面向新工科建设的仪器类专业数字图像处理课程思政教学案例设计与探索

祝世平 周富强 高硕 魏新国

摘  要：該文面向新工科建设的“复旦共识”“北京指南”“天大行动”，围绕“新工科建设”和“课程思政育人”两大目标，推进仪器类专业课程思政建设，把思想政治教育贯穿到人才培养体系的全过程，引导学生自尊、自信、自立和自强，强化学生“仪器报国、仪器强国”的使命担当，厚植家国情怀，培养担当民族复兴大任的时代新人。同时探讨结合学校的办学定位、专业特色、人才培养要求，探索课程思政教学与知识教学的有机统一。针对面向仪器类本科生开设的数字图像处理课程，从教学大纲、教案、教材等方面整理补充和仪器仪表行业相关的思政教育元素，设计题材新颖、具有时代特色的仪器类思政教学案例，实现具有“专业知识-思政育人-空天报国-敢为人先”特色的课程思政育人目标，进一步落实课程思政“立德树人成效”根本标准的具体化和可操作化。

关键词：新工科;课程思政;仪器类专业;数字图像处理;思政教学案例设计

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）S2-0039-05

Abstract： This article focuses on the "Fudan Consensus"， "Beijing Guidelines"， and "Tianda Action" for the construction of New Engineering， and revolves around the two major goals of "New Engineering Construction" and "Curriculum Ideological and Political Education" to promote the ideological and political construction of instrument related courses. It integrates ideological and political education into the entire process of talent cultivation system， guides students' self-esteem， confidence， self-reliance， and self-improvement， and strengthens their mission of "serving the country with instruments" and strengthening the country with instruments， cultivates a strong sense of patriotism and new generations who take on the responsibility of national rejuvenation. At the same time， it explores the organic unity of ideological and political education and knowledge teaching in the curriculum， combining the university's educational positioning， professional characteristics， and talent cultivation requirements. In response to the Digital Image Processing course for undergraduate students majoring in instruments， we have organized and supplemented ideological and political education elements related to the instrument industry from the aspects of teaching syllabus， lesson plans， textbooks， etc. We have designed innovative and contemporary ideological and political education cases for instruments， achieving the goal of ideological and political education with the characteristics of "professional knowledge， ideological and political education， serving the country in the sky， and daring to be the first"， further implement the concretization and operability of the fundamental standard of "cultivating morality and cultivating effectiveness" in the ideological and political education curriculum.

Keywords： new engineering; curriculum ideological and political education; instrument major; Digital Image Processing; case design of ideological and political education

2017年的“复旦共识”[1]和“北京指南”[2]，以及2019年的“天大行动”[3]，提出了新工科建设的总体思路和建设方针，倡导以服务国家重大需求为己任，突破核心关键技术，解决“卡脖子”等关键问题，迫切需要培养大批面向新工科的创新型工程科技人才。当前国家统筹推进“双一流”建设，为加快建设和发展新工科奠定了良好基础。

全面推进课程思政建设，就是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中[4]，同时传承北航“空天報国、敢为人先”的红色基因和价值追求，紧密围绕国家和社会发展需求，结合学科专业定位和特色，需要将思政育人贯穿到本科教育的各个环节[5]，起到和专业教育相互补充、互相促进的作用，将成为今后本科生课程建设和本科生培养全过程中一个非常重要的环节，已经得到了广泛的重视并提出了许多改进和提高的建设举措[6-8]。

通过课程思政建设的有效贯彻执行，使同学们着眼于国际学术前沿和国家重大需求，致力于解决理论与实际问题，尤其是破解“卡脖子”“卡脑子”等核心关键问题，使同学们善于学习新知识、新技术、新理论，努力成为具有高水平创新能力的卓越人才。

一  数字图像处理课程思政改革总体路线设计

面向北京航空航天大学国家级一流本科专业“测控技术与仪器”培养计划中的核心专业课——数字图像处理（以下简称“本课程”）的课程思政建设，本文主要在思政教学案例的设计上进行了探索[9-10]。本课程的课程思政教学整体设计从以下三个方面考虑。

第一，探讨本课程在思政改革中的优势，在互联网上收集整理与课程思政相关的各种图像、视频等相关资源，以及与课程思政相关的各种教学案例。

第二，从教学管理、教师自身、教学方法等方面探讨思政元素与课程内容融入的有效路径。

第三，结合思政教育，改进教学方法。根据本课程的特点，将思政元素贯穿到绝大部分章节中，但每次体现思政元素的语言时间不占用过多的时间，涉及思政元素内容可放在PPT课件中。

二  面向仪器类专业数字图像处理课程思政案例设计

如图1所示，本文列举出三个面向仪器类专业数字图像处理课程思政案例的设计思路和具体内容。包括图像和视频显著性应用于“碳减排”和“碳中和”及“仪器报国、仪器强国”与数字图像处理的紧密联系、CCD成像原理及其在卫星对月面成像中的应用三个典型案例。

（一）  图像和视频显著性应用于“碳减排”和“碳中和”

如图2所示， 结合任课教师的研究方向和课题，讲解图像显著性和视频显著性的基础理论和最新的基于深度学习的检测算法，使同学们了解到虽然图像和视频的数据量巨大，但是可以通过显著性检测提取到其中的关键物体或者区域，从而减少计算数据量。

进而拓展讲解到在人工智能科学研究中，同样需要抓住问题的主要矛盾，减少算力的耗费，为“碳减排”“碳中和”作出自己力所能及的贡献。

（二）  “仪器报国、仪器强国”与数字图像处理的紧密联系

1  本案例教学目标

通过“仪器报国、仪器强国”与数字图像处理的紧密联系，串联起所讲授的各个知识点，使同学们了解所学的各个知识点在科学仪器中的用途。

如图3所示，面向仪器类专业的数字图像处理课程思政改革，将课程思政与仪器仪表行业在科技发展中的重要作用与重大贡献紧密结合起来，彰显了“仪器报国、仪器强国”与数字图像处理的紧密联系。

2  本案例的教学意义

本案例的意义在于通过“仪器报国、仪器强国”与数字图像处理的紧密联系，串联起所讲授的各个知识点，使同学们了解所学的各个知识点在科学仪器中的用途。通过科学仪器中所涉及的数字图像处理的知识和应用，来改进和完善教学方法与教学设计，同时也使同学们更加热爱本专业的科研工作，增加对本专业的认可度。

3  本案例的教学方法

本案例所对应的知识点包括数字图像处理基础、灰度变换与空间滤波、频率域滤波、图像复原与重建、图像分割、表示与描述和目标识别。

在第一讲“绪论”中，首先讲授数字图像处理的基本概念、基础知识、基本原理，介绍数字图像处理技术在现代科学仪器中的广泛应用案例，这样使同学们通过这些生动的案例对科学仪器及其重要作用产生浓厚的兴趣，进而对本课程产生浓厚的学习兴趣和学习积极性。

4  本案例的创新点

创新点在于课程每年都紧跟科学仪器与数字图像处理的最新研究和技术发展现状，不断及时更新讲义和课件，例如每年都将最新的诺贝尔奖中所涉及的科学仪器中的原理分享给同学们，使同学们站在科学的最高峰，了解科学仪器对于科学研究、生产建设、经济民生的重要性，这样增强了讲课内容的时效性，也增加了讲课内容的实用性，使同学们对于所学习到的知识能够联想到其实际的用途，对于知识的灵活运用能力也得到了大幅提高。

5  本案例的教学设计

1）首先介绍什么是数字图像处理，并给出基本概念的铺垫：①电磁波谱及其视觉波段;②成像机器的定义及其成像机理;③数字图像处理涉及很宽泛的各种各样的应用领域。

2）重点介绍医学图像处理的原理及其所包含的2项诺贝尔奖的基础前沿成果：首先在课堂上详细介绍20世纪70年代发明的计算机轴向断层术（CT）的成像原理，同时引出CT的工作原理所依赖的2项诺贝尔奖：亨斯菲尔德因CT断层摄影术获得了1979年的诺贝尔医学奖，伦琴因发现X射线获得了1901年的诺贝尔物理学奖，使同学们了解到高端科学仪器所依赖的是前人最基础前沿的研究成果及2项伟大的发明。

3）给出基于CT的医学图像处理的实例，首先展示头部CT的一幅图像。通过这些图像处理的实例，可以开拓思路，拓宽知识面和应用范围，给同学们以更多的启发。

每幅CT图像都是垂直穿过人体的一个“切片”，通过这些“切片”图像可以重建出人体内部的三维图。其纵向分辨率与切片数量成正比。作为示例，给出了通过人体头部的多个切片组成的三维空间，使同学们有一个形象化的了解和认识。同时使同学们对于在科学研究中的微观与宏观、局部与整体的辩证关系有了一个形象化的理解，引导同学们在今后的科研工作中从微观到宏观、从局部到整体辩证地看问题，对科学问题的本质有一个更为深入和全面的认识。

作為CT原始图像的进一步处理，给出了基于CT扫描数据的肺部支气管血管解剖结构的三维可视化。这样就引出了在本课程中，同学们学习到的图像处理知识的实际应用，就是将CT切片图像进行三维可视化，这样的图像处理任务非常直观和有趣，大大提升了同学们的学习兴趣。同时给同学们介绍，数据三维可视化在科学研究和仪器测量数据处理当中的重要性，使同学们了解对于科学数据的外在表达和内在机理之间的紧密联系。

4）介绍我国在医学科学仪器领域的现状和不足，我国目前很多的高端医学仪器还依赖于进口，属于国家目前急需解决的“卡脖子”问题，以此激励同学们把国家最需要的作为自己所追求和奋斗努力的目标，努力做到“仪器报国、仪器强国”，努力学习好数字图像处理这门课程，将来在实际工作中为我国的高端医学影像和诊疗仪器的发展作出自己切实的贡献。

5）介绍我国医学图像处理领域的旗舰企业——上海联影医疗科技股份有限公司，2021年联影首次在高端医疗仪器行业荣获国家科学技术进步一等奖，通过介绍使同学们增强对于民族企业所取得成就的自豪感，也激励同学们将来不畏困难，坚定民族自信，秉持文化自信、科技创新、仪器报国的使命感和责任感，肩负起推动中国医疗仪器装备乃至仪器仪表行业创新与发展的使命和担当，为实现“仪器报国、仪器强国”贡献自己的一份力量。

（三）  CCD成像原理及其在卫星对月面成像中的应用

1  本案例教学目标

如图4所示，在数字图像处理课程的本案例教学中，首先给同学们介绍CCD电荷耦合器件的成像原理，然后给同学们介绍“嫦娥一号”利用三线阵CCD立体相机对月面进行三维立体成像的原理，同时介绍王任享院士首次提出三线阵立体成像理论，解决核心关键技术问题，勇攀世界科技高峰，使中国卫星摄影测量跻身于世界先进国家行列的事迹。

2  本案例的教学意义

首先介绍CCD电荷耦合器件的成像原理，讲述半导体芯片的基本工作原理，线阵CCD和面阵CCD的工作原理，以及CCD电荷耦合器件获得2009年诺贝尔物理学奖的故事。然后介绍“嫦娥一号”对月面成像所采用的我国首次提出的三线阵CCD立体相机的工作原理，该设计思想已被采用于中国无地面控制点卫星摄影测量工程设计中。

3  本案例的创新点

创新点在于将CCD电荷耦合器件背后所蕴含的诺贝尔物理学奖的基础理论知识与勇于创新、敢为人先、航天报国的爱国主义精神相结合，使同学们立志把国家的重大需求作为个人的使命与担当，努力学习好各门课程，将来更好地报效祖国。

4  本案例的教学设计

本案例教学的实施过程如下。

1）首先介绍CCD电荷耦合器件的工作原理：2009年，两位美国科学家博伊尔和史密斯由于在1969年发明了CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器件图像传感器共同获得了诺贝尔物理学奖。

2）然后介绍CCD电荷耦合器件成像传感器在航空航天方面的应用——“嫦娥一号”卫星月球表面三维地形的获取。

常规的航空航天对地摄影只获取正视（星下点）二维图像，而要获得立体图像，通常需要用三台线阵相机。嫦娥一号上的中科院西安光机所CCD立体相机采用了一个广角物镜和1 024×1 024面阵CCD的独特设计，实现了上述功能。最终利用对月面同一目标进行三次扫描拍摄获得的三幅图像来计算得到月面的模拟三维地形图。

3）关于CCD三线阵立体相机对于月面地貌三维成像的原理，向同学们推荐了王任享院士的专著《三线阵CCD影像卫星摄影测量原理》，鼓励同学们在课后借阅，并仔细研究其中的数学推导和测量原理。

5  案例教学效果及反思

通过本次课的介绍，使同学们了解到数字图像处理所依托的最前端的半导体芯片——CCD电荷耦合器件是获得诺贝尔物理学奖的伟大发明，使同学们进一步了解到半导体芯片这个关键技术对于数字图像处理同样是最基础和最重要的底层核心技术。这样就使同学们进一步了解到基础研究的重要性，只有在基础研究上取得了突破，才能在实际中得到广泛的应用，才能产生获得巨大经济效益的伟大发明。

同时，通过介绍CCD器件、数字图像处理知识、三线阵CCD立体相机成像原理在“嫦娥一号”上的具体应用，使同学们为我国在卫星遥感事业上取得的巨大成就而备受鼓舞和激励，也进一步增强了同学们学好本课程的兴趣和动力。本案例在教学时做到了基础前沿理论引入、本课程的知识传授、科技创新、航天报国和课程思政育人的有机统一。

三  项目探索建立了科学的课程思政育人考核和评价机制

本课程思政考评机制可以分为评学和评教两个方面。课程思政评学是指教师对学生的思政学习效果进行考核，思政评学情况纳入学生平时成绩的考核。

本课程思政评教是指将课程思政作为考核专业课教师教学水平和教学改革成效的内容之一，学生们可以通过课堂“纸飞机”向老师提出评教和建议。

四  结束语

本文介绍了面向新工科建设仪器类核心专业课“数字图像处理”中的三个思政教学案例：图像和视频显著性应用于“碳减排”和“碳中和”，引导同学们在科学研究工作中，抓住问题的主要矛盾，减少算力的耗费，为“碳减排”“碳中和”作出贡献。

介绍了“医学图像处理仪器——计算机断层扫描仪（CT）”的基本工作原理及其所依托的2项诺贝尔奖的基础前沿的科研成果，引导学生们了解我们对已有的科学文化知识和基础前沿理论知识的应用和创新。通过介绍联影医疗的创业故事和在民族高端医疗仪器设备领域所取得的成就及解决“卡脖子”问题的突出贡献，体现了自强不息的奋斗精神和中华民族的智慧。

同时介绍了CCD电荷耦合器件及其所获得的诺贝尔物理学奖的故事，CCD成像原理及其在卫星对月面成像应用中所体现出来的勇于创新、敢为人先的航天报国精神，进一步激发同学们学习数字图像处理课程的积极性，以及将来将图像处理用于航天报国的远大理想。

我们拥有宽阔的胸怀，勇于博采众长，这一切源于我们的文化自信，只有对自己的文化有坚定的信心，就能鼓起奋发进取的勇气，焕发出不断创新创造的动力和活力。

参考文献：

[1] 复旦大学教务处.“新工科”建设复旦共识[EB/OL].（2017-2-23）.https：//jwc.fudan.edu.cn/2b/1b/c25319a273179/page.htm.

[2] 中华人民共和国教育部.新工科建设形成“北京指南”——新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议在京召开[EB/OL].（2017-6-10）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201706/t20170610_306699.html.

[3] 中华人民共和国教育部.建跨学科融合、多学院建设、多平台共享的新型专业模式，打造人才培养共同体——新工科建设的“天大行动”[EB/OL].（2019-5-2）.http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_zt/moe_357/jyzt_2019n/2019_zt4/tjx/mtjj/201905/t20190505_380553.html.

[4] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知[EB/OL].（2020-6-5）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[5] 刘艳军，万忠杰，罗代忠.问题讨论式课程思政教学探索——以“程序设计基础”课程为例[J].工业和信息化教育，2022（5）：66-68，84.

[6] 刘红毅，张军，张峥嵘.“数字图像处理”课程思政教学实践[J].教育教学论坛，2021（50）：129-132.

[7] 吴宣利，王若楠.信息与通信工程专业课程思政的实践研究[J].工业和信息化教育，2021（9）：67-71.

[8] 饶翚，刘捷，黄道敏.基于“数字信号处理”的课程思政教学探索研究[J].工业和信息化教育，2022（5）：40-43.

[9] 陈龙.基于课程思政理念的“电路原理”課程教学案例设计研究[J].工业和信息化教育，2022（5）：57-60.

[10] 张帆.数字图像处理课程案例库建设及案例驱动教学法应用[J].计算机教育，2022（1）：34-37.

基金项目：北京航空航天大学2022年校级教学改革项目“新工科背景下《数字图像处理》课程建设举措探索”（无编号）;北京航空航天大学2023年校级教学改革重点项目“《数字图像处理》多维协同课程团队建设-2023年校级基层教学组织试点”（无编号）;北京航空航天大学2021年校级教学改革重点项目“《数字图像处理》课程立体化教学改革与实践”（无编号）;北京航空航天大学2021年校级教学改革项目“以《数字图像处理》课程为核心的多方位本科生思政育人探索”（无编号）;北京航空航天大学一流本科课程建设项目（校级线下一流课程）（无编号）;北京航空航天大学2021年校级教学改革项目“电路分析课程中科研融合教学模式的探索”（无编号）

第一作者简介：祝世平（1970-），男，汉族，河北深泽人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为图像处理和计算机视觉。