新工科背景下地方高校图像处理与机器视觉课程的教学改革与实践研究

摘要：图像处理与机器视觉课程属于新兴课程，其教学内容和模式不成熟。同时为了课程符合新工科和地方型高校建设的要求，对该课程的教学内容和方式进行改革。通过有机融入课程思政，基于区域特色的产业进行知识点的筛选，以及基于产业、前沿知识进行教学方法的改进，使得学生综合能力得到更好的培养。由成效分析可知，学生对本课程的教学内容和方法满意度较高，且学生的综合能力得到了更好的提升。为新工科背景下地方型高校新兴课程的教学模式建设提供了一定的参考价值。

关键词：新工科；产业；图像处理与机器视觉；前沿知识

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）22-0166-05

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，随着人工智能和机器视觉技术的高速发展，使得工业控制中对于人工智能和机器视觉技术的要求日益增高。同时用人单位对工科人才的应用和实践能力的要求逐渐提高。为了适应新的产业变革和经济发展，教育部提出了“新工科”建设的理念[1-2]。新工科是使用人工智能和智能计算等方法对传统的工科进行改造和升级。

在新工科背景下，国内众多地方高校的学者对地方应用型高校的人才培养和课程建设做出了研究。一部分的学者从宏观的角度对该课题进行探索，即从课程体系、师资队伍和人才培养等方面进行研究。而另一部分的学者则从微观的角度进行探索，如夏春明等[3]从人才培养的特点和实施课程思政的意义进行研究；汤迎红等[4]对课程教学、课程设计、成绩评定方式等方面进行研究。关小果、李爱宁和王艳等[5-7]将该课题与本专业特色相结合进行了研究。

从上述研究可知，地方院校应基于当地的产业构成和经济情况，调整定位和培养模式。课程建设也应根据地区产业构成和发展情况进行调整，使得地方院校培养的学生能够为当地的发展做出贡献，同时提高学生的就业前景和对当地的认同感。

图像处理与机器视觉是一门多学科融合的课程[8]，是高等学校计算机、自动化、智能科学与技术等专业本科生必修的专业应用课程[9-11]，是培养学生应用能力、分析和解决复杂工程问题能力的综合应用课程。图像处理与机器视觉作为一门新兴课程，该课程的研究并不多。在该课程的教学模式研究和建设方面，刘新波和韩光等[12-13]对课程的内容、方法、考核评价方式进行了研究。刘改霞等[14]以项目为驱动的形式进行了实验课程的改革。张涛等[15]通过线上线下的混合模式进行教学、同时深化校企合作。迟剑宁等[16]则对课程思政的融入进行了研究。赵荣丽等[17]使用OBE理念进行课程的改进。李晖等[18]将本科生导师制加入了课程的教学。当前，该课程的研究尚不多，并且与地区产业结合的研究较少。因此，本团队结合六盘水地区的产业构成和发展情况对本课程进行建设，为新工科背景下地方高校课程建设提供参考。

1 图像处理与机器视觉课程问题分析

本团队通过对课程以往的教学文件、达成度分析和问卷调查的方式对课程存在的问题进行分析，目前该课程存在问题如下。

1.1 课程思政融入生硬

图像处理与机器视觉课程不同于传统的思政课程，直接加入思政内容会显得生硬，与课程内容冲突。因此，如何选取适合的课程思政内容，并巧妙地融入教学过程中，使得学生能够在学习知识的过程中潜移默化地得到思想的教育是本课程需要着重考虑的。

1.2 课程知识框架有待完善

与传统课程不同，图像处理与机器视觉课程是新型、前沿型课程，其知识点多、范围广，技术和知识更新较快[19]。并且该课程公开教学资源较少，如何从繁杂的知识中选择优质、实用的知识，同时建立各知识点之间的联系是本课程需要解决的。此外，选取课程内容应与地区产业结构和发展相适应。

1.3 课程缺乏产业和科研的融合

当前大多数课程仅局限于课程知识的教学，与产业和科研融合度较低。本课程属于前沿型、应用型课程，涉及前沿知识、产业应用，但该课程目前的教学中没有与科研和产业相结合。

2 图像处理与机器视觉课程的改革措施

2.1 课程思政的有机融入

高校教师应在课程中积极融入课程思政的内容，培养学生良好的道德品质。图像处理与机器视觉课程对应章节的课程思政如表1所示，本团队从以下4个方面进行建设：1） 在讲解前沿知识时，介绍国家发展过程中“卡脖子”的技术，如“光刻机”“半导体芯片”等，进而引入老一辈科学家在科学和国家之间如何抉择、如何解决“卡脖子”技术的问题，进一步培养学生的爱国主义情怀和艰苦奋斗的精神。2） 在介绍课程应用场景时，融合六盘水地区的煤矿产业，并引出六盘水地区的三线精神，以培养学生的爱国情怀、艰苦奋斗的精神，同时提升学生对地区的认同感。3） 该课程涉及较多的前沿知识，教师在授课过程中可融合科学家的科研故事，培养学生的科学思维、艰苦奋斗和坚持不懈等精神。4） 该课程涉及人工智能的内容，可在授课过程中融合“人工智能与社会”“人工智能与人”等方面的讨论。在讨论过程中，引导学生思考人工智能的是否具备自我意识和辨别是非的能力，给学生传递正确的世界观和科学观。

2.2 基于产业和科研的课程知识框架完善

本课程从产业和科研两个方面对课程内容进行选取。选取的部分知识点在产业中的应用，以及对应前沿知识如表2所示。在产业方面，结合六盘水地区的特色产业（煤矿、光伏发电、樱桃和猕猴桃等）选取优质、实用的内容进行教学。使得学生通过本课程的学习能够分析产业中存在的问题，并通过所学知识解决问题。在科研方面，调研相应的知识点相关的前沿知识，并在每个知识点内容介绍完成后，引入前沿知识，并对比前沿知识与课程介绍知识的差异性。

此外，对于知识点多、范围广的问题，本团队以地区特色产业作为起点，连接课程教学中的各个知识点，建立的连接如图1所示。图1展示了各个知识点之间的逻辑关系，使学生清晰地认识到产业与课程知识点的对应关系，也使得学生更加清楚地认识到各个知识点在产业方面的应用，同时更加便于学生记忆繁杂的知识体系。

2.3 结合地区特色产业和科研融合的课程内容优化

本课程属于前沿型、应用型课程，因此注重以下两个能力的培养：1） 应用能力方面，结合地区特色培养学生的应用、分析和解决问题的能力；2） 科研能力方面，培养学生的科研视野，为今后从事科研工作打下基础。

在应用能力培养方面，通过调研和企业交流，明确了课程的培养目标和方向。因此本课程结合六盘水地区的特色产业对课程内容进行改进，将六盘水地区的猕猴桃、樱桃、太阳能等产业与课程相融合，并提炼出与知识点相关的3个特色创新性实验，融合内容如表3所示。此外，为了提升学生的编程和应用能力，本课程结合六盘水地区特色产业和所学知识建立线上编程训练题库，建立的编程训练题库如表4所示。由表3和4可知，本课程将地区特色产业与课程教学相融合，一方面培养学生对知识的应用能力、分析和解决工程中复杂问题的能力。另一方面提高学生对地区的认可度，同时使得培养的学生能够较好适应地区发展。

在科研能力培养方面，在课程中添加相关的前沿知识，可提升学生的科研视野，为将来进一步深造从事科研工作打下基础。同时，本课程还以项目为驱动的方式培养学生的科研能力和科研视野。在课程学习后，学生根据其在课程中感兴趣的部分确定研究方向，并申报大学生科研训练项目，以项目为驱动进行科学研究，最终以学术论文的方式对成果进行展示。在项目执行的过程中，引导学生思考和解决问题，培养学生的创新思维、自学能力和科研能力。通过上述方式，可有效地提升产业和科研的融合，明确人才培养的目标。

3 课程改革成效分析

本课程通过匿名问卷调查的方式对课程进行评价，部分结果如图2所示。由图2（a）可知，在课程打分方面，66.67%的学生打出了10分，并且8分及以下的比例较低，说明学生对本课程的满意度较高。由图2（b）可知，极大部分同学对于思政案例的满意程度较高，说明本课程的思政案例设置是合理。由图2（c）和（d）可知，学生对于本课程结合地区特色的教学方法满意度较高，并且该教学方法使得学生对于该课程的应用领域有了较好的了解，可知该教学方法是有效、合理的。由图2（e）可知，大多数同学的编程能力都得到了一定的提升，说明建立的编程训练题库取得了较好的效果。由图2（f）可知，大多数同学对于学科前沿知识有了一定的了解，能够为今后从事科学研究打下一定的基础。综上，从问卷调查可知，学生对本课程的教学方式满意程度较高，说明所提出的教学方式是合理、有效的。

此教学方式提升了学生的分析问题和解决问题的能力。学生发现学校目前试卷批阅需要使用答题卡批阅机，而答题卡批阅机价格高昂。因此，学生通过机器视觉技术实现了答题卡的批阅系统设计，该系统不需要昂贵的答题卡批阅机等设备，仅需一台能够对试卷图像进行采集的设备。学生通过算法设计实现了学号的识别、客观题的自动批阅打分、主观题题目分割和试卷批阅交互界面的设计，所设计系统的交互界面如图3所示。该系统利用课程中所学知识对试卷进行算法的设计，主要应用到的知识有：图像灰度化、图像矫正、图像分割、图像识别等知识，可见本课程所选取的知识可用于解决当前工程中的问题，因此所选取的知识是优质、有用的。此外，学生在进行算法设计的过程中，自主学习GUI界面的设计，并与设计的算法相结合完成了系统的界面设计。综上，学生的分析问题和解决问题的能力得到了有效提升。

此教学方式还提高了学生的竞赛能力和动手能力。2022年和2023年挑战杯和“互联网+”等比赛中与机器视觉和图像处理相关的参赛作品数量如图4所示。由图可知，2022年到2023年的相关的参赛作品数量显著增多。其中作品共获得省级三等奖2项，省级二等奖2项，省级特等奖1项，全国银奖1项。说明经过本课程的教学，学生的竞赛能力和动手能力得到了提升。

此外，在授课结束后，部分学生根据课程中所感兴趣的部分进行研究，并申报了大学生科研训练项目。在项目的支持下，学生完成了基于相位相关和Harris纹理分类的SIFT图像拼接算法的研究，并总结其成果，以学术论文的形式进行发表。可知，学生的科研能力得到了较好的成长。jTYB6E7gH6TmfN3W0DpGzQ==

综上所述，学生对于该教学模式的满意度较高，并且学生的综合能力得到了良好的提升。但学生的编程能力还有待进一步提高，在后续的教学中教师应加强专业知识和学科前沿知识的学习，进一步培养学生的编程、分析和解决问题的能力、创新意识。

4 总结

图像处理与机器视觉属于新兴课程，其教学内容和模式不成熟，针对其教学中存在的问题，本团队对教学方法和内容进行改善。从改革成效可以看出，该教学方法和内容取得了初步成效，学生的创新意识、应用、科研、分析和解决问题的能力都得到了良好的提升。为新工科背景下地方性高校新兴课程的教学模式建设提供了一定的参考价值。但当前该课程的教学模式存在以下的问题：学生的编程、分析和解决问题的能力还存在一定的不足。在课程后续的教学中，将针对该问题进行改进，使得培养的学生能够具备更好的综合能力。

参考文献：

[1] 崔庆玲，刘善球.中国新工科建设与发展研究综述[J].世界教育信息，2018，31（4）：19-26.

[2] 祝敏.新工科背景下电机学课程教学改革研究[J].六盘水师范学院学报，2022，34（6）：90-96.

[3] 夏春明，金晓怡，张航.新工科背景下地方应用型高校“课程思政”探索与实践[J].东南大学学报（哲学社会科学版），2022，24（S2）：5-7.

[4] 汤迎红，刘冰.新工科背景下地方应用型高校机械原理课程教学改革与实践[J].内燃机与配件，2019（21）：284-285.

[5] 关小果，韩晓虎，刘文静.新工科建设背景下地方应用型高校教学模式创新浅探：以许昌学院测绘工程专业为例[J].河南教育（高等教育），2022，558（8）：56-58.

[6] 李爱宁，唐勇，王红艳.新工科下应用型高校人才培养模式探究：以河北水利电力学院电子信息工程专业为例[J].科技风，2023（5）：43-45.

[7] 王艳，杨应.以“新工科”理念推进地方应用型高校土木工程专业建设与改革探究[J].白城师范学院学报，2021，35（2）：78-81.

[8] 刘永，王生怀，王宸，等.《机器视觉》课程理实一体化教学改革的探索[J].科技资讯，2023，21（2）：148-151.

[9] 江祥奎，丁锐，熊伟.机器视觉课程教学方法改革与实践[J].软件导刊，2022，21（9）：206-210.

[10] 刘新波.应用型本科自动化类图像处理与机器视觉课程教学改革探究[J].中国现代教育装备，2021（21）：111-113.

[11] 丁毓峰，蔡兰兰，赵俊超.面向新工科的机器视觉课程建设及实践研究[J].中国现代教育装备，2022（15）：86-88，92.

[12] 刘新波.应用型本科自动化类图像处理与机器视觉课程教学改革探究[J].中国现代教育装备，2021（21）：111-113.

[13] 韩光，刘佶鑫，孙宁，等.图像分析与机器视觉课程的教学探析[J].科技风，2021（31）：97-99.

[14] 刘改霞，刘能锋，陈如香，等.机器视觉创新实验课教学研究与实践[J].实验科学与技术，2022，20（6）：136-140.

[15] 张涛，齐永奇，李恒灿.新工科背景下机器视觉课程群教学模式研究：以华北水利水电大学为例[J].河南教育（高等教育），2021，510（4）：60-61.

[16] 迟剑宁，于晓升，严志刚，等.数字图像处理与机器视觉课程中“深度学习”式思政教学的探索与实践[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2021（9）：65-68.

[17] 赵荣丽，王中任，肖光润，等.工程教育专业认证背景下的课程教学研究：以“机器视觉技术”课程为例[J].教育教学论坛，2022，578（27）：121-124.

[18] 李晖，潘凡.基于本科生导师制的图像处理与机器视觉综合设计改革与实践[J].计算机教育，2016（10）：63-65.

[19] 王中任，刘海生，肖光润，等.面向新工科的机器视觉技术课程建设研究[J].教育教学论坛.2018（50）：246-247.

【通联编辑：梁书】