数字媒体技术交叉融合教学改革研究与实践——以图像处理基础课程为例

刘欣 张贺晔 李越琼

(1.佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院 广东佛山 528000;2.中山大学生物医学工程学院 广东广州 510006)

1 数字媒体技术专业现状

随着数字信息传媒的高速发展，数字化信息技术应用需求已经从图像传播和图像信息提取的计算机领域，向艺术设计领域拓展，由此激发了国内高校艺术设计类院系数字媒体技术专业在高校交叉学科建设的迅猛发展。数字媒体技术专业是结合计算机类课程与艺术设计类课程的多学科交叉新兴专业。然而，数字媒体技术专业的人才培养模式仍缺乏明确的指南，根据地方特色和高校资源差异，基于案例的教学模式成为了主流。而现有开设该专业的高校中，多将数字媒体技术方向下辖于计算机专业，着重于计算机科学与技术的人才培养。传统的计算机类专业教学体系中强调算法，编程及相关工具使用的计算机相关能力的培养，缺乏与美术及设计课程体系的结合[1]。为了适应新兴产业的技术加美学人才需求，通过学习国外数字媒体教育的成功案例，国内高校逐步形成技术开发与艺术创业相融的培养模式和体系[2]。然而，数媒专业课程设计存在知识面广、实践需求高，学科跨度大与学时有限的矛盾。如何在应用型地方本科高校培养符合地方性和实用型数媒专业人才，仍然需要进一步探索[3]。

2 数字媒体技术与艺术设计交叉融合存在的问题

在广东省高水平理工大学建设的背景下，佛山科学技术学院在2018年设立、2021年正式获批数字媒体技术专业以来，通过纳入课艺术设计系下建设培养模式和课程体系，目前正形成艺术创作和技术应用相融合的培养模式和体系。随着全球高等教育发展，在以学科为中心、教师为导向的传统教学模式基础上，逐步引入以学习者为中心、以成果为导向，灵活、互动、综合、以技能培养为基础的课程学习模式。当前数字媒体技术与艺术设计交叉融合面临两方面问题。第一，计算机类专业课程如何融入艺术设计教学体系。《图像处理基础》是数媒专业教学体系中的计算机类基础课程，是一门对数字图像进行分析和操作的专业课，具有理论内容多，实操需求高，综合性强的特点[2]。传统的课程教学主要面向计算机类专业学生设计教学模式，详细讲解基础理论，基本原理，且现有互联网课程主要面向医学、生物医学工程、遥感图像、人工智能和相关数字图像处理商业软件能方向，在艺术设计类人文美学素养往往缺少体现。第二，如何在有限课时内提高学生综合能力。艺术设计类专业教学手段丰富，主要通过短周期课程融合理论教学和高强度课堂实操指导完成基本技能培养。而计算机类专业常需要采用长周期教学，以提供足够的理解实践和课外实操机会充分掌握相关技能。如何在短周期教学中完成计算机理论教学和基本技能教学，提高学生的知识体系交叉融合程度，掌握学科交叉的综合能力，则需要进一步探索。

因此，该研究基于作者任教该课程的3 年教学记录，分析在艺术设计类专业教学体系中，采用强调基础理论讲解、强化基本技能培养、深化交叉学科融合的教学模式，对学生的学习兴趣和知识掌握程度的影响。在教学过程作，通过参考相关互联网课程，逐步完善教学内容，观察学生的课堂学习状态及课后作业表现，探讨教学模式与教学效果的相关性[3]。

3 计算机基本技能的教学设计

佛山科学技术学院数字媒体技术专业归类为非计算机工科专业，纳入艺术设计系，与视觉传达专业并行为两个专业方向。在传统的计算机专业教学模式中，《图像处理基础》的教学强调基础理论、基本知识和基本技能的教学理念，对图像类型、图像分析、图像变换等理论和方法详细讲解[4]。其前提条件为学生具有良好的数学推理水平和良好的个性化自主学习模式。然而，非计算机工科专业的课程体系往往缺乏上述前提条件培养，学生的知识面、基础学科水平，学习目标及自主学习动力差异较大，导致课堂教学过程中，学生接受程度差异大，学习积极性在不同层次学生的相互影响下难以形成持续的主动学习氛围，学习效果不理想，为保障教学质量造成了重要障碍。

为了达成计算机类课程在艺术设计教学体系下的转化，根据培养目标设计阶段性教学任务，再由教学任务指导教学实践。根据前述问题，结合艺术设计系课程周期短、课时集中、结课即考核的特点，对教学实践方法进行了适应性改革。

3.1 课程目标

《图像处理基础》课程目标主要为两个部分，分别为：（1）掌握基本理论，熟悉基本方法；（2）熟悉编程语言基本技能，熟练使用基本方法实现数字图像操作。

3.2 教学任务

依据教学目标，确定教学任务主要包括以下四点。

3.2.1 理论知识讲解

从理论来源、关键推导过程、主要应用领域、难点和重点总结等方面，梳理章节内知识体系及章节间关联性。其中，对涉及计算机基本理论的内容，主要采用概述和举例阐述定义和适用范围。

3.2.2 教学实施

采用PPT的形式进行相关理论展示讲解。将重点和难点与主要理论的关联性以文字和关系图谱的形式联合讲解，以构建学生对知识点在章节内和章节间的关联性的感性认知；对关键理论采用展示推导过程与书本例题讲解相结合的形式，建立学生对知识点学以致用的理性认知。

3.2.3 编程实操训练

数字图像操作可采用编程参数化的手段，也可以采用商业软件整合的操作工具。现有的艺术设计教学体系下主要采用数字图像商业软件的传统设计教学工具，而艺术与科技跨学科人才需求的背景下，采用编程软件实现艺术创作，不仅是当前现代化艺术设计人才所需的基础技能，更是与其他领域专家特别是计算机技术专业人员开展良好沟通的基本条件。因此，该课程坚持开展基于编程语言的数字图像处理实践操作训练。

编程实操训练强调学生动手实验，尽管前人研究提出基于C++和MATLAB等软件和技术开展实验教学的方案，但是学生在理论学习后接受度和挫败感将进一步影响学生课后自主学习的动力。因此，课堂内需要采取积极干预的措施，配合学习门槛较低，且与后续课程可持续形成关联作用的编程语言，开展百城实操训练。该课程选择了采用Python面向对象编程开源语言，满足入门门槛较低，网络开放课程资源丰富，且后续与可视化编程软件，如TouchDesigner，可接受基于Python的程序代码[5]。

3.3 教学实践

教学实践中，结合教案章节顺序，教学内容的设置安排实验课时在总课时50%，即该课程总课时为48课时，实验课时将安排为24 课时。实验课内容包括6 个实验内容模块，具体如下。

（1）Python基本操作模块，数据结构、基本运算、图片读取与储存等。

（2）图像域操作模块，灰度变换、几何变换等。

（3）图像滤波模块，滤波函数、卷积和点乘等。

（4）图形增强模块，频域滤波、图像平滑、图像锐化和伪彩色增强等。

（5）图像分割模块，阈值分割、图像叠加等。

（6）图像特征提取模块，图像编码和图像描述等。

通过讲解展示可执行代码以供学生在课堂上直观理解代码提供的图像处理功能，要求学生在课堂内重现展示代码的功能。代码复现是了解编程语言的一种重要手段，通过讲解代码中的格式、逻辑，适时讲解编程语言的功能和函数，有利于帮助学生快速建立代码书写规范，建立函数与功能实现之间的代码关联性。学生考核采用半命题课题研究方式，考核学生综合运用所学图像操作方法及编程技能。通过主动教授和激励方式的综合运用，学生基本满足综合运用Python 解决半命题课题中需要综合运用图像空域操作、图像滤波、图像分割和特征分析的图像处理思维，分析图像特征，构建合理的图像处理流程，应用实践课程所学编程内容，基本实现图像处理技能的预定目标。

艺术设计类前置课程中对学生对图像审美水平有显著影响。即学生可清晰陈述对原始待处理图像的获取和图像处理预期，对图像处理过程中的实验中间结果给予恰当的主观审美分析，善于使用艺术化二次创作提升图像美化结果，从而弥补在图像变换和增强中的技术短板。然而，课题选题存在显著局限性。课题选题普遍受到半命题的约束，在提供开放选题选项的前提下，仍然缺少开放选题课题；课题相关调研薄弱。学生对已有研究调研程度低，导致图像处理实践中，因为不了解技术现状以及缺乏调研技巧，对遇到的技术问题无法解决，表现为图像操作方法生搬硬套，图像处理结果与处理流程的牵强附会等。

因此，针对学生的基本技能和知识面的缺失，教学方式改革需要围绕技能补起进一步完善。

4 基于艺应用案例讲解的交叉融合教学设计

合适的案例是提高教学效果的基本要求。该课程采用冈萨雷斯编著的《数字图像处理》第4 版作为教材，所提供应用案例未能紧跟当前社会发展，虽然可以作为参考案例，但是由于与学生的知识面相去甚远，难以诱发学生的学习乐趣。因此，应用案例强调与时俱进、多元领域的案例，在满足与课程教学内容相符的基础上，通过案例讲解来建立图像操作方法与现实生活案例的关联性，并通过强调考核所需开放课题的必要性，达到启发学生从生活相近和兴趣所指的案例中发掘有趣的选题。

启发性案例实践突破传统案例复现的机械性。启发性案例包括两层含义：第一层是课内理论讲解的应用案例；第二层为课内实践教学的代码功能复现案例。

针对课内理论思考能力培养，采用前沿案例辅助理论知识理解。通过积极收集教学周期内一切图像相关的科学、艺术、教师研究课题等前沿图像数据作为应用案例，结合相关知识点，展示图像解读、图像分析，以及相符合的图像处理技术，比如：医学图像处理中关于边缘检测的应用案例在病灶分割和分类中的作用、中国火星探测器祝融号火星车发挥首批火星图像利用探测车上色盘校正图像颜色的分析、自然图像去雾去雨在自动驾驶中的应用、色彩与人眼视觉特性在视觉效果呈现差异的分析、马赫带效应的应用等。通过分析案例的图像采集动机、图像获取来源、图像处理方式等，传授案例分析的基本技巧，将复杂和抽象的理论与形象的应用案例结合，以提高学生的学习积极性。通过全课程共3～5 个具体案例分析，为学生提供自选题目模版，对促进学生在课程大作业自主选题起到积极作用。

针对实践动手能力培养，采用课内鼓励学生主动探索机械性重复教师提供的实践内容，容易消磨学生创作的积极性，形成等待结果的惰性，不利于学生充分理解实践的目的和知识点。改革前为开设《图像处理基础课程》第一年，在实践教学过程中展示代码功能所使用的原始素材在课前全数开放提供给学生，以方便学生在实践过程中可以准确复现展示案例呈现的结果。课堂观察表明50%（15人）学生在实操过程中不能完成课堂练习，15 人中有6 人（40%）在课程考核中表现为理论知识理解程度较低，代码理解程度较低；通过总结教学经验开展教学过程反思和教学方式改革后，课内实践只展示代码及预期效果，复现代码功能测试所使用素材替换为课内学生自采素材。课堂观察表明在实操过程中不能完成课堂练习的人数出现下降，第二年为26%（12/46），第三年为16%（7/43）。不能完成课堂练习的学生中，读代码能力和编程能力均高于第一年，且学生在考核前与教师互动更频繁，在课题思路和技术短板方面提出更具有贴近解决困难和实现功能的有效问题，并在考核中反映出对所遇到困难提出不同的解决方案的科学研究思维。

5 科学研究基本技能的教学设计

艺术设计专业具有着重作品，强调技能，学术较弱的先天不足[6]，是在课程考核的演示汇报流程中，表现为汇报逻辑杂乱、对选题调研不足、结果陈述缺乏量化分析，难以满足创新应用型人才的基本科学素养。因此，在课程中期实践课时开展科学文献调研基础教学，通过概括文献调研目的，介绍文献数据库，举例调研流程，并实际演示关于图像处理与设计的文献调研结果。

教学实践结果表明，文献调研技能教学在课程考核中具有显著影响。通过对比3 年课程考核结果，分析选题，研究内容和最终成果，课程考核差异主要体现在研究对象、研究方法两个方面。首先，文献调研技能教学直接影响学生的选题范围，从改革前大部分学生（86%）局限于半命题，到改革后大部分学生（88%）采用自主命题。从改革前的单纯图像修复，到改革后出现图像增强和二次艺术创作作品，通过文献调研前沿信息，实现了主动探索的自主学习的开端。其次，研究方法发生了质的变化。改革前，学生主要采用回顾课堂练习提供的图像操作代码进行排列组合的方法，使用代码功能对图像进行变换、增强操作，且受限制于对函数功能的理解水平，图像增强效果艺术设计成分较高；改革后，考核汇报中文献调研相关内容显著增加，包括相关技术文献调研，相关应用市场调研以及综合应用开发相关专利等。在图像处理中引入了前沿科学问题、采用了先进图像处理技术和基于编程的图像再创作，课程学习效果显著提升。

6 跨学科教学模式需要持续改进

在艺术设计类教学体系下开展工科应用性人才培养，聚焦在跨学科教学中，构建“实战型”教学策略。在计算机类课程的教学实践中，相关教材大多基于计算机专业的基础知识能力体系设计教学逻辑和应用案例，与艺术设计关联性弱。避免教学过程中计算机类课程的理论教学脱离艺术设计话题而形成信息孤岛，需要加强教学体系的跨学科建设，持续完善教学活动与培养目标形成闭环促进机制。

6.1 教学目标需要加强计算机技术在艺术设计的转化率

教师在向学生传授计算机图像处理相关知识、技术与应用过程中，不仅要强化计算机基本技能，还要以培养学生艺术创作能力为教学目标，提高技术转化的关联性。教师需要进一步完善强化运用艺术设计类专业多元教学手段，设计具有开放性、创新性的学习任务，开阔学生视野，提高学生探索技术在设计创作的应用逻辑和方式。

6.2 教学任务需要加强艺术设计为核心的科研转化率

以赛促教，以教促学的教学是培养应用型人才的一种重要的教学组织形式。作为理论知识向实际应用的桥梁，艺术设计类专业比赛和大学生创意创业比赛强调多学科交叉和综合技能考核，有利于实际能力和技能的提高。教师应及时更新教学理念，积极引导学生使用科研技能探索艺术创作的结合点，在理论教学基础上，学习新知识，新技能、新设备，主动适应科研项目开发和团队建设的技能要求，全面提高教师的教学水平，提高教学质量。

7 结语

数字媒体技术专业是佛山科学技术学院的一门专业，如何充分发挥艺术设计教学体系下的计算机类工科应用型人才培养，需要教师团队进一步思考和研究。教学实验表明，艺术设计基础技能前置课程，对于学生在计算机类基础课程中主动结合艺术设计思维和计算机技术具有重要作用。艺术设计类基础课程提供了学生审美培养的条件，包括理论学习和案例解析。其实，图像处理基础课程课时有限，教学内容受到深度和广度的限制，这就要求教师需要在教学进程中适时调整阶段性目标，对于切实提升数媒专业学生的计算机基础，还需要教师自身提升艺术的科学理解能力，提高科研素养，才能发挥积极的引导作用，达到跨学科人才培养的目标。