《数字图像处理》课程中灰度变换与空间滤波章节的育人思考

申琪琪，马苗，武杰，田卓钰

（陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安）

一 引言

2020年5月，教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出：“理学、工学类专业课程要在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力”[1]。结合新工科建设要求，各高校工学类专业教师在教学设计与实施过程中，应关注学生的工程伦理教育，培养其精益求精的大国工匠精神，激发工科类学生科技报国的家国情怀和使命担当精神，加强研究生对社会主义建设者和接班人的使命感，使得思想教育与知识传授同向同行。

二 《数字图像处理》课程简述

课程思政指在各种非思政课中巧妙地融入思政元素，力争做到润物细无声地逐步影响学生的道德品行，从理论知识、价值理念以及精神追求等方面逐一提升。课堂是人才培养的主阵地，因此教师在教学过程中将思政教育元素融入教学当中，引导学生了解国情、党情和民情，增强对党的理论创新的政治认同、思想认同、情感认同，坚定四个自信意义重大。

为建设高水平人才培养体系，重点抓好高校课程思政建设，陕西师范大学出台了一系列鼓励政策和措施，在本科生和研究生课程中均涌现出一批示范思政课和优秀案例，努力实现思政课程与课程思政相辅相成，培养高质量优秀人才[2]。

《数字图像处理》是我校计算机类研究生的专业选修课程，也是计算机视觉方向中十分重要的基础课程，对很多研究生后续的科学研究工作起到承上启下的重要作用。课程要求学生掌握图像的数字化以及基本的图像处理原理和方式，引导研究生将图像处理技术应用到各自的研究领域。考虑到课程特点，我们选用了国内外有较好声誉的经典教材——《数字图像处理》（冈萨雷斯著）第三版。

此教材不仅讲述数字图像处理技术的基础知识、基本原理和基本方法，而且提供了医学、天文、交通等各个领域的丰富实例。通过这些基础专业知识和各类应用实例分析可以精心设计和提炼很多思政元素，自然地融入第一课堂，培养研究生勇于探索的科学家精神、精益求精的工匠精神，激发他们的专业自信与责任担当意识，牢固树立科技报国的理想信念。尤其在新工科建设背景下，人工智能技术飞速发展，与之密切相关的计算机视觉技术、数字图像处理技术等相关领域的学习对工科学生来说意义重大。通过本课程的学习，研究生不仅应掌握相关的专业技术知识，而且能够学以致用，善于发现和解决现实中的复杂工程问题，增强学生的成就感，不断提高综合素质，为将来走向工作岗位积累经验、锻炼本领，成为一名合格的社会主义建设者和接班人。

三 教学内容与思政元素分析

本文以教材第3章“灰度变换与空间滤波”为例，探讨“教书”与“育人”同频共振的新模式。该章特点是在空间域对图像进行处理，其中：灰度变换对图像进行点处理，即操作对象是单个像素；空间滤波则进行邻域处理。

该章主要内容是通过一系列灰度变换与空间滤波技术来完成图像增强，从而改善图像的视觉效果，便于人们观察分析，或者便于进一步的对图像进行处理。重点讲授6部分的内容（含实训实践环节），包括：背景知识、灰度变换函数、直方图处理、空间滤波基础以及空间滤波器的原理及使用等[4]。教学内容的树图框架如图1所示。

图1 第3章 灰度变换与空间滤波的知识树

通过课堂讲授，在知识层面要求学生熟练掌握相关知识点；在价值引领方面，着力提高学生的综合素质，例如科学的逻辑思维和计算思维方法，唯物主义世界观的方法，大国工匠精神、家国情怀及四个自信等。

各知识点与提炼的思政元素间的对应关系如图2所示。

图2 思政元素与对应知识点关系

四 知识点对应融入的育人元素

(一） 知识点“背景知识”

本节讲授本章基础知识，通过例子让学生对这部分的知识有更加深刻的理解。如：对远红外波段拍摄的图像进行图像增强操作，使图像更加具有辨识度。在本章讨论的内容都是在空间域上进行的，空间域技术不同于频率域，空间域是直接在图像像素上进行操作。

思政部分融入的育人元素为：（1）以空间域与频率域的差异为切入点，启发学生遇到问题时，要多角度分析，尝试用不同方法探索解决方案，善用矛盾分析法，用辩证的方法去思考和解决问题。（2）从课堂所举的这些例子中，启发学生头脑风暴图像处理在其他行业当中的应用，比如在灾害监测、病虫害检测、环境污染监测等，以此鼓励学生发散思维，独立思考又相互讨论，增强学生的创新思维和思辨能力。

（二） 知识点“灰度变换函数”

讲授基本的图像灰度变换函数，包括图像反转、对数变换、幂律（伽马）变换和分段线性变换函数。重点是以货币图像处理为例，展示分段线性变换函数的应用；此外，结合本领域的最新进展，引出深度神经网络等新知识、新内容。

思政部分融入的育人元素为：（1）依托货币图像增强处理的应用实例，引申到今天我国的移动支付。Worldplay发布的《2021全球支付报告》数据显示，目前中国电子支付在所有支付方式中超过50%，我国移动支付处于世界领先地位，以此增强学生的道路自信。（2）从灰度变换函数扩展至深度神经网络等最新技术，引申到天猫等各类大型购物网站的智能推荐系统，体现我国在科技发展中服务至上的态度和速度，增加学生的专业自信和民族自豪感。

（三） 知识点“直方图处理”

讲授直方图处理方法，包括直方图均衡化、直方图匹配、局部直方图处理及在图像增强中使用直方图统计。列举医学应用实例，通过直方图均衡化的方式处理红细胞的医学图像，使得细胞的图像更清晰，提高医学临床治疗效果。

思政部分融入的育人元素为：（1）通过教材中的天文实例火星卫星图像分析，引导学生勇于创新思考，学会实例分析的方法，准确分析目标图像，不断探索最合适的方法，力争起到最好的图像增强效果，锻炼学生精益求精的大国工匠精神。（2）医学实例中的病灶信息不明显会使医生错过重要信息，导致漏诊误诊，以此激发学生对生命的敬畏，增强学生的社会责任感和担当意识。（3）通过医学中的实例，引申到近来的疫情，对于这样的重大突发公共事件，党的快速响应与民众的积极配合，坚持“全国一盘棋”的方法论，使中国成为世界上疫情防控最好的国家，证明了中国特色社会主义制度的显著优势，以此增强学生的制度自信。

（四） 知识点“空间滤波基础”

讲述空间滤波图像的一些基本概念，包括空间滤波机理、空间相关与卷积、线性滤波的向量表示以及空间滤波器模板的产生[4]。学好本节是更好使用空间滤波进行图像处理的基础。

思政部分融入的育人元素为：（1）以空间滤波器的大小为切入点，演示从1×1模板到7×7模板对图像处理效果的影响，强调量变的积累引发质变，引申到唯物辩证法的质量互变规律。（2）引导学生避免实践与理论脱节，眼高手低，以编程实践的形式，把基础打牢，体会和理解实践与认识之间的关系，通过实践验证掌握本部分的核心知识。

（五） 知识点“空间滤波器”

讲述各种空间滤波器的原理及使用。通过案例法讲解和演示不同滤波器的特点，如观测到的月球北极的图片，在未经处理的情况下，是比较模糊的，很难看清楚表面的一些细节，经过锐化处理后，图片的细节更清晰的显现出来。

思政部分融入的育人元素为：（1）以滤波器的选择为切入点，演示滤波器的图像处理效果，均值滤波可以将图像模糊化，但无法去除椒盐噪声，而中值滤波在处理椒盐噪声时有良好的表现，引导学生具体问题具体分析。（2）以月球表面图像处理实例为切入点，强调太空探测的发展中，图像处理技术起到的不可或缺的作用。在此基础上，举例我国航天事业的发展，简介中国航天发展的四大里程碑，尤其是近年来取得的突破性进展，增加学生对中国特色社会主义的道路自信。（3）通过镜片的缺陷检测和工业检测饮料容量是否达标的实例，展示边缘检测为代表的各种数字图像处理技术潜在应用领域广泛，鼓励学生勤于思考、勇于创新、学以致用。

（六） 实训实践环节

将来自于现实中的工业需求以项目的形式，分发小组完成，最后对项目作业进行汇报展示，目的是检测学生对知识的综合运用能力，尤其对工科学生，锻炼和检验其发现问题、分析问题和解决问题的能力。

思政部分融入的育人元素为：（1）通过学生按小组进行工程项目实践，编程实现对工业制造中零部件毛刺定位或原材料计数的应用，以此培养学生的团队协作精神和实践创新能力。（2）在问题建模、系统设计及编程实现等环节中，引导学生大局观，尽可能优化处理结果，精益求精，不断提升项目呈现效果，使学生深刻体会大国工匠精神。

五 完善思政教育评价标准

课程思政的融入不是纸上谈兵，其效果如何取决于育人成效，因此对于思政教育的评价标准应给予充分的重视，课程思政效果的评价不同于专业课程的评价，其目的是让受教育者内化于心、外化于行。

我们在2021级计算机科学学院《数字图像处理》课程进行的教学实践是：一方面，在第一课堂中把育人元素穿插在知识点讲解过程中；另一方面，加强过程性评价，让每位学生结合课程学习的内容，实时总结自己的成长感受。结果表明，该年级研究生对课程的满意度普遍提高，认为通过课程学习树牢了“四个意识”，坚定了“四个自信”，增强了社会主义建设者和接班人的使命感，自身在创新意识、团队协作精神和爱国主义精神方面有长足进步[5]。

六 结语

专业课程的思政教育不能生搬硬套，而应从讲堂讲授的知识点入手，深入挖掘育人元素，像盐一样，润物无声地助力学生成长成才[6]。本文以研究生《数字图像处理》课程中第3章为例，探讨了有关计算机类专业课的知识点与育人元素提炼等关键环节，对《数字图像处理技术》类的研究生课程育人新模式有重要的参考意义和指导意义。