何冰

（1. 渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南；2. 陜西省X射線檢測(cè)與應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)中心，陜西 渭南）

一 引言

人工智能的發(fā)展在當(dāng)今世界受到了廣泛的關(guān)注，如何在人工智能教育背景下進(jìn)行新型人才培養(yǎng)（新工科、新農(nóng)科等學(xué)科）是各個(gè)高校面臨急需解決的一個(gè)重要的問(wèn)題。而人才培養(yǎng)體系改革中教學(xué)模式的改變是首當(dāng)其沖的一項(xiàng)內(nèi)容，因此，如何在突破傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端及局限，增強(qiáng)課程實(shí)用性及創(chuàng)新性教學(xué)模式，滿足在人工智能教育背景下人才培養(yǎng)的需求是目前課程教學(xué)模式改革中面臨的最核心問(wèn)題。

數(shù)字圖像處理課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)中核心的課程之一，也是通信工程、計(jì)算機(jī)、軟件工程等多個(gè)學(xué)科及專(zhuān)業(yè)設(shè)置的專(zhuān)業(yè)選修課[1]。該課程內(nèi)容雖然不同高校選用的教材有所不同，但涉及圖像處理的核心內(nèi)容基本一致，主要的研究?jī)?nèi)容包括：圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像分類(lèi)及圖像重建等。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理已廣泛應(yīng)用于航天和航空技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、通信工程、工業(yè)和工程、軍事公安、文化藝術(shù)等領(lǐng)域[2,3]。數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為人工智能教育背景下的重要組成部分，因此，各高校開(kāi)設(shè)的數(shù)字圖像處理課程應(yīng)緊密結(jié)合智能化時(shí)代的特性，融入交叉多學(xué)科的前沿理論知識(shí)體系，同時(shí)與實(shí)際的應(yīng)用相結(jié)合，與時(shí)俱進(jìn)地培養(yǎng)工業(yè)4.0時(shí)代下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐性人才。

然而傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式主要圍繞課程理論講授的教學(xué)方式，普遍采用以板書(shū)或電子課件ppt的教學(xué)形式對(duì)各種圖像處理算法的基本原理和應(yīng)用進(jìn)行介紹，同時(shí)開(kāi)設(shè)與理論課程相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)一步的鞏固和理解，這種傳統(tǒng)的模式在人工智能教育的背景下已經(jīng)很難滿足培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的實(shí)踐性人才的需求[4-6]。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際的應(yīng)用相互脫節(jié)，大部分理論教學(xué)內(nèi)容在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。多數(shù)圖像處理的算法均來(lái)源于較早及最基礎(chǔ)的理論，與人工智能時(shí)代的發(fā)展不能同步。（2）課程授課思維陳舊和保守，對(duì)于理論教學(xué)的各知識(shí)點(diǎn)的授課多數(shù)高校依然保持著一個(gè)任課教師獨(dú)立授課的方式，而數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)主要呈現(xiàn)算法更新快、技術(shù)新、交叉性強(qiáng)及應(yīng)用性廣。因此，單一教師在個(gè)人的學(xué)習(xí)及提升過(guò)程中也只能在該課程的知識(shí)體系中對(duì)某一方面精通或具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了適應(yīng)該課程的發(fā)展，單一教師授課的方式應(yīng)該向一門(mén)課分知識(shí)點(diǎn)由多個(gè)該研究領(lǐng)域的教師分章節(jié)進(jìn)行講解轉(zhuǎn)變。（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)于簡(jiǎn)單及基礎(chǔ)化，多數(shù)高校針對(duì)數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)均采用MATLAB作為其仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，然而MATLAB軟件具有多數(shù)的圖像處理算法工具箱及函數(shù)集，對(duì)于一些理論算法的驗(yàn)證只需學(xué)會(huì)調(diào)用相關(guān)已有的函數(shù)就可完成，這樣不利于學(xué)生對(duì)算法的理論知識(shí)點(diǎn)的真正掌握。因此必須對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方式進(jìn)行改革，并進(jìn)一步提升大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，結(jié)合人工智能教育背景下的新教學(xué)模式，解決傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程存在的各種弊端和問(wèn)題[7-9]。

二 教學(xué)改革模式探究

2017年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，同時(shí)，教育部也制定了《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》明確提出加大人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)力度，為我國(guó)的人工智能發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐。而課程教學(xué)是我國(guó)高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)和主要途徑，因此，如何在人工智能教育背景下完成好課堂教學(xué)的創(chuàng)新，關(guān)乎到人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)[10-12]。

（一）理論課堂教學(xué)方法的改革

數(shù)字圖像處理課程其應(yīng)用領(lǐng)域范圍較廣、交叉性強(qiáng)，但實(shí)際的課堂教學(xué)模式主要是以授課教師為中心，教師通常采用板書(shū)和多媒體教學(xué)相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行講授，而學(xué)生課堂主要以聽(tīng)課和記筆記的形式為主要的學(xué)習(xí)方式。課堂上教師過(guò)于重視理論基礎(chǔ)知識(shí)的講解，而許多的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)由于存在數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，學(xué)生難以理解，課堂上由于是以教師為中心，所以學(xué)生之間缺乏時(shí)間上的交流和探討，另外，教師課堂上針對(duì)某個(gè)特定問(wèn)題也會(huì)采用提問(wèn)的方式與學(xué)生進(jìn)行溝通，但現(xiàn)行的教育模式下多數(shù)學(xué)生對(duì)于老師的問(wèn)題興趣不大，互動(dòng)的積極性不高，因此，整體課堂教學(xué)效果并不理想，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。如我們能夠在課堂教學(xué)中留出非常充足時(shí)間及時(shí)和學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)、教師身份和學(xué)生身份互換，那么不僅僅是自己作為老師的角色，也使自己嘗試學(xué)生的角色，這樣可以引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性，同時(shí)，讓學(xué)生以老師的身份進(jìn)行部分課程內(nèi)容的講解和交流，可以激發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑精神和創(chuàng)新能力。鑒于此，我們提出了基于人工智能教育背景下的自主理論課程學(xué)習(xí)+輔助理論講授+分組理論問(wèn)題討論的模塊化理論教學(xué)方式來(lái)改變傳統(tǒng)理論教學(xué)的不足。首先，利用現(xiàn)有的智能化媒體工具（包括智慧教室、網(wǎng)絡(luò)及手機(jī)個(gè)人終端），結(jié)合數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，將課程進(jìn)行模塊化分解，對(duì)于學(xué)生難以理解的公式推導(dǎo)，我們借助工程實(shí)例、國(guó)家級(jí)精品課程資源、動(dòng)畫(huà)圖片及網(wǎng)絡(luò)視頻等對(duì)其進(jìn)行概念上和形式上的轉(zhuǎn)換，使得公式的推導(dǎo)形象化、簡(jiǎn)單化、更易于理解和掌握。其次，在借助人工智能的教育資源的條件下我們提倡學(xué)生在課堂上進(jìn)行自主理論課程學(xué)習(xí)，打破傳統(tǒng)的以教師為中心、學(xué)生負(fù)責(zé)聽(tīng)的授課方式，將課堂真正歸還于學(xué)生，教師主要起引導(dǎo)作用，提出問(wèn)題，然后學(xué)生根據(jù)老師的問(wèn)題，進(jìn)行討論和交流，這樣更能激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。對(duì)于學(xué)生反映的普遍問(wèn)題，教師在課后可以統(tǒng)一整理和記錄，并在下一節(jié)課開(kāi)始占用少量時(shí)間進(jìn)行輔助性理論分析和指導(dǎo)。最后，課堂上學(xué)生按照分組對(duì)所提出的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和歸納，按照不同人員的分工進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的匯總形成最后的系統(tǒng)框架下的知識(shí)體系。

圖1 所提出的模塊化理論教學(xué)法

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革

針對(duì)理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)一步的理解、掌握和應(yīng)用的有效補(bǔ)充。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為理工科教學(xué)中的排頭兵，在學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力及工程訓(xùn)練能力上起著非常關(guān)鍵的作用。結(jié)合現(xiàn)有的理論與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相互脫節(jié)，我們提出了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中采用必修實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容+企業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練算法實(shí)踐+大學(xué)生科技競(jìng)賽創(chuàng)新能力應(yīng)用的三三制實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端[13,14]。具體實(shí)施過(guò)程如下：

（1）針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)于必修實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容（教學(xué)大綱的要求），我們保留了重要的數(shù)字圖像處理模塊的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，增加了綜合性及創(chuàng)新型二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。綜合性實(shí)驗(yàn)主要集中在圖像增強(qiáng)及字符識(shí)別等實(shí)驗(yàn)上；二次開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)主要是結(jié)合交叉性學(xué)科的特點(diǎn)，體現(xiàn)圖像處理算法如圖像壓縮或圖像檢索算法在細(xì)分領(lǐng)域的具體應(yīng)用（如：醫(yī)學(xué)影像處理領(lǐng)域）。

（2）與企業(yè)合作聯(lián)合開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的企業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練課題，編寫(xiě)企業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練算法實(shí)踐方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)教材，使學(xué)生真正的將所學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中，做到“所見(jiàn)即所得”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。對(duì)于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)采用MATLAB軟件作為仿真工具，而對(duì)于企業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練算法實(shí)踐內(nèi)容的完成，則主要采用Python作為數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)主要開(kāi)發(fā)的工具。另外，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和采用多種開(kāi)發(fā)環(huán)境編譯系統(tǒng)，如：Labview、Tensorflow、C#等人工智能背景下的基于深度學(xué)習(xí)算法的開(kāi)發(fā)工具。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用方面，借助陜西省X射線研究開(kāi)發(fā)中心大量的真實(shí)X射線影響圖像庫(kù)，將其融入到具體的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)中。

（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常具有固定的學(xué)時(shí)限制，因此，在此基礎(chǔ)上我們?cè)黾恿苏n外實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，這一部分也是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要組成部分。在數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過(guò)程中，我們鼓勵(lì)學(xué)生參加多種形式的科技競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，如：大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)新大賽、大學(xué)生軟件設(shè)計(jì)大賽等，激發(fā)大學(xué)生的對(duì)數(shù)字圖像處理課程的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，開(kāi)展人工智能背景下的嵌入式線上和線下及虛擬仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以使學(xué)生具備專(zhuān)業(yè)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有利于培養(yǎng)軟硬件兼?zhèn)涞膭?chuàng)新人才。

圖2 所提出的模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

三 教學(xué)目標(biāo)考核及評(píng)價(jià)體系改革

我國(guó)的高等教育長(zhǎng)期以來(lái)，各高等學(xué)校的課程考核模式主要目的是以檢測(cè)學(xué)生課程學(xué)習(xí)書(shū)面考試成績(jī)?yōu)槟康模嬖诓簧賳?wèn)題。這種以評(píng)定成績(jī)?yōu)橹鞯目己四Ｊ?，突出地表現(xiàn)為重課本、輕實(shí)踐，重知識(shí)、輕能力，重結(jié)果、輕過(guò)程，重對(duì)學(xué)生的測(cè)試，輕課程自身的建設(shè)，既不利于學(xué)生分析、綜合能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新精神的形成，又不利于課程的建設(shè)和發(fā)展，并直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。我們必須高度重視高等學(xué)校課程考核模式的改革?，F(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、方便，但是只能對(duì)學(xué)生理論知識(shí)掌握的程度進(jìn)行相關(guān)的評(píng)價(jià)，而不能真正對(duì)學(xué)生的應(yīng)用和實(shí)踐能力作出判斷。因此，越來(lái)越多的高校開(kāi)始采用更靈活、多樣化、實(shí)用性的考核方式取代傳統(tǒng)的考核方式，這樣更能全面和客觀對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和能力方面做出準(zhǔn)確的判斷。對(duì)于數(shù)字圖像處理課程，我們將學(xué)生參與的企業(yè)實(shí)踐、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目以及參與相關(guān)知名高新技術(shù)企業(yè)，如：華為、中興、阿里巴巴、騰訊、百度等企業(yè)的實(shí)習(xí)認(rèn)證納入到教學(xué)目標(biāo)考核體系中，鼓勵(lì)大學(xué)生發(fā)表圖像處理方面的重要性的研究論文，將發(fā)表的相關(guān)論文也計(jì)入學(xué)分制體系中。采用新的教學(xué)評(píng)價(jià)體系一方面與新的課堂教學(xué)改革相互呼應(yīng)；另外，可以鼓勵(lì)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，使不同學(xué)生在課堂上的選擇余地更廣泛，有利于學(xué)生將自己的精力投入到感興趣的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。這樣更能激發(fā)學(xué)生的最終學(xué)習(xí)興趣和愛(ài)好。

四 結(jié)語(yǔ)

在人工智能教育的背景下，本文主要在理論課堂教學(xué)模式上提出了自主理論課程學(xué)習(xí)+輔助理論講授+分組理論問(wèn)題討論的模塊化理論教學(xué)方式；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上提出了采用必修實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容+企業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練算法實(shí)踐+大學(xué)生科技競(jìng)賽創(chuàng)新能力應(yīng)用的三三制實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式，最后，給出了與課堂教學(xué)模式改革相互呼應(yīng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)目標(biāo)考核及評(píng)價(jià)體系改革方案。為培養(yǎng)具有人工智能教育背景下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐性人才提供助力。