“數(shù)字圖像處理”課程實(shí)驗及思想政治教學(xué)探討

韓彥芳，張 艷

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

教育關(guān)乎國家的未來，是國之重事。近年來，國家大力推出教改政策，全方位培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的綜合型人才［1］。人才教育首先是德育，將思想政治教育引入課程教學(xué)，為學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀提供了助力。只有明確了為誰學(xué)、學(xué)什么、如何學(xué)的問題，才能真正做到學(xué)有所長、學(xué)以致用、學(xué)有所為。面對大學(xué)生教育的特點(diǎn)，教育研究者提出了將馬克思主義立場觀點(diǎn)引入大學(xué)教育的構(gòu)想［2］。同時，當(dāng)今世界，人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，“數(shù)字圖像處理”課程作為涉及數(shù)學(xué)、光學(xué)、計算機(jī)及眾多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的交叉學(xué)科，是人工智能的核心課程，具有重要的理論和應(yīng)用價值。其涉及理論較廣，專業(yè)知識要求高，如何提升學(xué)生的興趣，加強(qiáng)學(xué)生的理解并學(xué)以致用，是專業(yè)教育要思考的問題［3］。本文以“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)為例，探討了將課程思政和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，運(yùn)用啟發(fā)式、發(fā)散式、聯(lián)想、對比等教學(xué)方法，設(shè)計課程教案，以提高學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理的好奇心，樹立學(xué)以致用、學(xué)習(xí)報國的理念。

一、課程教學(xué)內(nèi)容分析

（一）課程定位

隨著人工智能的發(fā)展，“數(shù)字圖像處理”在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、安防、太空探索等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用，是計算機(jī)與信息類專業(yè)的重要課程。對圖像處理基本概念和理論的掌握是科研創(chuàng)新的根基和源泉［4］。從實(shí)現(xiàn)來看，空域處理、頻域處理、統(tǒng)計方法、智能算法等各種算法和理論是計算機(jī)視覺的重要手段。“數(shù)字圖像處理”課程綜合了計算機(jī)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、信號處理，以及各領(lǐng)域的專業(yè)知識，對知識交叉融合及培養(yǎng)綜合性人才大有裨益。

（二）教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗方案

彩色圖像處理著眼于改善圖像視覺質(zhì)量，在各領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。理解彩色模型、掌握彩色圖像在電腦中的表示、利用數(shù)學(xué)函數(shù)實(shí)現(xiàn)彩色圖像不同的處理效果，具有很強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)用性。實(shí)驗課程的設(shè)置可以讓學(xué)生通過動手實(shí)踐，明白課程的意義、問題的關(guān)鍵和解決辦法，從而加深對知識點(diǎn)的理解，學(xué)以致用。鑒于此，對彩色圖像處理中的知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，以實(shí)驗案例加強(qiáng)學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握［5］。

1.教學(xué)內(nèi)容（見表1）。

表1 圖像增強(qiáng)方法教學(xué)內(nèi)容

2.教學(xué)過程。根據(jù)表1的教學(xué)知識點(diǎn)開展以下教學(xué)過程：（1）成像電磁波譜。電磁波是成像的重要能量源，在分析不同波段成像特性時，引入盲人摸象的故事。以天鵝星座在不同波段下的成像為例，使學(xué)生了解人類所能感知的世界只是在目前的科技水平下可以感知的波段，對于真正的世界，人類就像盲人摸象一樣，從而引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，探索未知，探究宇宙本源。通過《黃帝內(nèi)經(jīng)》對天地人的描述，學(xué)生可以了解我國傳統(tǒng)文化的博大精深，在對天、地、人的本源，以及關(guān)系的研究方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界，激發(fā)學(xué)生對傳統(tǒng)文化的興趣，樹立學(xué)生的文化自信。（2）人眼視覺特性。通過展示愛因斯坦和瑪麗蓮·夢露的合成圖像，講解人眼的視覺特性。通過馬赫帶效應(yīng)、同時對比效應(yīng)及人的視覺錯覺圖例，可使學(xué)生明白人的視覺具有主觀性和欺騙性，并引導(dǎo)學(xué)生探究其根源，學(xué)會透過現(xiàn)象看本質(zhì)。（3）彩色視覺、彩色模型及彩色圖像的表示。通過日常生活中事例引出講授內(nèi)容。如在彩色視覺教學(xué)中，采用啟發(fā)式教學(xué)，將人眼等同于靈敏的光傳感器，講授單色光、復(fù)合光的概念，并由此拓展，使學(xué)生感知到科技的進(jìn)步和傳感器技術(shù)的發(fā)展；在彩色模型概念中，運(yùn)用聯(lián)想法、類比法、比喻法教學(xué)，使學(xué)生明白RGB、HSV、CMK、YUV等彩色空間模型可以像度量物體重量一樣，從不同角度度量顏色值，同時，空間模型之間可以相互轉(zhuǎn)換；在彩色三要素教學(xué)中，以日常生活為例，通過白天和晚上樹葉的顏色變化，揭示亮度對顏色的影響，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考生活中常見現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的道理。

3.實(shí)驗方案。為增加學(xué)生的興趣，并鍛煉其編程能力，可將實(shí)驗方案分為圖像采集及讀取、彩色變換、偽彩色增強(qiáng)和假彩色增強(qiáng)等。首先，學(xué)生用手機(jī)采集自己喜歡的圖像，讀入MATLAB系統(tǒng)，觀察圖像變量在工作區(qū)中的屬性，了解圖像在計算機(jī)中的表示；其次將RGB圖像轉(zhuǎn)換成HSV圖像，了解H、S、V的含義和取值范圍，并利用數(shù)學(xué)函數(shù)改變H、S、V的值，實(shí)現(xiàn)彩色變換。在偽彩色和假彩色增強(qiáng)部分，采用空域和頻域兩種方法。選取指定空間區(qū)域或灰度值范圍的像素顯示為自己指定的顏色，實(shí)現(xiàn)空域偽彩色增強(qiáng)。而通過在傅立葉域構(gòu)建三個不同的濾波器進(jìn)行濾波，再反變換回空域，從而實(shí)現(xiàn)頻域偽彩色圖像。在實(shí)驗中，學(xué)生可以自主指定原始素材和增強(qiáng)效果，實(shí)驗?zāi)繕?biāo)明確，實(shí)驗方法清晰，有助于加深其對概念和方法的理解。通過編程獲得了理想的視覺結(jié)果，增加了學(xué)生的主動性和成就感。

二、課程思政元素分析

（一）“數(shù)字圖像處理”課程思政教學(xué)目標(biāo)

目標(biāo)1：培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真思考、追根溯源、勇于探索未知的精神。

目標(biāo)2：激發(fā)學(xué)生對傳統(tǒng)文化的興趣，培養(yǎng)文化自信。

目標(biāo)3：科技人的社會責(zé)任和家國情懷。

（二）“彩色圖像增強(qiáng)”課程思政的總體設(shè)計

目前，已有大量文獻(xiàn)對課程思政進(jìn)行了研究［6-8］?？傮w來看，主要關(guān)注以下維度：政治認(rèn)同、家國情懷、社會責(zé)任、道德規(guī)范、科學(xué)精神、思維品質(zhì)、創(chuàng)新能力、人文精神、生態(tài)文明、法治意識、工程倫理、國家安全意識、文化自信、全球視野等。本文僅就“彩色圖像增強(qiáng)”課程的部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行思想政治設(shè)計（如表2所示），以供探討。

表2 “彩色圖像增強(qiáng)”課程思政總體設(shè)計

三、教學(xué)效果分析與反思

通過連續(xù)三學(xué)期的平臺課教學(xué)實(shí)踐觀察，從學(xué)生的出勤率、實(shí)驗參與度、學(xué)習(xí)主動性和最終考核成績等方面進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 教學(xué)實(shí)踐情況統(tǒng)計

通過舉例、對比、聯(lián)想式授課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過啟發(fā)式教學(xué)，互動更加有效，加強(qiáng)了學(xué)生對知識點(diǎn)的記憶；通過發(fā)散式實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生提出新的設(shè)想，動手熱情高漲，獲得了成就感，從而對圖像處理算法產(chǎn)生了極大的興趣。在教學(xué)中引入思政元素，拉近了教師和學(xué)生的關(guān)系，可以在相互溝通中開闊視野，達(dá)到了教學(xué)相長的目的。在“彩色圖像增強(qiáng)”課程連續(xù)三個學(xué)期的教學(xué)中，學(xué)生的出勤率一直是100%，學(xué)生評教分?jǐn)?shù)在92分以上，但是在涉及傳統(tǒng)文化教育時，學(xué)生的文化自信還有待提高，教師可以通過調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)傳統(tǒng)文化的積極性來提高學(xué)生的文化自信。同時，教師也要不斷學(xué)習(xí)，提高自己的文化素養(yǎng)。

結(jié)語

本文以“彩色圖像增強(qiáng)”課程為例，分析了教學(xué)內(nèi)容，探討了教學(xué)過程和實(shí)踐教學(xué)方案，并對課程中的思政元素進(jìn)行了挖掘。在實(shí)驗方案設(shè)計中，給出了詳細(xì)的實(shí)驗內(nèi)容和實(shí)踐步驟，通過發(fā)散式實(shí)驗練習(xí)，加深了學(xué)生對知識點(diǎn)的理解與掌握。思政元素的引入，使教學(xué)更加人性化，同時在相互溝通中，使教師和學(xué)生都獲得了提升。