李坤乾，周麗芹

（中國海洋大學工程學院，山東青島 266100）

0 引言

中共十九大報告指出要“推動新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，主動參與和推動經(jīng)濟全球化進程，發(fā)展更高層次的開放型經(jīng)濟，不斷壯大我國經(jīng)濟實力和綜合國力”，為我國工業(yè)發(fā)展和建設指明了方向。工程教育質量是評價和衡量工程教育能否適應國家戰(zhàn)略需求的重要指標。在這一背景下，工程教育認證作為構建工程教育質量監(jiān)控體系，推進工程教育改革，提升我國工程技術人才國際競爭力的重要手段，正發(fā)揮著重要作用。自動化專業(yè)作為典型的工科專業(yè)，以工程教育專業(yè)認證為要求進行專業(yè)建設、課程規(guī)劃是提升本專業(yè)工程教育質量的必由之路。

數(shù)字圖像處理課程作為自動化專業(yè)的重要支撐課程，旨在教授學生掌握圖像處理的基本概念、原理和方法，使學生具有在計算機上進行圖像處理程序編寫與調試的能力。該課程有以下顯著特點：

（1）理論知識要求高。數(shù)字圖像處理是一門多學科交叉課程，理論內(nèi)容涵蓋數(shù)學、物理、電子、信息等多個學科，預備知識既包含線性代數(shù)、概率統(tǒng)計、隨機過程等數(shù)理基礎內(nèi)容，又涵蓋信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡等專業(yè)知識，理論知識的深度與廣度要求可見一斑。

（2）課程應用范圍廣。數(shù)字圖像處理是一門應用十分廣泛的課程，且具有明顯的專業(yè)、行業(yè)需求差異性。以中國海洋大學自動化及測控系開設的數(shù)字圖像處理課程為例，該課程為自動化專業(yè)選修課，共32 學時，課上時長相當有限。若采用廣泛涉獵形式的課程內(nèi)容設置，一方面無法適應有限的課時要求，另一方面也不利于學生針對性地學習專業(yè)、行業(yè)相關技能。

（3）前沿技術更新快。2012 年以來，隨著以深度學習為代表的人工智能技術的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理相關技術也迎來了跨越式發(fā)展階段。數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容除預備與基礎內(nèi)容外，其他內(nèi)容已較難滿足用人方對畢業(yè)生的技能需求水平。

（4）動手實踐要求高。對于數(shù)字圖像處理課程，純理論講授式的教學設計形式難以滿足用人單位對于本專業(yè)畢業(yè)生應用實踐能力的要求。缺乏基于實踐訓練的理論強化，容易使本課程最終變?yōu)榧埳险劚?。因此，結合用人單位實際需求，設計面向真實應用場景的課程實踐案例，充分調動學生課外學時進行工程實踐應用，是講好理論課程的重要補充，也是以滿足行業(yè)、社會需求為目的人才培養(yǎng)必由之路。

《中國工程教育質量報告（2013 年度）》將工程教育的社會需求適應度作為一條重要的分析指標用于衡量工程教育質量，為課程體系建設提出了明確導向。然而，通過上述分析可見，現(xiàn)行通用的數(shù)字圖像處理課程體系因缺乏具有專業(yè)針對性的教學內(nèi)容設計與較為滯后的內(nèi)容更新，很難適應當今自動化行業(yè)的實際應用需求。因此，面向自動化專業(yè)的工程教育認證要求，對數(shù)字圖像處理課程進行教學改革具有重要意義。

1 相關研究

針對數(shù)字圖像處理課程教學改革問題，國內(nèi)外學者、教育者進行了一系列探索。鄭靜等［1］和梁志貞等［2］分別就面向專業(yè)和面向行業(yè)的數(shù)字圖像處理課程設計與改革進行了研究。鄭靜等［1］提出，在教學中根據(jù)學生專業(yè)背景知識的差異性，采用與專業(yè)背景相融合的教學方法，摒棄單一化的教學內(nèi)容和教學模式，因材施教，針對不同專業(yè)學生設計不同的理論和實驗內(nèi)容，更能充分激發(fā)學生學習興趣，為未來學生的學習和工作提供幫助；梁志貞等［2］結合中國礦業(yè)大學的行業(yè)特點，論述了融入行業(yè)特色的數(shù)字圖像處理課程教學改革方案。然而，上述改革實踐仍集中于授課方式方法的改革，對于課程內(nèi)容的改革與更新尚未深入探討。

王旭初［3］、羅兵等［4］分別就具體應用驅動的數(shù)字圖像處理課程教學模式及改革進行了論述。研究結果表明，通過增加工程應用的課程設計，增強了學生對已有開放資源的了解、使用，學生能夠更好地掌握開發(fā)工具和編程語言。然而，遺憾的是相關應用課題設置仍然不是以專業(yè)需求為導向，學生掌握的相關內(nèi)容往往無法直接應用于未來就業(yè)與科研工作。

在教學內(nèi)容設置的創(chuàng)新性方面，也有學者展開了相關研究。例如，劉君［5］結合目前人工智能技術熱點，更新與完善教學內(nèi)容，以計算機視覺領域中經(jīng)典任務為切入點，結合當前數(shù)字圖像處理領域人工智能技術最新熱點與應用案例，激發(fā)學生興趣。此外，張穎［6］強調在數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容設置上更加重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與能力；張重等［7］強調前沿科技論文講解在數(shù)字圖像處理課程中應占有一定比例，從而引導學生涉獵最新研究進展；在教學模式方面，石蘊玉等［8］提出了以BOPPPS 模式推進數(shù)字圖像處理課程教學，強調教學反思和加強互動；陳穎頻等［9］在數(shù)字圖像處理課程中探索“層次化實驗教學”方法，分別從課程層進式教學改革、實驗層進式教學改革、反轉課堂3 個層面進行了闡述。此外，Li 等［10］、Zhang 等［11］均進一步強調了在教學中以“研究”促進“教學”這一模式的重要性。然而，上述研究僅提出“研究驅動教學”的方法，考慮到自動化專業(yè)的多方向性，“科技創(chuàng)新驅動”的改革任務和模式探索仍具重要研究價值。

綜上，本文聚焦工程教育認證背景下的數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容重構與改革，創(chuàng)新性地提出了一套教學目標、教學內(nèi)容與畢業(yè)要求相配合的完整教學體系，并采用“創(chuàng)新驅動”方式，探索了前沿研究、工程案例及持續(xù)改進相結合的教學模式。

2 自動化行業(yè)數(shù)字圖像處理技能需求分析

以中國海洋大學自動化及測控系為例，經(jīng)過30 余年的發(fā)展，其在自動化人才培養(yǎng)方面實現(xiàn)了以專業(yè)為本體、海洋為特色的培養(yǎng)模式。專業(yè)課程及研究方向涵蓋智能儀器儀表、監(jiān)測檢測技術、機器視覺、機器人、智能信息處理與智能控制等領域，逐漸成為涉海學科的重要支撐學科。隨著消費級、工業(yè)級高性價比影像采集設備的普及，視覺感知作為一種直觀、便捷的信息采集手段，在伺服控制、環(huán)境感知、智能監(jiān)測等領域受到愈來愈多的關注，逐漸成為自動化技術的重要支撐。數(shù)字圖像處理技術作為視覺感知的重要技術手段，是自動化行業(yè)的主要技術需求增長點之一。

美國工程教育學會提出工程教育必須改革以適應社會需求，重視工程實際以及工程知識的系統(tǒng)性。作為典型工科專業(yè)，自動化專業(yè)的課程體系及課程內(nèi)容構建也應按照上述要求進行重構，以適應行業(yè)社會用人需求［12］。具體到數(shù)字圖像處理課程目標，行業(yè)需要相關從業(yè)人員具備面向視覺感知任務的工程性經(jīng)驗，針對具體工程問題，具備借助數(shù)字圖像處理技術設計系統(tǒng)性解決方案的能力。因此，培養(yǎng)學生利用圖像處理技術分析系統(tǒng)工程問題的能力，使他們能夠對系統(tǒng)問題進行分解與提煉，進而具備用數(shù)字圖像處理技術構建系統(tǒng)性解決方案的能力，是該門課程在工程教育認證背景下的核心目標。

3 前沿技術創(chuàng)新驅動的課程教學改革與持續(xù)改進

3.1 面向人才培養(yǎng)目標的課程目標與教學內(nèi)容設置

在工程教育認證框架下，院校應制定合理的、適應社會經(jīng)濟發(fā)展需要的人才培養(yǎng)目標，并制定與之對應的畢業(yè)要求及指標點。相應地，課程目標的設定應體現(xiàn)對于畢業(yè)要求的貢獻，并貫徹到教學內(nèi)容設置上。以中國海洋大學自動化專業(yè)為例，表1 展示了面向人才培養(yǎng)目標的課程目標、教學內(nèi)容及其與畢業(yè)要求的對應關系，將課程目標對畢業(yè)要求的支撐、教學內(nèi)容對課程目標的支撐進行了直觀闡述。

3.2 自動化專業(yè)背景下的教學內(nèi)容重構與工程實訓

作為自動化專業(yè)選修課，在有限的課時內(nèi)，采用平鋪式的寬范圍涉獵教學方式，很難高質量地開展數(shù)字圖像處理課程教學。因此，有必要對數(shù)字圖像處理課程繁茂的理論體系進行有的放矢地精簡，提煉核心框架。表1 中，課程目標1 所對應的教學環(huán)節(jié)、內(nèi)容，以數(shù)學理論對照具體應用的形式，對數(shù)字圖像處理技術理論框架進行了核心提煉。

此外，在為學生構建基本數(shù)字圖像處理技術體系的前提下，有必要根據(jù)工程實踐中的相關性對具體教學內(nèi)容進行高度整合，并結合案例式的教學模式，實現(xiàn)向“授人以漁”教學方式的轉變。通過教授系統(tǒng)性工程實踐問題的解析方法，解決方案的架構手段，使學生具備舉一反三、由點及面的問題解決能力。以自動化專業(yè)學生畢業(yè)后所投身的主要行業(yè)及領域為例，主要有智能儀器儀表、監(jiān)測檢測技術、機器人、智能信息處理、智能控制以及與數(shù)字圖像處理密切相關的模式識別等幾大類。上述領域對數(shù)字圖像處理技術的需求均可由典型案例進行覆蓋，并能夠引導學生構建完整的系統(tǒng)工程解決方案。例如，表1 中課程目標2所對應的教學內(nèi)容，在智能儀器儀表及監(jiān)測檢測技術領域，可設置工業(yè)場景中的自動化儀表數(shù)值讀取案例。在該案例中，設定儀表成像質量較差，需進行圖像增強，以提高有效信息的辨識度，并融合形態(tài)學圖像處理與分割技術，實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)讀取。又如水下機器人領域，可設置復雜水下環(huán)境的視覺增強及信號傳輸案例，利用圖像增強算法提高水下圖像成像質量，結合水下信號傳輸困難的現(xiàn)狀，引入圖像壓縮技術及用于視覺信號分辨率恢復的圖像超分辨技術。又例如在機器人控制領域，可設置機器人視覺模塊的目標檢測與目標深度估計任務，實現(xiàn)初步的場景與語義感知功能。

Table 1 The relationship between course objectives，teaching con?tents and graduation requirements表1 課程目標、教學內(nèi)容與畢業(yè)要求對應關系

針對上述以專業(yè)需求為導向的典型課程案例，以課內(nèi)與課外相結合的工程實踐形式引導學生進行編程實現(xiàn)，培養(yǎng)其動手實踐能力并加深對代表性算法理論知識的理解。

3.3 前沿科技創(chuàng)新驅動的課程內(nèi)容持續(xù)更新

現(xiàn)階段，數(shù)字圖像處理是一個發(fā)展非?；钴S的研究領域，每年都有眾多新理論與新方法被提出。數(shù)字圖像處理課程面向應用與實踐，吸納新成果、新技術，跟上前沿科技創(chuàng)新的步伐既是進行課程內(nèi)容建設的必然要求，也是培養(yǎng)行業(yè)需求人才的需要。

因此，基于前沿科技創(chuàng)新驅動的課程內(nèi)容持續(xù)更新至關重要。在具體實施過程中，應建立動態(tài)更新機制，在每年度制定課程教學大綱時，應系統(tǒng)回顧近年來該領域內(nèi)的重要研究成果，作為待更新的候選內(nèi)容。進而通過評價該成果影響力、課程相關度、成果類型（理論創(chuàng)新、應用創(chuàng)新），衡量其對于該專業(yè)學生培養(yǎng)目標的支撐度，最終決定是否引入課程。在表2 中，本文整理了近年來數(shù)字圖像處理領域的代表性技術革新成果，在進行課程內(nèi)容持續(xù)更新過程中，可預先開展卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、對抗生成網(wǎng)絡等公共前沿基礎知識教學，然后引入前沿技術拓展，以開闊學生視野。在部分系統(tǒng)實踐案例中，也可結合下列一到兩組最新技術進行綜合開發(fā)實訓。

Table 2 Representative research results in the field of digital image processing in recent years表2 近年來數(shù)字圖像處理領域代表性研究成果

此外，在數(shù)字圖像處理課程核心理論內(nèi)容框架的基礎上，可嘗試以目前備受關注的研究問題為例，介紹科研發(fā)展進程，使學生了解新技術與新理論產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)其科學思維與精神。此外，對于課程內(nèi)未涉及的數(shù)字圖像處理技術，可采用課外開放課題或進行領域綜述的形式，引導學生掌握科技檢索能力，具備通過自行調研方式掌握最新技術的能力，從而實現(xiàn)由“授人以魚”向“授人以漁”教學模式的過渡與轉變。

3.4 教學質量評價與持續(xù)改進

“建立教學過程質量監(jiān)控機制”是工程教育認證的主要要求之一，對具體課程而言，該要求的核心是面向產(chǎn)出的課程質量評價。為了保證本課程的教學成效能夠支撐畢業(yè)要求與培養(yǎng)目標，最終培養(yǎng)出行業(yè)需要的自動化專業(yè)人才，應建立全環(huán)節(jié)的教學質量評價體系，并根據(jù)評價結果對課程教學進行持續(xù)改進，不斷提高課程教學質量。

課程評價應采用教學、行業(yè)專家評價與學生表現(xiàn)評價相結合的方式。教學專家評價方式旨在對授課方式和課堂教學效果進行專業(yè)化評價，從教學能力、教學技巧方面給出課程質量評價，提高教師教學水平認可度。行業(yè)專家評價旨在對課程內(nèi)容設置、技能需求覆蓋程度等方面進行評價，衡量課程能否滿足現(xiàn)階段行業(yè)人才培養(yǎng)需求，這一評價采用專家座談等形式定期開展。根據(jù)數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容改革規(guī)劃，課程教學主要涵蓋數(shù)字圖像處理理論體系構建、系統(tǒng)工程案例介紹、案例工程實訓、理論課程考核等教學環(huán)節(jié)。其中，理論課程考核與案例工程實訓可較為全面地反映學生對于課程理論的掌握情況及動手實踐能力，將作為學生表現(xiàn)評價的主要依據(jù)。

通過上述多種方式相結合的教學質量評價，可動態(tài)地了解課程講授模式的有效程度、課程內(nèi)容設置的合理程度以及學生對于講授內(nèi)容的接受程度，這也為教學質量的持續(xù)改進提供了依據(jù)。對上述3 個方面的針對性改進，也勢必有效彌補課程教學短板，形成評價、改進、提高的課程優(yōu)化閉環(huán)。

3.5 改革成效

通過課程教學改革，有效地激發(fā)了學生對于數(shù)字圖像處理技術的學習興趣，學習該課程的四年級本科生中，約有25%的學生選擇數(shù)字圖像處理及相關應用作為本科畢業(yè)設計選題方向，且選題內(nèi)容在本課程的教學內(nèi)容設置中均有涉及。在選擇繼續(xù)深造的本科畢業(yè)生中，約有20%學生的未來研究方向與計算機視覺、數(shù)字圖像處理相關。此外，對于低年級選修該課程的學生，通過參與智能車競賽、海洋航行器設計大賽等途徑，將課程涉及的諸多數(shù)字圖像處理技術進行了實踐與應用，例如水下圖像增強、圖像校正、循跡、目標識別等。經(jīng)與海信等本地知名企業(yè)的相關技術團隊交流，其普遍反映上述改革后的課程設置內(nèi)容與用人單位需求更為契合，實現(xiàn)了人才培養(yǎng)與人才就業(yè)的有序對接。

4 結語

課程建設作為專業(yè)建設的重要環(huán)節(jié)，適配新形勢下的工程教育模式至關重要。數(shù)字圖像處理課程是自動化專業(yè)的專業(yè)選修課，但其講授內(nèi)容在行業(yè)中有著廣泛的應用和技術需求。課程現(xiàn)狀與現(xiàn)階段人才培養(yǎng)需求的主要矛盾在于缺乏以專業(yè)需求為導向的課程理論架構以及系統(tǒng)性的工程實踐環(huán)節(jié)。為此，充分調研自動化行業(yè)應用需求，針對性地對課程架構進行精簡，同時形成典型的系統(tǒng)級工程實踐案例以串聯(lián)理論知識體系并培養(yǎng)學生實踐能力，是進行數(shù)字圖像處理課程改革的必然要求。發(fā)揮數(shù)字圖像處理技術更新快的優(yōu)勢，形成對課程內(nèi)容的持續(xù)更新，保證課程內(nèi)容緊貼行業(yè)需求。在教學質量保障環(huán)節(jié)，通過教學專家評價、行業(yè)專家評價以及學生表現(xiàn)評價，形成對課程的全方位評價，并對薄弱環(huán)節(jié)進行持續(xù)改進，有力保障行業(yè)人才培養(yǎng)質量。