融入課程思政的《數(shù)字圖像基礎》教學設計與探索

李雨桐，馬苗

（陜西師范大學 計算機科學學院，陜西 西安）

一 引言

2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，鼓勵各高校探索工程教育的新模式，倡導新工科研究與實踐[1]。高校最主要的任務是為國家培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母哔|量人才，而計算機學科作為新工科的重要組成部分，相關高校擔負著新工科人才培養(yǎng)的職責和使命。2020年5月，教育部印發(fā)的《高等教育學校學習課程思政建設進行指導綱要》要求全面推進課程思想政治建設，這是落實立德樹人根本任務的一項戰(zhàn)略舉措[2]。培養(yǎng)什么人、如何培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題，也是檢驗高校一切工作的基本標準[3]。全面推進課程思想政治建設，在知識教學和能力培養(yǎng)過程中引導學生樹牢“四個意識”，堅定“四個自信”，是培養(yǎng)社會主義建設者和接班人的意義和本質內(nèi)容。

目前，我國各高校在保持思想政治教育引領作用的同時，進一步將思想政治教育納入專業(yè)課程當中，也取得了一系列的研究成果，初顯出良好的育人效果。例如，復旦大學的課程思政“開學第一課”，通過結合COVID-19大流行期間的病毒檢測、環(huán)境污染檢測等熱點問題，激發(fā)了學生的社會責任感和愛國情懷。

本文以工科計算機專業(yè)研究生為研究對象，以《數(shù)字圖像處理》課程的數(shù)字圖像基礎章節(jié)為例，在進行專業(yè)知識教學設計與授課的同時，將思想政治元素融入到課程教學中，達到育人效果，在第一課堂中推動落實立德樹人的根本任務。

二 《數(shù)字圖像處理》教學分析

在計算機電子信息專業(yè)中，《數(shù)字圖像處理》課程是一門非常重要的專業(yè)選修課程。為更好地實現(xiàn)教學目標，選用國內(nèi)外高校采用的經(jīng)典教材《數(shù)字圖像處理》岡薩雷斯第三版。

（一） 課程教材分析

岡薩雷斯版《數(shù)字圖像處理》教材是圖像處理領域的經(jīng)典教材，據(jù)其官網(wǎng)http://www.imageproces singplace.com/顯示，該教材被超過50多個國家的1000多個高校、工業(yè)、政府和研究機構采用，具有較強的普適性和權威性[4]。全書共633頁，從基本的數(shù)字圖像基礎，到各類數(shù)字圖像處理概念和算法，再到各種圖像處理技術和應用，教材內(nèi)容全面、實例范圍廣。但因課時所限，在課程教學中每周要完成50至80頁的內(nèi)容學習，教學任務重，加之課程內(nèi)容專業(yè)性強，有一定難度，如何讓學生有限的時間內(nèi)較好吸收和掌握相關知識充滿挑戰(zhàn)。

（二） 數(shù)字圖像基礎部分的教學內(nèi)容分析

以教材第2章數(shù)字圖像基礎為例，進行知識點的梳理。主要內(nèi)容包括：

1.了解人眼的成像過程，發(fā)現(xiàn)人眼是如何獲取信息和圖像的；

2.了解視覺感知要素，完成對馬赫帶效應、視覺錯覺等圖像的對比觀察；

3.了解圖像的感知和獲取方式；

4.熟悉圖像的取樣和量化的過程、相關概念和公式；

5.熟悉數(shù)字圖像的表示以及像素間的一些基本關系等知識；

6.掌握圖像的數(shù)字化過程和數(shù)字圖像處理過程中所用的數(shù)學工具等內(nèi)容。

本章教學重點為：視覺感知基礎、圖像取樣和量化、圖像中像素的聯(lián)系[5]；教學難點為：圖像數(shù)字化過程、相鄰像素間的關系[5]。前者難在如何理解這個抽象的過程，為了使計算機能夠處理圖像，需要把圖像在時間軸上和幅值上離散化，這個過程直接影響著圖像的質量。后者在于掌握好相鄰像素間的關系，這有助于對一個圖像進行矯正或者處理，以獲得想要的圖像及其特征。

（三） 講授對象分析

該課程授課在研究生一年級第一學期，是學生從本科步入研究生學習的初始階段，該階段的學生存在以下問題：首先，學生思維還未能從灌輸式學習轉變到自主式研究學習，此階段學生自主學習、研究能力較差；其次，被授課學生有學術型和專業(yè)型碩士，培養(yǎng)方式和研究方向存在不同，學生水平參差不齊；最后，課程本身晦澀難懂，部分學生實踐動手能力薄弱，存在學生課堂參與度不高且無法完成相關實踐作業(yè)等情況。

圖1 教學內(nèi)容梳理（＊表示重點，#表示難點）

（四） 實踐教學分析

該課程理論性強，且具有配套的實驗教材、圖像處理程序庫、圖像處理仿真平臺，教學過程應做到理論教學和實踐教學相結合。由于授課課時少，教學內(nèi)容多，理論教學占據(jù)教學過程所有課時，教師無法做到理論和實踐同步教學。在缺少實踐教學環(huán)節(jié)的情況下，學生對于理論與實踐難以融會貫通，是本課程教學過程中存在的問題。

三 數(shù)字圖像基礎章節(jié)思政元素的教學案例整合與設計

在這一章節(jié)的講授過程中，會深度融入各知識點相關的思政元素，提煉其思想價值和精神內(nèi)涵，以豐富課堂教學內(nèi)容和形式，激發(fā)學生的學習興趣，使學生將所學到的知識轉化為推進社會發(fā)展動力的責任感和使命感。

融入的思政元素點有：眼見不一定為實；善于發(fā)現(xiàn)、探究科學；發(fā)散思維、創(chuàng)新思維；發(fā)奮圖強，勇攀學術高峰；正確的科學道德觀；集體主義精神、團隊協(xié)作精神以及具體情況具體分析等思政點，如圖2所示。

圖2 數(shù)字圖像基礎思政育人元素的凝煉

四 教學案例整合與設計

（一） 課前準備階段

該階段，教師充分利用已有資源，認真編寫本章節(jié)PPT課件內(nèi)容以及可以融入的思政內(nèi)容，以便學生收到課件后，有條理、針對性地做好課前預習工作。教師設置交流平臺，方便學生提問和學生之間的協(xié)作和溝通。

（二） 課間講授階段

1.視覺感知基礎：講述人眼的成像過程和人眼的感知特點，在列舉課本24頁馬赫帶效應、大量視覺錯覺和同時對比度圖像等例子的同時，引發(fā)學生思考：從人類視覺模型中可以看出，人類視覺并不完全是對真實景物的直接反應，還包括大腦加工部分，可見眼見也不一定為實。

育人元素挖掘：事情的真相往往隱藏在迷霧之后，這需要根據(jù)事實的因果進行一定程度的判斷和仔細的核實，通過自己所見再加上客觀分析得出正確結論。據(jù)此引導學生批判性思維的養(yǎng)成，具有獨立思考、批判性分析的能力，求真存疑，以新角度、新思路、新方法理性看待問題，培養(yǎng)去偽存真的科學家精神。

2.光和電磁波譜：講述電磁波譜，了解波長和頻率間關系以及電磁波譜能量公式。通過引入故事的方式激發(fā)學生的學習興趣，增強學習積極性。

育人元素挖掘：例如由24頁“三棱鏡的色散現(xiàn)象”引路申為可見世界多姿多彩、神奇萬千，身邊處處有科學，要善于發(fā)現(xiàn)和探究身邊的科學，理解科學，養(yǎng)成科研思維習慣和自信心。

電磁波譜各波段在通信、遙感、醫(yī)學等不同領域的廣泛應用，呈現(xiàn)微波雷達、紅外遙感監(jiān)測、X射線的案例。培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維和研究興趣，啟發(fā)學生多角度探究，大膽提出問題與想法，激發(fā)學生科研敏銳性，助力創(chuàng)造思維和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

引入電子科技大學劉永坦院士為首的科學工作者引領太赫茲領域科學發(fā)展的事跡，引發(fā)學生思考與探索，建立學生民族自豪感，樹立四個自信，教育和激勵廣大學生要發(fā)奮圖強，勇攀學術高峰[6]。

3.圖像的感知和獲?。褐v述圖像感知和獲取的基本概念、使用單個傳感器、條帶傳感器、傳感器陣列獲取圖像的原理和應用領域以及圖像的成像方式。

育人元素挖掘：在不同應用中可以采取不同的圖像獲取方式，以小見大，啟發(fā)學生深刻體會科學進步對社會發(fā)展帶來的巨大影響。例如，我國交通已步入高鐵時代，縱橫分布的高鐵網(wǎng)便利了人們出行，帶動經(jīng)濟快速發(fā)展，成為世界的領跑者；再例，如今的“無紙化”辦公時代，我國提出的“減碳”承諾、氣候行動目標，碳中和、碳達峰納入生態(tài)文明建設整體布局，彰顯中國的責任與擔當，倡導“人類命運共同體”意識。最后，進行工程倫理教育，啟發(fā)學生科學技術是一把雙刃劍，帶來有利面的同時可能會帶來一些負作用，要合理利用科技服務人類。

4.圖像的取樣和量化：講述圖像取樣和量化的相關概念、數(shù)字圖像表示。圖像的數(shù)字化處理包括采樣和量化，用多少點來描述一幅圖像屬于采樣的過程，使用多大范圍的數(shù)值來表示圖像采樣之后的每一個點屬于量化的過程，采樣的質量可由量化的結果反映。

育人元素挖掘：強調目標的達成不是一蹴而就的，而是循序漸進地完成。學習知識過程中，啟發(fā)學生把握因果關系、邏輯關系，將內(nèi)容條理化、系統(tǒng)化；按照認識規(guī)律循序漸進地掌握，在大腦中構建思維導圖，不斷提高自身邏輯思維能力；同時要志存高遠、戒驕戒躁，做到“厚積薄發(fā)”，在科研之路上砥礪前行。

5.像素間的一些基本關系：講述像素間的各種關系、一些基本概念，以及像素間不同距離度量的計算方法。相關像素在空間的位置和屬性都有著密切關系，所以對一個圖像進行分析，不僅要考慮像素在位置上的聯(lián)系，還要考慮像素在屬性之間的關系。

育人元素挖掘：無數(shù)具有相互關系的像素點組成一幅圖像，牽一發(fā)而動全身，可以影射到個人與集體關系中。個人從屬于社會，集體的發(fā)展離不開每個人的努力，在研究生關系中，要發(fā)揮集體主義精神，個人的態(tài)度與行動將會影響集體的發(fā)展。

像素間的關系與距離度量方式影響著對整體圖像的分析與處理，這一點則體現(xiàn)了個人與團體協(xié)作道理，在合作項目中，各成員應有效分工、各司其職，具有團隊向心力、協(xié)作力與凝聚力，發(fā)揚團隊協(xié)作精神。

6.數(shù)字圖像處理中所用數(shù)學工具：概述圖像處理中使用的數(shù)學工具，包括陣列與矩陣操作、線性操作和非線性操作等。例如，在算術操作中，圖像相乘可以用一個模板圖像與對應圖像相乘從而留下感興趣的ROI區(qū)；想要進行陰影校正可以對圖像間進行相乘或相除；圖像加法操作可用于圖像降噪；圖像減法操作可以用于增強圖像。

育人元素挖掘：引導學生在日常生活中要具體問題具體分析，選擇合適方法處理現(xiàn)實中遇到的問題。在研究生科研階段，要多積累、多思考，抓住其本質特點，忽略干擾因素才能快速發(fā)現(xiàn)和解決問題。

（三） 課后實踐與考核

教師發(fā)布項目實踐作業(yè)，建立相應的、合理的考核機制，學生可以通過組隊的方式完成相關實踐任務、章節(jié)實驗報告以及項目答辯。這樣一是可以培養(yǎng)學生的合作意識，二是學生可以鞏固課堂中教師所講授的內(nèi)容，將課堂所學內(nèi)容學以致用，不斷提升專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)[7]。

五 結語

不同于思政課程，課程思政重在傳講授專業(yè)知識的同時，悄然融入思想政治教育元素。從“思政課程”走向“課程思政”是如今各高校面臨的一個重要課題，思想政治教育關乎到學校未來人才的培養(yǎng)方向[8]。

本文以《數(shù)字圖像處理》岡薩雷斯第三版教材數(shù)字圖像基礎的內(nèi)容為引，深入探討在工科課程中如何融入思想政治元素，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生的責任感和使命感，以促進研究生科研能力、實踐能力和整體素質的全面提高[9]。

研究生是未來科研的中堅力量，在順應時代發(fā)展的同時，學生要樹立正確的科學道德觀，提高自身科研水平和科學素養(yǎng)。青年興則國興，青年強則國強，作為新時代的優(yōu)秀青年，要腳踏實地、嚴謹務實，撐起國家前途、挑起國家希望，為實現(xiàn)中華民族偉大復習的中國夢而接續(xù)奮斗！