研究生核心课程的建设与实践

阮秋琦 安高云 赵宏伟 金一

[摘 要]文章围绕研究生核心课程建设，提出了六个突出的建设思路：核心课程建设要突出知识体系的完备性;教学内容要突出先进性，即要及时反映学科领域前沿和最新的科技成果;教学资源建设要突出多方位的立体化结构;教学要突出先进的教学方法和现代化教学手段的运用;要突出教学团队建设的重要性;要突出思政内容的自然融入。数字图像处理学核心课程建设的实践证明，六个突出理念在核心课程建设及人才培养中起到了很好的作用。

[关键词]核心课程;研究生;数字图像处理学核心课程;课程建设

[中图分类号] G643 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）01-0175-04

我国恢复研究生培养制度以来，已走过了42个年头。2018年是我国研究生教育恢复招生40周年，就当时的统计资料来看，40年来我国累计招收研究生近600万人，其中，硕士研究生529万人，博士研究生69万人。目前，我国在校研究生近200万人，仅次于美国，成为世界研究生教育第二大国。建设世界一流大学和一流学科是党中央、国务院做出的重大战略决策，这对提升我国教育发展水平、增强国家核心竞争力、奠定长远发展基础具有十分重要的意义。国家在实施“211工程”“985工程”的基础上，创新实施方式，统筹推进世界一流大学和一流学科建设，以一流为目标、以学科为基础、以绩效为杠杆、以改革为动力，着力推动一批高水平大学和学科进入世界一流行列或前列，到21世纪中叶，一流大学和一流学科的数量和实力进入世界前列，基本建成高等教育强国。这标志着我国研究生教育进入了新的阶段。

研究生的毕业论文评价中有一段标志性语言，即：对硕士生是“在本门学科已掌握了坚实的基础理论和系统的专门知识”;对博士生是 “在本门学科已掌握了坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识”，这是对不同层次的研究生知识水平的评价，也是我们培养研究生的基本目标。

要使研究生培养达到这样的水准和目标，课程建设是其中至关重要的培养环节。因此，要优化研究生课程体系，提升课程教学在研究生培养中的基础性作用，推动研究生课程教学整体上一个台阶，提高创新性人才的能力培养，开展研究生核心课程建设是十分必要的。

数字图像处理学是一门起源于20世纪20年代的科学与技术，由于遥感、医学等领域的应用，图像处理技术逐步受到关注并得到相应的发展。1964年美国的“喷气推进实验室”处理了由太空船“徘徊者七号”发回的月球照片，这标志着第三代计算机问世后，数字图像处理技术开始得到重视及普遍应用。CT的发明、应用及获得备受科技界瞩目的诺贝尔奖，让图像处理技术大放异彩。其后，数字图像处理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科之间学习和研究的对象[1]。

大数据、人工智能、物联网、虚拟现实等科学技术的快速发展，以及5G的日益成熟及应用，为图像信息的获取、存储、传输、处理及表现提供了越来越优越的条件，同时，其应用领域也不断扩展。如今，它已成为人类获取信息的重要来源及利用信息的重要手段。图像处理科学又是一门与国计民生紧密相连的应用科学，它给人类带来了巨大的经济效益和社会效益，它的发展及应用与我国的现代化建设联系密切，对我国现代化建设影响深远。在高等院校里，数字图像处理这门课程一直是电子信息类学科及相关学科重要的专业基础课和专业学位课，也是信息与通信工程学科中的重点研究方向。随着教育教学改革的深入，生源的数量及素质以及培养目标的变化，数字图像处理学研究生课程的建设与改革也亟待向纵深推进，把该课程建成研究生优质核心课程也是一流学科建设的一个重要任务。

一、核心课程建设的主要框架与内涵

核心课程建设的主要框架与建设内容及联系如图1所示。

从图1中可以看出，优质核心课程的建设涉及课程在各个学科中的定位、课程建设的标准、课程建设的内容、教师队伍的建设、教学模式及教学法研究、课程质量的监控、教学资源建设以及思政内容的建设及融入等八个方面。在建设过程中，要始终在新模式与理念的创新、先进的顶层设计与规划、科学管理与评估的指导之下进行，以便使课程建设平稳有序地推进。

（一）核心课程定位

核心课程该如何定位与确定，是优质核心课程首先要解决的问题之一。在国务院学位委员会的学科目录中大家会看到，每个学科都有本学科业务范围的界定，它反映了该学科的研究生必须掌握的主要知识，反映了该学科的独特性和不可替代性的知识内涵。因此，能够代表本学科主要业务的“看家的”课程就应该定位为本学科的核心课程。

（二）核心课程的建设标准、建设内容、队伍建设及教学方法

在核心课程的建设中，我们始终坚持六个突出的标准。下面以数字图像处理学课程建设为例来说明。

1.核心课程的知识体系要突出完备性

核心课程的知识体系及教学内容是核心课程建设的主旋律，是核心课程建设的基本出发点之一。因此，核心课程要与一流学科的建设要求相匹配，要与国际先进教学理念和经验相接轨。

數字图像处理学是一门理论涉及范围广、技术发展速度快、实践手段要求高、实际应用领域宽的专业课程（针对不同学科和专业，课程的性质也不同）。因此，在研究生课程建设中要体现教学内容的坚实性、宽广性。例如，在微积分、概率统计与随机过程、泛函分析、拓扑学、最优化理论等数学工具在本课的教学上要体现出清晰的概念、严密的推理以及算法的合理演化，既要体现严密的逻辑思维方法，又要体现合理的工程简化。又如，当涉及通信原理、电路分析、数字信号处理、信号与系统等专业基础理论时，要重点启发从一维到二维甚至是高维的合理的理论推广，同时也要强调推广中出现的新性质，以便于学生理解，培养学生的创新性思维习惯，从而达到研究生培养的目标，即“具有坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识”的目的。

2.核心课程的教学内容要突出与时俱进性

课堂教学既要保持课程内容、体系的完整性，又要及时反映本学科的最新研究成果，同时，还要积极整合成熟的科研成果进课堂，使研究生不仅能通过课堂教学掌握坚实宽广的基础理论和系统的专门知识，而且能通过核心课程建设，促进本门课程理论体系的逐步完善和充实。

当今计算机与信息领域的发展十分迅速，诸如大数据、人工智能、物联网、虚拟现实、5G移动通信等研究领域的发展如火如荼。在这些领域中，数字图像处理理论与技术都起着重要的支撑作用。如图像是数据量最大的信息源，与大数据技术密切相关;在人工智能中的人脸识别、车辆的自动驾驶、工业生产中的自动控制与质量检测等应用领域，图像处理都扮演着重要角色[2];虚拟现实中的虚拟场景生成和人机自然交互关键技术等也都离不开图像处理技术;5G的重要特点是带宽宽、延时短、视频表现流畅，这些特点都是视频图像传输与处理的基本要求。因此，数字图像处理学课程的教学要与时俱进，适时地引入如深度学习、卷积神经网络、偏微分方程在图像处理中的应用等新概念、新成果，以实现科研成果进课堂，加深研究生对理论的理解，以便他们掌握本门学科的发展进程。

3.核心课程的教学资源建设要突出立体化

核心课程建设的重要内容之一是教材及教学平台的建设。核心课程教材應是系列化的优秀教材，教材要充分体现系统性、科学性、完整性、先进性和实践性，同时重视教学资源建设，充分利用现代教育技术及手段将涉及本课程的教学和资源（教材、教学大纲、教案、习题、实验指导、参考文献、课件、授课录像、MOOCS和教学案例等）在网站上呈现，形成以现代教育技术为核心的学习平台，为研究生提供丰富的立体化的自主学习资源，实现优质教学资源共享。

教材建设是高校人才培养中永恒的主题[3-4]。综观世界知名的一流大学，都有大量知名品牌的系列教材，其结构之合理，内容之完备，知识之系统，流传之广泛，都为一流的知名院校奠定了坚实的基础。教材不同于科技专著，它是一种独具特色的著作。一本好的教材是经过专家教授多年的精心设计与组织，在教学及科研实践中经过多年的积淀与提升，集成熟的基础知识与专业知识之精华编著而成。《数字图像处理学》教材的编著是本着如下指导思想进行的[4]。

（1）系统性。一本好的教材应该具有系统性，使学习者通过本门科学的学习对知识有系统的掌握，便于学习者在学习本门知识时，能做到举一反三、融会贯通。

（2）科学性。任何一门科学都有其独特的核心内容、基本概念、基本方法和应用对象及范围，如何从学习者的认知规律出发，从建立基本概念入手，引领学习者自然而顺利地进入本科学的大门，进而牢记基本概念，掌握基本原理及方法，通过基本应用实例和实践活动加深对本门科学的理解是教材的重要特点[4]。

（3）完整性。一本好的教材应该是内容完整、概念清楚、通俗易懂、悬念极少的科学著作。它应该对本门科学的发生起因、发展历史、核心内容、基本概念及定义、重要理论的推导、具体的实现方法、本科学与相关科学的关系、本学科的发展趋势及当前的热点做完整的阐述。同时，对重要的基础知识做提纲携领地铺垫也是十分必要的[4]。

（4）先进性。对于一本专业教材，先进性是其突出特点。因此，对教材进行适时的修订是十分必要的，电子信息类的专业教材更是如此。随着科学技术的发展，把成熟的先进知识适时地融入专业教材是保持教材先进性的必由之路[4]。

（5）实践性。一本好的教材一定要配合一定数量的习题与实验。以应用科学为主的理工科研究生的培养必须注重科学实验。它对研究生掌握本门科学的基本概念、基本方法及培养研究生的动手能力、解决问题的能力至关重要。我们在近40年的教学、科研的基础上编著的《数字图像处理学》一书，取得了较好的效果[4]。

4.核心课程教学要突出先进教学方法和现代化教学手段的运用

根据数字图像处理学的课程特色，结合教学内容，以现代信息技术为手段，转变教学理念，改革教学方法，丰富教学手段，形成案例式、反转式、研讨式、实践式等多种途径、多种媒体形式有机结合的“立体化”教学是核心课程建设的重点之一。

教学法研究是教学中永恒的主题，也是“教育学”中的科学命题。我国教育学的起源可追溯至公元前403年的“学记”。实际上，我国的孔子、后来捷克的教育家夸美纽斯、德国的教育家赫尔巴特、美国的教育家杜威等都为教育学的发展做出了重要贡献，他们提出的教育理念与教学法至今仍然受到重视。在研究生教学中推行探究性教学是提高教学质量的必由之路。探究性教学必须具备六个要素：（1） 知识体系具有完备性。（2） 教学进程符合认知规律。（3） 教学内容极具启发性。（4） 实验与理论教学配合紧密，具有研究探索因素。（5） 教学环节张弛有度，能赋予学生较大的自我发挥空间。（6） 能够最大限度地调动学生的积极性、想象力、创造性，同时注重以下教学环节的改革与提升：①理论教学。因为理论教学是掌握知识和培养研究性思维习惯的重要途径。②实验教学。实验教学是研究生培养的重要环节，是培养研究生解决复杂问题和动手能力的重要手段。③科学的讲授艺术。教学是一门艺术，丰富的知识面、生动的表达能力、引人入胜的渲染是激发学生学习兴趣的关键。教学又是双边活动，因此，教学中的师生互动也是启发学生主动思考、积极探索、认真研究的重要环节。④现代化教学手段的运用。现代化教学工具的运用是提高课堂信息量和加深学生理解的重要形式，特别是数字图像处理学课程教学应充分利用视觉信息的特点来提高教学效果，这是一种事半功倍的教学法。⑤科学研究进展的引领作用。科学在不断地发展，新的理论及应用成果不断涌现，适时地将这些理论及成果引入课堂教学中，可启发研究生进行深入的探究，激发他们的学习兴趣。科学研究成果的适时引入对研究性教学具有重要的引领作用。⑥教材建设。教材是知识的重要载体，也是教学活动的基础性文献和教学改革成果的结晶，它体现了人才培养计划中知识结构设计的精髓。一流的精品教材是研究生核心课程建设的标志性成果。

总之，任何一门科学或课程都有自己的科学体系及独特的魅力，在课程教学中大力突出具有研究性思维训练价值的内容，把它们作为重要的知识点，强调创新性思想的意义及价值，并以此作为教学的主线，着力培养研究生的研究性思维习惯是评价核心课程的重要准则之一。

5.核心课程建设要突出教学团队的建设

核心课程必须由学术造诣高、教学经验丰富的教授主讲，通过核心课程的建设，形成一支结构合理、人员稳定、教学水平高、教学效果好的教师团队，这也是核心课程建设的重要任务。任课教师要加强与国际一流学科的交流与合作，通过“走出去”“引进来”，对标核心课程教学的国际先进水平。目前，数字图像处理学课程的教学团队经长期的建设与培育，已形成了以国家级教学名师领衔的老、中、青相结合的教师队伍。

6.核心课程建设要突出思政内容的自然融入

传道授业解惑，重在传道，这是人才培养的要义。专业课里的思政内容可塑造研究生的人生品格，激励研究生立鸿鹄之志、做圆梦之人。数字图像处理学是自然科学中的一个分支，它的发生、发展、成熟与应用是几代科学家不懈努力的结果，它的发展历程无不贯穿着自然辩证法的精髓。如傅里叶的科学精神、伦琴教授敏锐的观察能力、山农的创新性研究经历、加博尔的持之以恒、维纳的成长历程，以及我国的嫦娥一号发回的月球高清图像的成果等，这些都是该课程极好的思政素材。思政内容是运用德育中的学科思维，提炼专业课程中蕴含的文化基因和价值观，并将其具体化、生动化，通过润物细无声的教学艺术融入理想、信念，从而不断完善“三全育人”格局，努力培养德智体美劳全面发展和具有家国情怀、创新精神、国际视野可担当民族复兴大任的卓越科技英才。

（三）课程质量的监控

为保证核心课程的教学质量，必须有一定的考核监控机制，例如：定期考试、随堂测验、课堂交流、作业点评、多样化实验命题、综合性实验报告及研讨等，以实现动态质量监控，培养研究生科学研究和解决复杂工程问题的能力，从而让研究生逐步养成创新性思维的习惯。

二、主要成果及效果

北京交通大学是我国最早开设数字图像处理学课程的高校之一。它1979年便为首届研究生开设了数字图像处理学课程。我们结合科研成果开始自行编著适合本校研究生的参考用书，1985年由中国铁道出版社出版的《数字图像处理基础》教材。在40多年的研究生教学实践中，随着数字图像处理科学的不断发展，我们不断进行教学改革，逐步修订教学大纲及教学内容，先后出版了新的教材《数字图像处理学》（一、二、三版）。《数字图像处理基础》《数字图像处理学》教材建设项目获北京市教学成果奖，并于2005年被评为北京市精品教材。数字图像处理学课程也被评为北京市精品课。其后，在国家质量工程中陆续被评为国家级精品教材和国家级精品课程、资源共享课等。现在，数字图像处理学课程在北京交通大学不仅是信息与通信工程、生物医学工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等学科重要的专业基础课，也是机械工程、土木工程、电气工程及光学工程等其他学科的重要选修课。为与国际接轨，课程负责人引进并翻译了美国著名图像处理领域的專家冈萨雷斯的八部著作，有效促进了本门学科的发展。

在数字图像处理学课程建设中，我们收集和编制了大量的标准图像、典型算法及MATLAB实现程序、教学PPT、MOOCS等学习资料，这给研究生及科研工作者的学习及实践带来了极大的便利。此外，为配合案例教学，我们结合多年的科学研究成果，开发和整理了十二个教学案例，这不仅丰富了教学内容，也为培养研究生解决实际问题的能力提供了完整的“立体化”素材。

结合研究生核心课程建设，我们遵循以下教学规律：1.以理论教学为引导，培养学生的创新性思维习惯;2.以实验教学为基础，培养学生的探究能力;3.以讲授艺术为抓手，提高教师的教学水平;4.以可视技术为手段，提高学生的学习效率和学习兴趣;5.以科研成果为素材，培养学生的创新意识;6.以精品教材为载体，加强课程的基础建设;7.以思政内容的融入来培养学生的爱国情怀。实践证明，这些都是核心课程建设行之有效的经验与规律。

三、结论

本文结合数字图像处理学的知识体系和课程特点，基于核心课程的建设目标，提出了六个突出的建设思路：核心课程建设要突出知识体系的完备性，教学内容要突出先进性，教学资源建设要突出多方位的立体化结构，教学要突出先进的教学方法和现代化教学手段的运用，要突出教学团队建设，要突出思政内容的自然融入。同时，围绕核心课程建设思路提出的教材建设的五个要点、研究性教学的六个要素及教学中的六个环节在核心课程建设及实践中取得了良好的教学效果，对提高研究生培养的整体素质具有积极的作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 阮秋琦.数字图像处理学[M].第三版.北京：电子工业出版社，2013.

[2] 尹辉，阮秋琦，于双元，等.计算机与信息大类招生模式下的多学科交叉创新人才培养改革与实践[J].计算机教育，2014（13）：10-14.

[3] 顾秉林.创新是研究性大学的成功之道[N].中国教育报，2007-11-19（6）.

[4] 阮秋琦.以研究性教学培养创新性人才[J].中国大学教学，2008（12）：23-25.

[责任编辑：陈 明]