《数字图像处理》课程是电子信息类、自动化类、计算机类等专业的重要课程,尤其是对于电子信息工程、自动化、机器人等专业来说,该课程是面向图像与视觉领域研究和应用的基础性课程
山东科技大学的电子信息工程专业将该课程列为专业基础课,对打造专业在图像视觉及人工智能的特色起到了奠基性作用。本课程1997开课,在近30年历程中课程不断建设、改革、创新和实践,不断解决教育教学中的问题,保障教学效果和人才培养质量
国内开设《数字图像处理》课程的部分高校在建设高水平课程资源、推进教学改革方面也做了大量的工作,比如天津理工大学杨淑莹教授,武汉大学贾永红教授、香港中文大学的汤晓鸥教授等,也形成了课程视频或者在线课程,助力学生线上自主学习。已有的课程建设各有特色,我们所开展的建设和改革是基于地方省属院校学生特点,以及学校的一黑一蓝定位而进行,通过不断尝试和迭代,最终形成了与师生契合、与资源匹配的一套经验做法,可以在同类高校中进行借鉴和参考。
对于电子信息工程专业,本课程的授课对象是大三学生,已经完成了数理课程及信号处理基础课程学习,具备一定的数理及信号与系统的分析设计基础,正处于由基础理论走向专业应用的关键点,是大学的爬坡攻坚阶段。该时期学生心智更加成熟,学习习惯已然形成,个性崛起,独立思考增强,同时高中学习劲头基本消耗殆尽,倦怠躺平倾向冒头,易于迷失和放弃。《数字图像处理》是直接面向行业就业的课程,不少学生毕业后从事与之相关的技术工作,专业对该课程提出了更高的要求,在我们的教学中所面临最大的三个教学问题如下:
1) 高教学目标与短学时的矛盾突出。本课程理论性强,且实践要求高,面对技术和行业发展,既要学会基本和新兴的理论和技术,又要会应用于工程实际,目前的学时是远远不够的。
2) 个性化学习需求与群体化教学模式的失配突出。目前青年学生个性强,网络多媒体信息极度丰富,课程教学在与网络内容抢夺学生,在教学内容和方式不能吸引学生时将会失去学生的投入热情,目前大群体化教学方式很难顾及每个学生的学情。
3) 快变的能力素质要求与慢进的教学内容与手段的差距突出。社会和行业对人才的能力素质要求急速提升,要快速上手独当一面,不但要求专业水平高,还要创新能力强,综合素质过硬。然而教学内容和教学手段更新迭代有滞后和局限,不能实现跟随,二者仍存在较大差距。
面对经济社会需要和工科教育现状,教育部积极推进新工科建设,开启了工程教育的中国模式、中国经验的探索之路。近年来,《数字图像处理》课程基于学生中心,目标导向的OBE理念,充分利用当前信息技术和AI工具,按照布鲁姆掌握学习理论和认知金字塔,重构教学内容,设计新的教学方法和模式,系统地从课程体系建设、教学资源建设、教学模式、实践能力培养、课程思政几个方面着力,形成“三融合、三驱动、三协同”的课程教学创新思路和举措,解决教学痛点堵点,如
1) 课程链贯通,减冗余,去多余,节约学时。制定培养方案及课程大纲时,梳理课程体系的科学设置和有机衔接,把信号与系统、数字信号处理、数字图像处理、模式识别、深度学习、虚拟仿真技术等6门密切课程以信号处理及应用为主线打造课程链,知识模块贯通,实践锻炼接力,减弱学时不足的影响。课程群中的课程同模式建设,形成良好的课程群生态。
2) 融入“产、科、赛”素材,与时俱进,重构教学内容。对接企业,将其需求和项目纳入课程教学;将团队科研课题作为课程实例、案例以及综合项目融入课程;将专业竞赛与图像有关的赛题作为教学素材融入课程。
3) 建三金资源,兼具在线课程、双语课程、一流教材、VR资源、虚仿项目、案例库等,多元立体,铺好最后一公里,为教学改革提供优质物质基础。课程是人才培养的核心要素,是改革的深处。团队多年来持续建设多元立体的课程资源,建成数字图像处理(国家线上一流课程),数字信号处理(省一流)、玻璃空瓶验瓶机设计与制作虚拟仿真实验(省一流虚仿项目),自编国家规划教材,VR图像教学资源二十多个,项目库有来自企业、科研项目、竞赛等项目四十多个。
4) 建知识图谱和问题图谱,赋能数字驱动的智慧化、个性化教学。课程知识图谱有知识点625个、关联资源430个、试题500个,使课程知识全景化,助力学习智能化、个性化和教学精准化;问题图谱设有疑难复杂问题7个、组合问题22个、基本问题51个,工程问题细粒度化,问题解决方案积木化。
基于多元立体化优质课程资源,采取线上–线下融合,实际与虚拟融合,课内课外融合,问题驱动、项目驱动、数据驱动,构建和实施2236混合式教学模式
图2. “三融合、三驱动、三协同”的2236混合式教学模式
1) 用好三融合,破解兴趣低和学时少难题。利用好线上资源,课前自学自测,课后后测研讨;利用好课内课外,课内促互动夯基础,课外抓实践强能力;利用好实体课堂,进行精讲和探讨,实施师讲生听、生讲生评、边讲边练、案例点评等多种翻转;利用好虚拟课堂,基于VR资源,游戏化沉浸式自学。
2) 做好三驱动,突破兴趣–能力–个性三重学习壁垒。课前发出问题,以问题驱动课前学习,课中研讨,课后实践,带动兴趣和注意力投入的提升,实现个体与群体教育的融合;结合综合项目和课程设计,以项目驱动知识深化与应用,驱动团队协作和科技能力提升,实现工程能力及协作意识的培养;利用在线学习记录,数据驱动教学内容调整、教学过程优化,通过自学、互学、群学、定点帮扶兼顾个体学情和整体学情,落实个性化教育因材施教。
1) 利用自研虚拟仿真实验项目,实虚互补,课内外互补,基础-VR-项目实践三进阶,突破学时和现场制约,强化工程能力培养。构建的三阶式的实践教学体系如
2) 产教–科教–赛教三教协同,进一步增强工程能力。产业项目、科研项目和竞赛项目是综合项目的主要来源,并积累形成项目库和案例库,让学生有比较充足的优质课题可以选择。合作企业有上海波创、济南博观、山东力创等企业,还包括智能车竞赛、电子设计竞赛、Robotmaster机器人大赛等,目前项目库已有四十多个项目,如来自基金课题的贴壁细胞分割;来自企业的流速测量、图像去雾;来自竞赛的目标检测和跟踪等。
1) 建立“全程、多元、强非标”的学业评价方式,激励学生学习用心,功夫下在平时,克服倦怠和躺平。考核包括线上学习(视频、讨论、章节测验、活动等)、线下课堂(活动、翻转课堂、展示等)、实验(12学时)、综合项目,最终的期末考试等。从第一次课开始直到完成考试和答辩,全程覆盖,内容多元,非标答案部分占50%以上。
2) 利用建设的思政教育资源,思政融入教学全过程,启智润心。对课程思政目标进行分解,从教学内容和教学活动中挖掘思政资源。从图像处理技术的应用与发展、图像处理的素材、算法原理、算法比较与选择,以及自主学习、交流研讨、编程实验、课程项目等方面,针对思政元素整理八个方面的思政资源。思政入大纲、入课程、入课堂,共有二十多个思政融入点,实施“线上、线下协同,课前、课中、课后贯通”的全过程课程课堂育人模式。
比如伪彩色增强教学设计中,紧紧围绕教学内容和教学模式选择、挖掘、融入思政元素,注重前后呼应及课程思政闭环形成。线下讲授中,以伪彩色增强在嫦娥六号、安检、卫星云图等方面的应用作为引入,在最后再以涉及“空–天–地–海,微观–宏观”等六大方面的应用,及编程实践结束,以大国重器、热点新闻、前沿技术为载体自然激发民族自豪感、终身学习意识和科技报国情感。
自2018年开始,教学团队基于所建的《数字图像处理》在线课程,开展线上线下混合式教学,并不断补充资源,优化教学模式和教学方法。在这六年的实施中,通过选取不同背景的学生进行访谈以及对学生的成绩、项目完成情况、实验数据进行分析等,对该方法进行不断完善和迭代,取得了不错的成效,具体有以下几个方面:
1) 学生层面上看,从早期的不适应,到现在平台熟练使用,乐于参与线下活动,学习主动性增强,课程的知识能力素质提升明显。通过三教协同,实施综合项目,学生实践能力加强,学生作品申请软著多达十多件,在专业竞赛中获省级一等奖以上奖励二十多项。调查问卷结果反映,学生对之接受度,熟练度和投入度已经提升到了很好的高度,多类资源的综合使用扩展了学习途径。
2) 教师教学水平得到了提升,课程团队教师多人次获得校教学名师、优秀教师、最美教师、教书育人楷模、我最难忘的恩师等称号,获得同行和学生的高度认可,教师多次在全国高校电子信息类专业课程实验教学案例设计竞赛(RIGOL杯)、山东省普通高等学校教师教学创新大赛、山东省本科高等学校课程思政教学比赛等教学竞赛中获奖。
3) 课程资源推广应用良好,收到学生、教师和专家的好评。课程2020年获批为首批国家一流课程,开课13学期,1.2万人选课,选用高校300多所;团队教师授课被认定为学校首批“精彩课堂”、课程思政教学团队和课程思政优秀教师;课程思政示范教学包在超星平台上线,已被259家单位300多位教师引用,参与学生超过9000人;并入选2023年省级课程思政示范课程;自编国家十二五规划教材和“玻璃空瓶验瓶机设计与制作虚拟仿真实验”,选用高校20多所。
通过长期建设和改革创新,不断调整教学内容、教学方法和教学模式,以与社会行业需要、学生学情相适应,是教育教学的常态。单一门课并不能决定专业人才培养质量,需要更多的课程,尤其是专业核心课程都要高质量教学,才能发挥积极的决定性作用,这也是教师层面容易忽视和难以顾及的问题。
在我校的《数字图像处理》课程教学中,团队教师与时俱进,建设包含MOOC、教材、虚拟仿真实验项目、VR游戏化教学资源、思政素材、案例项目等在内的多元立体资源,并强化教师水平提升,辐射带动专业其他课程同质建设,其他教师的教学投入,从多维度形成了很好的专业人才培养的育人生态,不但解决了本课程教学所面临的问题,还从系统角度营造育人氛围,使课程教学效果和专业育人效果正向倍增。《数字图像处理》课程和教学团队的工作和成果获得了省部级教学成果奖,在教育教学会议上的交流分享获得了广泛认可。
山东省普通高等学校实验教学和教学实验室建设研究项目:虚实结合,图谱联通,跨平台构建数字实验教学资源的探索与实践,2024;中国高等教育学会2022年度高等教育科学研究规划重点课题:数字化在线课程与课堂教学融合发展模式及实践,编号:22SZH0213;全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题:高校电子信息类专业双语教学示范课程建设的研究与实践,编号:2021MXJG220;教育部产学合作协同育人项目:电类实习实训的VR模式设计及实践,编号:220900287094726;山东科技大学在线课程建设项目:数字图像处理(双语),编号:ZXK202318;山东科技大学2023年虚拟仿真实验教学项目(专项研究项目):电子信息工程专业虚实结合实验教学体系研究,编号XNFZ2023ZX04;山东科技大学群星计划面上项目:新工科背景下电子信息类专业数字化资源建设的研究与应用,编号QX2023M37。