融入课程思政的《数字图像基础》教学设计与探索

2022-06-15李雨桐马苗

教育现代化 2022年24期

李雨桐，马苗

（陕西师范大学计算机科学学院，陕西西安）

一引言

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，鼓励各高校探索工程教育的新模式，倡导新工科研究与实践[1]。高校最主要的任务是为国家培养德才兼备的高质量人才，而计算机学科作为新工科的重要组成部分，相关高校担负着新工科人才培养的职责和使命。2020年5月，教育部印发的《高等教育学校学习课程思政建设进行指导纲要》要求全面推进课程思想政治建设，这是落实立德树人根本任务的一项战略举措[2]。培养什么人、如何培养人、为谁培养人是教育的根本问题，也是检验高校一切工作的基本标准[3]。全面推进课程思想政治建设，在知识教学和能力培养过程中引导学生树牢“四个意识”，坚定“四个自信”，是培养社会主义建设者和接班人的意义和本质内容。

目前，我国各高校在保持思想政治教育引领作用的同时，进一步将思想政治教育纳入专业课程当中，也取得了一系列的研究成果，初显出良好的育人效果。例如，复旦大学的课程思政“开学第一课”，通过结合COVID-19大流行期间的病毒检测、环境污染检测等热点问题，激发了学生的社会责任感和爱国情怀。

本文以工科计算机专业研究生为研究对象，以《数字图像处理》课程的数字图像基础章节为例，在进行专业知识教学设计与授课的同时，将思想政治元素融入到课程教学中，达到育人效果，在第一课堂中推动落实立德树人的根本任务。

二《数字图像处理》教学分析

在计算机电子信息专业中，《数字图像处理》课程是一门非常重要的专业选修课程。为更好地实现教学目标，选用国内外高校采用的经典教材《数字图像处理》冈萨雷斯第三版。

（一）课程教材分析

冈萨雷斯版《数字图像处理》教材是图像处理领域的经典教材，据其官网http://www.imageproces singplace.com/显示，该教材被超过50多个国家的1000多个高校、工业、政府和研究机构采用，具有较强的普适性和权威性[4]。全书共633页，从基本的数字图像基础，到各类数字图像处理概念和算法，再到各种图像处理技术和应用，教材内容全面、实例范围广。但因课时所限，在课程教学中每周要完成50至80页的内容学习，教学任务重，加之课程内容专业性强，有一定难度，如何让学生有限的时间内较好吸收和掌握相关知识充满挑战。

（二）数字图像基础部分的教学内容分析

以教材第2章数字图像基础为例，进行知识点的梳理。主要内容包括：

1.了解人眼的成像过程，发现人眼是如何获取信息和图像的；

2.了解视觉感知要素，完成对马赫带效应、视觉错觉等图像的对比观察；

3.了解图像的感知和获取方式；

4.熟悉图像的取样和量化的过程、相关概念和公式；

5.熟悉数字图像的表示以及像素间的一些基本关系等知识；

6.掌握图像的数字化过程和数字图像处理过程中所用的数学工具等内容。

本章教学重点为：视觉感知基础、图像取样和量化、图像中像素的联系[5]；教学难点为：图像数字化过程、相邻像素间的关系[5]。前者难在如何理解这个抽象的过程，为了使计算机能够处理图像，需要把图像在时间轴上和幅值上离散化，这个过程直接影响着图像的质量。后者在于掌握好相邻像素间的关系，这有助于对一个图像进行矫正或者处理，以获得想要的图像及其特征。

（三）讲授对象分析

该课程授课在研究生一年级第一学期，是学生从本科步入研究生学习的初始阶段，该阶段的学生存在以下问题：首先，学生思维还未能从灌输式学习转变到自主式研究学习，此阶段学生自主学习、研究能力较差；其次，被授课学生有学术型和专业型硕士，培养方式和研究方向存在不同，学生水平参差不齐；最后，课程本身晦涩难懂，部分学生实践动手能力薄弱，存在学生课堂参与度不高且无法完成相关实践作业等情况。

图1 教学内容梳理（＊表示重点，#表示难点）

（四）实践教学分析

该课程理论性强，且具有配套的实验教材、图像处理程序库、图像处理仿真平台，教学过程应做到理论教学和实践教学相结合。由于授课课时少，教学内容多，理论教学占据教学过程所有课时，教师无法做到理论和实践同步教学。在缺少实践教学环节的情况下，学生对于理论与实践难以融会贯通，是本课程教学过程中存在的问题。

三数字图像基础章节思政元素的教学案例整合与设计

在这一章节的讲授过程中，会深度融入各知识点相关的思政元素，提炼其思想价值和精神内涵，以丰富课堂教学内容和形式，激发学生的学习兴趣，使学生将所学到的知识转化为推进社会发展动力的责任感和使命感。

融入的思政元素点有：眼见不一定为实；善于发现、探究科学；发散思维、创新思维；发奋图强，勇攀学术高峰；正确的科学道德观；集体主义精神、团队协作精神以及具体情况具体分析等思政点，如图2所示。

图2 数字图像基础思政育人元素的凝炼

四教学案例整合与设计

（一）课前准备阶段

该阶段，教师充分利用已有资源，认真编写本章节PPT课件内容以及可以融入的思政内容，以便学生收到课件后，有条理、针对性地做好课前预习工作。教师设置交流平台，方便学生提问和学生之间的协作和沟通。

（二）课间讲授阶段

1.视觉感知基础：讲述人眼的成像过程和人眼的感知特点，在列举课本24页马赫带效应、大量视觉错觉和同时对比度图像等例子的同时，引发学生思考：从人类视觉模型中可以看出，人类视觉并不完全是对真实景物的直接反应，还包括大脑加工部分，可见眼见也不一定为实。

育人元素挖掘：事情的真相往往隐藏在迷雾之后，这需要根据事实的因果进行一定程度的判断和仔细的核实，通过自己所见再加上客观分析得出正确结论。据此引导学生批判性思维的养成，具有独立思考、批判性分析的能力，求真存疑，以新角度、新思路、新方法理性看待问题，培养去伪存真的科学家精神。

2.光和电磁波谱：讲述电磁波谱，了解波长和频率间关系以及电磁波谱能量公式。通过引入故事的方式激发学生的学习兴趣，增强学习积极性。

育人元素挖掘：例如由24页“三棱镜的色散现象”引路申为可见世界多姿多彩、神奇万千，身边处处有科学，要善于发现和探究身边的科学，理解科学，养成科研思维习惯和自信心。

电磁波谱各波段在通信、遥感、医学等不同领域的广泛应用，呈现微波雷达、红外遥感监测、X射线的案例。培养学生的发散性思维和研究兴趣，启发学生多角度探究，大胆提出问题与想法，激发学生科研敏锐性，助力创造思维和实践创新能力的培养。

引入电子科技大学刘永坦院士为首的科学工作者引领太赫兹领域科学发展的事迹，引发学生思考与探索，建立学生民族自豪感，树立四个自信，教育和激励广大学生要发奋图强，勇攀学术高峰[6]。

3.图像的感知和获取：讲述图像感知和获取的基本概念、使用单个传感器、条带传感器、传感器阵列获取图像的原理和应用领域以及图像的成像方式。

育人元素挖掘：在不同应用中可以采取不同的图像获取方式，以小见大，启发学生深刻体会科学进步对社会发展带来的巨大影响。例如，我国交通已步入高铁时代，纵横分布的高铁网便利了人们出行，带动经济快速发展，成为世界的领跑者；再例，如今的“无纸化”办公时代，我国提出的“减碳”承诺、气候行动目标，碳中和、碳达峰纳入生态文明建设整体布局，彰显中国的责任与担当，倡导“人类命运共同体”意识。最后，进行工程伦理教育，启发学生科学技术是一把双刃剑，带来有利面的同时可能会带来一些负作用，要合理利用科技服务人类。

4.图像的取样和量化：讲述图像取样和量化的相关概念、数字图像表示。图像的数字化处理包括采样和量化，用多少点来描述一幅图像属于采样的过程，使用多大范围的数值来表示图像采样之后的每一个点属于量化的过程，采样的质量可由量化的结果反映。

育人元素挖掘：强调目标的达成不是一蹴而就的，而是循序渐进地完成。学习知识过程中，启发学生把握因果关系、逻辑关系，将内容条理化、系统化；按照认识规律循序渐进地掌握，在大脑中构建思维导图，不断提高自身逻辑思维能力；同时要志存高远、戒骄戒躁，做到“厚积薄发”，在科研之路上砥砺前行。

5.像素间的一些基本关系：讲述像素间的各种关系、一些基本概念，以及像素间不同距离度量的计算方法。相关像素在空间的位置和属性都有着密切关系，所以对一个图像进行分析，不仅要考虑像素在位置上的联系，还要考虑像素在属性之间的关系。

育人元素挖掘：无数具有相互关系的像素点组成一幅图像，牵一发而动全身，可以影射到个人与集体关系中。个人从属于社会，集体的发展离不开每个人的努力，在研究生关系中，要发挥集体主义精神，个人的态度与行动将会影响集体的发展。

像素间的关系与距离度量方式影响着对整体图像的分析与处理，这一点则体现了个人与团体协作道理，在合作项目中，各成员应有效分工、各司其职，具有团队向心力、协作力与凝聚力，发扬团队协作精神。

6.数字图像处理中所用数学工具：概述图像处理中使用的数学工具，包括阵列与矩阵操作、线性操作和非线性操作等。例如，在算术操作中，图像相乘可以用一个模板图像与对应图像相乘从而留下感兴趣的ROI区；想要进行阴影校正可以对图像间进行相乘或相除；图像加法操作可用于图像降噪；图像减法操作可以用于增强图像。

育人元素挖掘：引导学生在日常生活中要具体问题具体分析，选择合适方法处理现实中遇到的问题。在研究生科研阶段，要多积累、多思考，抓住其本质特点，忽略干扰因素才能快速发现和解决问题。