AI時(shí)代“數(shù)字圖像處理”教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)和改革路徑

胡春華?程魯玉?謝嵐

摘要：人工智能給數(shù)字圖像處理帶來了全新的發(fā)展思路，但在當(dāng)前高?！皵?shù)字圖像處理”課程的教學(xué)中，很少將人工智能融入其中。此外，課程教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法單一、課程實(shí)驗(yàn)缺乏創(chuàng)新等問題也存在。這些問題嚴(yán)重影響了教學(xué)效果，妨礙了復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。為解決這些問題，本文以人工智能為背景，從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、考核方式和綜合項(xiàng)目擴(kuò)展四個(gè)方面展開教學(xué)改革。該課程改革方案以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，以全面和多角度為目標(biāo)，以探索為方向，并提出了具體的實(shí)施措施。

關(guān)鍵詞：人工智能；數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。這種技術(shù)已經(jīng)成為信息化社會(huì)的重要基礎(chǔ)和支撐。因此，“數(shù)字圖像處理”課程也具有了新的意義。

“數(shù)字圖像處理”是一門綜合性強(qiáng)、先導(dǎo)課程多、實(shí)踐要求高、算法快速更新的專業(yè)課或選修課，適用于計(jì)算機(jī)類和電子信息專業(yè)類的學(xué)生。在教學(xué)過程中，教師需要具備豐富的知識(shí)儲(chǔ)備和教學(xué)能力，而學(xué)生則需要有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。這門課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的圖像處理能力，使他們能夠運(yùn)用先進(jìn)的算法和技術(shù)來處理圖像，并掌握實(shí)踐應(yīng)用的技巧。

一、人工智能背景介紹

人工智能是一種以計(jì)算機(jī)為核心、通過機(jī)器模擬人的智能的技術(shù)。在大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的背景下，人工智能在計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。人工智能涵蓋的范圍非常廣泛，主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)表示和推理、深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、機(jī)器人學(xué)等。

圖像處理是指根據(jù)人們對(duì)事物的認(rèn)知規(guī)律，將數(shù)字圖像或模擬信號(hào)進(jìn)行加工處理，并以一定的形式輸出。圖像處理的基本過程包括圖像數(shù)字化、圖像壓縮編碼和圖像顯示。在數(shù)字化階段，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；在圖像壓縮編碼階段，將數(shù)字信號(hào)壓縮成模擬信號(hào)；在圖像顯示階段，通過顯示器將存儲(chǔ)的數(shù)字圖像顯示出來。在這個(gè)過程中，需要對(duì)圖像進(jìn)行編碼、壓縮、調(diào)制、傳輸?shù)炔僮鳌榱颂岣邎D像處理的效率，人們還提出了多種圖像處理技術(shù)，如小波變換、 Hilbert變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)等。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件水平和計(jì)算能力的快速提升，基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。深度學(xué)習(xí)已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括圖像識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、人臉識(shí)別等。通過深度學(xué)習(xí)算法和大規(guī)模數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)可以學(xué)習(xí)到更復(fù)雜的特征表示，從而提高圖像處理的準(zhǔn)確性和效率。人工智能和圖像處理的結(jié)合將會(huì)在許多領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響，如自動(dòng)駕駛、智能安防、醫(yī)學(xué)影像分析等。

二、人工智能背景下“數(shù)字圖像處理”教學(xué)改革存在問題

（一）過分注重理論忽視實(shí)踐

“數(shù)字圖像處理”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。但由于課程內(nèi)容抽象復(fù)雜，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以理解和掌握理論知識(shí)。教師也往往只注重理論講解，而缺乏對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的重視，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容難以進(jìn)行全面理解和應(yīng)用。此外，由于時(shí)間和教學(xué)條件的限制，很多數(shù)字圖像處理課程只能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成。為了解決這些問題，教師應(yīng)該在教學(xué)中充分考慮如何將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來。在授課時(shí)，可以將每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)都與具體的應(yīng)用案例相結(jié)合，讓學(xué)生更容易理解和記憶。對(duì)于理論知識(shí)的講解，要通俗易懂、深入淺出，避免使用過于專業(yè)或抽象的術(shù)語，讓學(xué)生能夠輕松理解。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用問題，要深入講解并給出詳細(xì)解答，引導(dǎo)學(xué)生思考如何將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題中。同時(shí)，要適當(dāng)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容和時(shí)間，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)實(shí)際動(dòng)手操作和實(shí)踐，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（二）教學(xué)內(nèi)容過于陳舊

目前，“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)內(nèi)容主要圍繞線性時(shí)不變系統(tǒng)展開，包括信號(hào)與系統(tǒng)、離散傅里葉變換和連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論和方法。雖然這些內(nèi)容在教學(xué)上是必要的，但傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教材已過時(shí)，無法跟上現(xiàn)代通信技術(shù)和數(shù)字圖像處理理論的快速發(fā)展。此外，該課程缺乏實(shí)驗(yàn)課程，這也是目前教材中未涉及的。因此，在人工智能背景下，數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。教育者應(yīng)該根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的需求和特點(diǎn)，結(jié)合理論與實(shí)踐，改革數(shù)字圖像處理課程，提高學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。

（三）教師所選擇的考核方式比較單一

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字圖像處理”課程在教學(xué)過程中，教師所選擇的考核方式比較單一，主要以試卷成績(jī)?yōu)樵u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然而，單一的考核方式存在問題，其中試卷成績(jī)可能強(qiáng)調(diào)死記硬背的內(nèi)容。這導(dǎo)致學(xué)生在考試時(shí)傾向于選擇相對(duì)簡(jiǎn)單且容易得分的題目，忽略了更具挑戰(zhàn)和創(chuàng)新性的題目。這樣的考核方式不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。因此，有必要對(duì)考核方式進(jìn)行改革。除了試卷成績(jī)之外，可以引入其他評(píng)估方式，比如平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和設(shè)計(jì)成績(jī)等，以全面考查學(xué)生的綜合能力。通過平時(shí)成績(jī)的考核，可以鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂討論、完成作業(yè)以及與同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)，培養(yǎng)他們的主動(dòng)學(xué)習(xí)和合作能力。實(shí)驗(yàn)成績(jī)可以評(píng)估學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的掌握情況，鼓勵(lì)他們進(jìn)行實(shí)際操作并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)計(jì)成績(jī)可以評(píng)估學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力。通過多維度的考核方式，可以更全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并能夠更好地培養(yǎng)他們的綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)。

三、人工智能背景下數(shù)字圖像處理教學(xué)改革路徑

（一）堅(jiān)持以學(xué)生為中心進(jìn)行理論知識(shí)內(nèi)容改革與完善

課程內(nèi)容改革是以學(xué)生為中心的重要舉措，旨在提升課程的針對(duì)性和實(shí)用性。當(dāng)前的“數(shù)字圖像處理”課程內(nèi)容包括理論基礎(chǔ)、典型圖像處理算法和工程應(yīng)用實(shí)例三個(gè)層次。為了更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，需要注意以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：首先，在理論知識(shí)的傳授上，需要采用通俗易懂的授課方法，將數(shù)字圖像處理的概念、原理和方法解釋清楚。理論知識(shí)不宜過于深入，以確保學(xué)生能夠理解和掌握基本概念和關(guān)鍵原理；其次，典型算法和工程應(yīng)用實(shí)例的講解應(yīng)重點(diǎn)突出。這些算法和實(shí)例是幫助學(xué)生理解理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在介紹典型算法時(shí)，可以選擇幾種最基礎(chǔ)和常用的算法進(jìn)行講解，同時(shí)強(qiáng)調(diào)其在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用場(chǎng)景和效果。工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng)選取與學(xué)生未來就業(yè)方向密切相關(guān)的內(nèi)容，例如與人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的應(yīng)用；最后，課程內(nèi)容的更新也是必要的。數(shù)字圖像處理技術(shù)在不斷發(fā)展和應(yīng)用，教材內(nèi)容應(yīng)緊跟時(shí)代潮流，及時(shí)更新和補(bǔ)充新的理論和實(shí)踐成果。可以通過教材的修訂和引入實(shí)際案例等方式，持續(xù)優(yōu)化課程內(nèi)容。

在教學(xué)改革中，除了注重理論課程的闡述，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐技能也是非常重要的。為了確保理論課程和實(shí)驗(yàn)課程的順利開展，學(xué)?？梢钥紤]增加3—4位助理講師，他們可以及時(shí)解答學(xué)生的問題，提高學(xué)生在數(shù)字圖像處理方面的興趣和探究精神。當(dāng)前，大部分大學(xué)選用的主流教科書是 Gonzalez RC的 《Digital Image Processing》（第三版）。為了跟上時(shí)代發(fā)展，可以在教科書修訂的基礎(chǔ)上，更新教學(xué)課件，加入有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理和實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)容。特別是結(jié)合人工智能背景，將利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像分類和識(shí)別的部分加入模式識(shí)別部分。同時(shí)，針對(duì)教科書中所選的樣本圖片，可以從網(wǎng)絡(luò)或公共數(shù)據(jù)庫（如ImageNet）中篩選出新奇、感興趣的樣本圖片，通過對(duì)樣本圖片的驗(yàn)證，增加學(xué)生的興趣。也可以引入更多的動(dòng)物、人物和風(fēng)景等圖片，豐富樣本圖片庫。

（二）利用信息化技術(shù)手段采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革中，可以采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高實(shí)踐動(dòng)手能力。例如，通過圖像去噪、去模糊、增強(qiáng)等任務(wù)來讓學(xué)生主動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)，教師可以對(duì)學(xué)生的結(jié)果進(jìn)行檢查和點(diǎn)評(píng)。同時(shí)，采用視頻方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以利用現(xiàn)代化技術(shù)手段將圖像處理知識(shí)以直觀易懂的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在實(shí)驗(yàn)中，還要提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，合理安排實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用時(shí)間，使學(xué)生能夠在不同學(xué)期都有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)踐。

在專題的籌備工作中，可以分為小組討論、文獻(xiàn)研究和相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)三個(gè)階段。首先，鼓勵(lì)學(xué)生在課余時(shí)間自發(fā)組成小組，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。對(duì)于沒有組隊(duì)的學(xué)生，教師或助理可以幫助他們選擇團(tuán)隊(duì)成員。其次，教授學(xué)生科學(xué)文獻(xiàn)搜索的方法，激發(fā)他們的探究精神和創(chuàng)造力。并鼓勵(lì)基礎(chǔ)好的學(xué)生通過校園圖書館中的資料庫閱讀與計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊，對(duì)基礎(chǔ)較差的學(xué)生，則可以適當(dāng)放寬標(biāo)準(zhǔn)。最后，教授學(xué)生網(wǎng)絡(luò)調(diào)參技巧和程序的工程化方法，以幫助他們積極學(xué)習(xí)。完成課題后，學(xué)生可以通過PPT的形式溝通和展示所學(xué)到的知識(shí)，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、代碼的實(shí)現(xiàn)、訓(xùn)練集的精確度以及最終的測(cè)試集的精確度等，并接受教師的評(píng)語和打分。

（三）堅(jiān)持多角度全面的考核方式進(jìn)行綜合考核

在目前的“數(shù)字圖像處理”的教學(xué)中，評(píng)價(jià)方式相對(duì)簡(jiǎn)單，主要以理論測(cè)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告為評(píng)價(jià)依據(jù)。然而，這種評(píng)價(jià)方法無法全面展現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，無法培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。傳統(tǒng)教學(xué)中，唯一評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)是期末考試成績(jī)，缺乏平時(shí)成績(jī)和實(shí)踐創(chuàng)新的考核。這樣的評(píng)價(jià)方式顯然不合理。

因此，為了全面考核學(xué)生的綜合素質(zhì)，教師需要從多個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在平時(shí)成績(jī)方面，可以通過課堂提問、討論和實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方式，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核。實(shí)驗(yàn)成績(jī)可以通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課堂演示等方式對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。而實(shí)踐報(bào)告方面，則可以通過設(shè)計(jì)小程序、實(shí)現(xiàn)算法、編寫代碼和調(diào)試等方式對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力進(jìn)行評(píng)估。通過多角度、全面的考核方式，學(xué)生可以認(rèn)識(shí)到自身的不足之處，并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和熱情，培養(yǎng)獨(dú)立思考、問題分析和解決問題的能力。此外，通過綜合考核平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和實(shí)踐報(bào)告，學(xué)生可以更好地認(rèn)識(shí)到課程學(xué)習(xí)的重要性，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

（四）結(jié)合人工智能方向進(jìn)行項(xiàng)目綜合拓展與改革

結(jié)合人工智能方向進(jìn)行項(xiàng)目綜合拓展與改革，能夠讓學(xué)生在了解傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，掌握人工智能技術(shù)中的一些基本原理和應(yīng)用。例如，在傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理中，教師會(huì)介紹基本的圖像去噪算法和圖像增強(qiáng)算法，但是這些算法往往具有較強(qiáng)的局限性，對(duì)于一些特定的目標(biāo)處理效果不理想?，F(xiàn)在學(xué)生接觸到了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，了解了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和應(yīng)用，那么教師可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度拓展。例如，可以讓學(xué)生參與深度學(xué)習(xí)相關(guān)的課程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目研究。具體來講，可以讓學(xué)生參與深度學(xué)習(xí)的相關(guān)課程設(shè)計(jì)，并以深度學(xué)習(xí)算法為例對(duì)數(shù)字圖像處理中的一些基本理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；或者讓學(xué)生參與相關(guān)項(xiàng)目研究，并以項(xiàng)目為例對(duì)數(shù)字圖像處理中的一些基本理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，還能培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

為了確保綜合項(xiàng)目的連續(xù)性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)興趣高、主動(dòng)性強(qiáng)、基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生的差異化培養(yǎng)，可以在教學(xué)的末尾對(duì)綜合項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)集成題的拓展可以從兩個(gè)方面入手：一是適當(dāng)提高集成題的難度；二是針對(duì)具體問題進(jìn)行拓展。以CIFAR-10為例，可以引入對(duì)抗性攻擊（如向原始圖像中加入干擾等）讓學(xué)生利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最近鄰分類器，在對(duì)抗性攻擊下，確保訓(xùn)練集與測(cè)試集的正確性，并比較兩種方法在對(duì)抗性攻擊下的效果。此外，可以結(jié)合當(dāng)前人工智能的發(fā)展趨勢(shì)，深度學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)在圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺方面的重要進(jìn)展，提出基于注意機(jī)制的圖像恢復(fù)等課題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究寫作的指導(dǎo)與培訓(xùn)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性，并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行歸納與整理。

四、結(jié)束語

人工智能是當(dāng)下計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展的必然趨勢(shì)。在這個(gè)背景下，對(duì)于實(shí)用性較強(qiáng)的學(xué)科“數(shù)字圖像處理”進(jìn)行改革是必要的。本文提出了針對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程面臨的問題的改革思路和舉措，并在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式等方面進(jìn)行了改革。實(shí)踐證明，這些改革措施取得了良好的效果。

在人工智能技術(shù)的發(fā)展下，“數(shù)字圖像處理”課程將進(jìn)一步發(fā)展和完善，為學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和綜合能力提升提供重要保障。此外，改革還有助于提升學(xué)生的整體素質(zhì)，使他們能夠全面了解傳統(tǒng)圖像處理方法和相關(guān)的人工智能技術(shù)。這為學(xué)生在畢業(yè)后在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的就業(yè)、深造和科研方面奠定了良好的基礎(chǔ)。

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