí)別、客觀題的自動(dòng)批閱打分、主觀題題目分割和試卷批閱交互界面的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交互界面如圖3所示。該系統(tǒng)利用課程中所學(xué)知識(shí)對試卷進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用到的知識(shí)有：圖像灰度化、圖像矯正、圖像分割、圖像識(shí)別等知識(shí)，可見本課程所選取的知識(shí)可用于解決當(dāng)前工程中的問題，因此所選取的知識(shí)是優(yōu)質(zhì)、有用的。此外，學(xué)生在進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的過程中，自主學(xué)習(xí)GUI界面的設(shè)計(jì)，并與設(shè)計(jì)的算法相結(jié)合完成了系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)。綜上，學(xué)生的分析問題和解決問題的能力得到了有效提升。

此教學(xué)方式還提高了學(xué)生的競賽能力和動(dòng)手能力。2022年和2023年挑戰(zhàn)杯和“互聯(lián)網(wǎng)+”等比賽中與機(jī)器視覺和圖像處理相關(guān)的參賽作品數(shù)量如圖4所示。由圖可知，2022年到2023年的相關(guān)的參賽作品數(shù)量顯著增多。其中作品共獲得省級三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省級二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省級特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，全國銀獎(jiǎng)1項(xiàng)。說明經(jīng)過本課程的教學(xué)，學(xué)生的競賽能力和動(dòng)手能力得到了提升。

此外，在授課結(jié)束后，部分學(xué)生根據(jù)課程中所感興趣的部分進(jìn)行研究，并申報(bào)了大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目。在項(xiàng)目的支持下，學(xué)生完成了基于相位相關(guān)和Harris紋理分類的SIFT圖像拼接算法的研究，并總結(jié)其成果，以學(xué)術(shù)論文的形式進(jìn)行發(fā)表?？芍?，學(xué)生的科研能力得到了較好的成長。jTYB6E7gH6TmfN3W0DpGzQ==

綜上所述，學(xué)生對于該教學(xué)模式的滿意度較高，并且學(xué)生的綜合能力得到了良好的提升。但學(xué)生的編程能力還有待進(jìn)一步提高，在后續(xù)的教學(xué)中教師應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)和學(xué)科前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的編程、分析和解決問題的能力、創(chuàng)新意識(shí)。

4 總結(jié)

圖像處理與機(jī)器視覺屬于新興課程，其教學(xué)內(nèi)容和模式不成熟，針對其教學(xué)中存在的問題，本團(tuán)隊(duì)對教學(xué)方法和內(nèi)容進(jìn)行改善。從改革成效可以看出，該教學(xué)方法和內(nèi)容取得了初步成效，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、應(yīng)用、科研、分析和解決問題的能力都得到了良好的提升。為新工科背景下地方性高校新興課程的教學(xué)模式建設(shè)提供了一定的參考價(jià)值。但當(dāng)前該課程的教學(xué)模式存在以下的問題：學(xué)生的編程、分析和解決問題的能力還存在一定的不足。在課程后續(xù)的教學(xué)中，將針對該問題進(jìn)行改進(jìn)，使得培養(yǎng)的學(xué)生能夠具備更好的綜合能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔慶玲，劉善球.中國新工科建設(shè)與發(fā)展研究綜述[J].世界教育信息，2018，31（4）：19-26.

[2] 祝敏.新工科背景下電機(jī)學(xué)課程教學(xué)改革研究[J].六盤水師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，34（6）：90-96.

[3] 夏春明，金曉怡，張航.新工科背景下地方應(yīng)用型高校“課程思政”探索與實(shí)踐[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2022，24（S2）：5-7.

[4] 湯迎紅，劉冰.新工科背景下地方應(yīng)用型高校機(jī)械原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（21）：284-285.

[5] 關(guān)小果，韓曉虎，劉文靜.新工科建設(shè)背景下地方應(yīng)用型高校教學(xué)模式創(chuàng)新淺探：以許昌學(xué)院測繪工程專業(yè)為例[J].河南教育（高等教育），2022，558（8）：56-58.

[6] 李愛寧，唐勇，王紅艷.新工科下應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)模式探究：以河北水利電力學(xué)院電子信息工程專業(yè)為例[J].科技風(fēng)，2023（5）：43-45.

[7] 王艷，楊應(yīng).以“新工科”理念推進(jìn)地方應(yīng)用型高校土木工程專業(yè)建設(shè)與改革探究[J].白城師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，35（2）：78-81.

[8] 劉永，王生懷，王宸，等.《機(jī)器視覺》課程理實(shí)一體化教學(xué)改革的探索[J].科技資訊，2023，21（2）：148-151.

[9] 江祥奎，丁銳，熊偉.機(jī)器視覺課程教學(xué)方法改革與實(shí)踐[J].軟件導(dǎo)刊，2022，21（9）：206-210.

[10] 劉新波.應(yīng)用型本科自動(dòng)化類圖像處理與機(jī)器視覺課程教學(xué)改革探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2021（21）：111-113.

[11] 丁毓峰，蔡蘭蘭，趙俊超.面向新工科的機(jī)器視覺課程建設(shè)及實(shí)踐研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2022（15）：86-88，92.

[12] 劉新波.應(yīng)用型本科自動(dòng)化類圖像處理與機(jī)器視覺課程教學(xué)改革探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2021（21）：111-113.

[13] 韓光，劉佶鑫，孫寧，等.圖像分析與機(jī)器視覺課程的教學(xué)探析[J].科技風(fēng)，2021（31）：97-99.

[14] 劉改霞，劉能鋒，陳如香，等.機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課教學(xué)研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（6）：136-140.

[15] 張濤，齊永奇，李恒燦.新工科背景下機(jī)器視覺課程群教學(xué)模式研究：以華北水利水電大學(xué)為例[J].河南教育（高等教育），2021，510（4）：60-61.

[16] 遲劍寧，于曉升，嚴(yán)志剛，等.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺課程中“深度學(xué)習(xí)”式思政教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)（上旬刊），2021（9）：65-68.

[17] 趙榮麗，王中任，肖光潤，等.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的課程教學(xué)研究：以“機(jī)器視覺技術(shù)”課程為例[J].教育教學(xué)論壇，2022，578（27）：121-124.

[18] 李暉，潘凡.基于本科生導(dǎo)師制的圖像處理與機(jī)器視覺綜合設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（10）：63-65.

[19] 王中任，劉海生，肖光潤，等.面向新工科的機(jī)器視覺技術(shù)課程建設(shè)研究[J].教育教學(xué)論壇.2018（50）：246-247.

【通聯(lián)編輯：梁書】