新工科背景下“数字图像处理”课程思政教学探索

袁 丁， 张 弘， 罗晓燕， 杨一帆， 李 露

(1.北京航空航天大学 宇航学院， 北京 102206； 2.北京航空航天大学 人工智能学院， 北京 100191)

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”[1]。新工科的建设对应于新兴产业的专业，如人工智能、智能制造、机器人、云计算等等。与传统工科相比，“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性[2]。对照新工科专业的鲜明特点，数字图像处理技术不仅是人工智能领域的应用技术课程，同时也完全具备了新工科专业的实用性、交叉性与综合性特点，必然服务于我国的新兴产业。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调: 教育是实现中华民族伟大复兴的重要基石，其首要问题便是培养什么人，作为一个社会主义国家，我国的教育事业必须全面贯彻党的教育方针，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，培养具有爱国精神的社会主义现代化青年[3]。

青年的价值取向决定了未来整个社会的价值取向，人生的扣子从一开始就要扣好[4]。当代青年要树立共产主义远大理想和信念，具备大是大非的分辨能力，养成正确的世界观、人生观与价值观。目前，有些工科学生并不重视思政类课程的学习，学习积极性不高。因此，工科大学教育必须构建全方位思政教学体系，特别要充分发挥各工科专业课程的思政教育作用，在讲授专业知识的同时，通过理论与应用相结合、专业与思政相融通，达到育人“润物细无声”的效果。对于数字图像处理课程团队，要挖掘课程思政元素、设计生动思政案例、开展系统性的课程思政建设，在课堂上弘扬爱国爱党的家国情怀，从而充分发挥这门专业课程立德树人的育人作用，为国家新兴产业培养政治思想坚定、勤奋拼搏的建设人才贡献力量。

1 新工科背景下实施课程思政教学的必要性

人工智能等技术的快速发展推动了新一轮科技革命和产业变革。在这样的背景下，新工科建设作为新时代高等教育的重要发展战略，对创新性人才的核心素养与创造能力提出了新的要求。新工科人才必将成为未来工程技术领域的中坚力量。因此为新工科培养什么人这一问题成为高等教育的首要问题。

德行是做人的根本，思想政治教育是落实大学立德树人根本任务的关键环节。随着自媒体时代的到来，任何人都可以随意发表和扩散自己的言论和观点，信息杂乱且混杂各种极端、错误信息，也为高校思政教育带来了更高的难度和新的挑战。在大学工科教育中，学生大部分时间用于理工课程的学习。理工课程具有专业性、实践性、创新性、科学性等特点，目前大多存在注重理论技术而缺乏科学精神、伦理道德的培养[5]。因此，在理工课程中融入思政元素，可使思政教育更生动、更接地气、更与学生未来从事技术领域息息相关，因此更能引起青年学生的兴趣与共鸣。在新工科建设的背景下，完整的思政课程体系建设，是加快培养爱党爱国情感、基础知识扎实、创新能力强、乐于实践的复合型人才的重要举措。

2 数字图像处理课程思政教学探索

数字图像处理是隶属于人工智能领域的综合性专业课程，涉及计算机视觉、模式识别、机器学习等多学科交叉。同时，数字图像处理是面向工程应用的一门课程，所涉及的技术目前广泛应用于航空航天、安防监控、无人系统、网络传输、工业生产、游戏娱乐等国防、生产、生活的各个领域。数字图像处理课程团队，综合自身多年来与国内多家航空、航天等科研院所深入合作的工程经验，设计了大量航空、航天信息领域技术发展的思政教学案例，同时辅以专家面对面讲座、课程考核改革等手段，将思政教育始终贯穿于专业知识讲授与考核过程中，取得了良好的教学效果。

2.1 理论与应用相结合，思政案例设计

课程案例部分往往是授课过程中最吸引学生兴趣点的所在，也是培养学生家国情怀、提高实践能力的重要环节。充分发掘课程思政元素，结合教学团队教师从事多年科研工作的经历，以案例分析体现我国科研人员自立自强的拼搏精神，培养学生具有坚定的思想政治觉悟、拥有爱国爱党的红心、磨砺坚韧不拔的性格、敢于挑战自我的勇气。

2.1.1 思政案例设计的意义

思政理论课程始终是本科生培养方案中的必修课。但相较于专业课程的学习，工科专业的学生对思政理论课程的学习一直缺乏积极性，对思政课程理论学习的重视程度与认真程度有限。大部分工科专业的学生更重视专业技能的学习和学术水平的提高。由于学生阅历有限，并不能理解专业知识与思想政治的本质联系，也并不理解所谓学术思想和哲学规律的相辅相成。学生的误区常常是思政理论课程讲授内容就是社会科学内容、是文科的知识，和自己专业技术理论不相关。同时，以往的专业课堂上，教师往往着重介绍专业知识、技术前沿，忽略了德育在高校教育中的首要地位。

2020年5月，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》，指出要全面推进高校课程思政建设，发挥好每门课程的育人作用，使各类课程与思政课程同向同行，将显性教育和隐性教育相统一，形成协同效应，构建全员全程全方位育人大格局[6]。因此，每一名专业课程教师都应该在自己教授的专业课程上发挥立德树人的重要作用，充分挖掘课程的思政元素，培养学生勇于奉献的精神、团队合作的意识、乐于实践的务实精神、自强不息的意志品质，帮助学生树立正确的价值观。

2.1.2 课程思政案例设计探索

数字图像处理技术始终是一门以实际应用为牵引而发展的学科。课程思政案例分析也必应尽可能和工程应用实例紧密结合，以便设计更生动的教学环节，最大程度地提升学生课堂学习的兴趣。教学团队依照本课程的教学大纲，针对每一章设计工程案例内容，并进行思政元素的挖掘，做到专业知识与思政元素的有机结合。接下来，以绪论、图像处理基础、图像复原、数字图像处理的工程应用四章为例，探讨思政案例设计的主要思想。

绪论部分是引起学生学习专业课兴趣最重要的章节。二十世纪20年代，人类得到了第一幅数字图像。随后的一个世纪以来，人类不断地寻求更高质量的数字图像，设计了成像质量更好的光学镜头，发明了各种类型、更先进的感光元器件。尽管数字图像起源时仅作为新闻报刊素材出现，但人们一直在探索如何利用这种新型数据、并通过一些处理手段，使其发挥更大的价值。随着软硬件性价比的大幅提高、通信技术的快速发展，以及处理算法智能化程度的飞跃，图像处理技术已经广泛应用在军事国防、航空航天、生物医学、生产生活等各个方面。数字图像处理技术的百年发展史，正是人类文明的原动力——探索精神的生动体现。通过该领域发展史的介绍，鼓励学生建立好奇与热爱、怀疑与理性的思考习惯，坚持勇于探索、永无止境的科学探索精神。同时，在领域研究方向及技术应用的小节中，重点介绍近十年国内研究工作取得的重大进展。例如，在深空探测领域，介绍我国“祝融号”的视觉导航系统；在人脸识别领域，介绍自动支付系统；在图像增强领域，介绍华为手机的移动影像技术。在对比国内外技术应用及发展现状过程中，让学生领会到尽管在该领域我国科研工作启动较晚，但经过近二十年的努力和奋斗，已经在多个应用领域达到国际先进甚至领先水平。通过以上案例，帮助学生树立远大理想，培养学生坚持不懈、不屈不挠、奋发图强的优秀品质。

图像处理基础介绍了图像的感知与获取。其中，相机成像是利用了凸透镜将光线折射的原理，使得景物表面反射光折射在像平面成像。对于成像这一现象，据说古希腊人曾利用小孔成像原理,将物体的影像投射到暗箱壁上。1839年达盖尔制成了第一台实用的照相机。其实，我国对光学的认识可以追溯至公元前四百多年。《墨经》中就详细记载了光的直线传播、反射，以及平面镜、凹面镜、凸面镜的成像现象。宋代沈括所著《梦溪笔谈》中，就描述过小孔成像原理。可见，我国很早就在探索如何利用光线获取景物的像。通过对相关历史记载的讲述，让学生体会到中华民族始终走在探索科学规律的道路上，为人类科技文明的发展贡献力量，激发学生的民族自豪感。

图像复原技术旨在通过构建成像退化模型，恢复已被退化图像的原始数据，是图像处理领域的一个重要研究方向，广泛应用于军事国防、航空航天、卫星遥感、医学检查、交通运输、刑侦取证等等与影像处理相关的各个领域。在成像过程中，图像不可避免地受到各种外部、内部因素干扰，引起图像质量的下降。然而，干扰因素不同、对应的图像退化模型也各不相同。即便是同一降质因素，在不同成像条件下，图像降质的程度和表现也不相同。因此，图像复原始终是图像处理技术领域的研究难点和热点。本章将在具体算法中讲解图像去雾复原方法、图像去运动模糊方法以及图像去湍流复原方法。在介绍图像去雾复原方法中，重点介绍学者何凯明的暗通道去雾方法[7]。暗通道去雾方法是何凯明在香港中文大学读博士期间发表的第一篇学术论文，该工作独辟蹊径、构思巧妙，获得了当年领域顶级国际会议CVPR的最佳论文，得到领域专家们的高度评价，并引领了随后多年图像去雾的研究方向。通过暗通道算法的讲解，不仅教授图像复原算法模型，同时引导学生科学研究不能拘泥于现有框架，也不要迷信学术权威，要敢于标新立异、大胆设想。特别是对于面向新兴产业的专业，难题挑战更多、创新机遇也更多。鼓励青年学生一定把握时代的机遇、勇于开拓创新，共筑人工智能实现中国梦。

数字图像处理的工程应用这一章旨在介绍如何综合运用数字图像处理技术解决实际工程任务。课程团队教师均有多年从事航空、航天领域科研项目的研究经验，担了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、航空航天院所课题几十项，研制的光电探测装备已广泛应用于边海防、特种安防等领域并出口海外。本章将围绕课程团队研制的航空光电吊舱，讲授其中数字图像处理技术的具体应用，涵盖从图像数据存贮、 图像滤波去噪声、图像增强、图像复原等底层图像处理技术，到图像特征提取、目标识别到目标跟踪高层图像处理技术。同时介绍航空光电吊舱发展历程，特别是我国曾经在技术方面落后西方国家30年，经不懈努力与艰苦奋斗，如今性能指标达到国际先进水平。通过本章的学习，一方面培养工科学生学以致用、理论联系实际的务实精神；另一方面引导学生在实际工程问题中提炼科学问题、提高科研水平。更重要的是，通过案例讲解，让学生深刻理解科研人员必须拥有坚定的思想政治觉悟、拥有爱国爱党的红心、磨砺坚韧不拔的性格、敢于挑战自我的勇气、养成科学思维的能力、细致严谨的对待科研工作，才能在智能制造时代赶超欧美等发达国家，成为中国未来制造业的合格接班人。

按照课程大纲，课程团队为本课程每章节设计的思政案例如表1所示。

表1 数字图像处理的课程思政案例设计

2.2 空天领域专家讲座，厚植家国情怀

近年来，我国的航空、航天事业取得了很多举世瞩目的成就。这也是我国无数科学研究人员自立自强、拼搏奉献取得的伟大成果。课程团队在与多个航空航天院所的常年合作过程中，与多位领域内的专家学者建立了良好的合作关系。课程团队围绕数字图像处理在新一代航空航天智能系统中的应用技术前沿，每学期邀请两位领域专家与学生面对面，开展专题讲座。例如，课程团队邀请航天科工集团二院总师，介绍我国脑机接口技术的技术潜力与发展历程，分析美国将脑机接口作为对中国技术封锁的一级目录的原因，以及我国科工集团研究中心的相关研究成果。通过本次讲座，学生深深认识到自主创新绝对不是空喊口号，而是要脚踏实地、艰苦奋斗。

通过研究院所专家们的案例分析和前沿探讨，一方面开阔学生眼界，使学生了解目前行业内科研动态；另一方面，作为奉献祖国航空航天事业的楷模，领域专家们自身榜样的力量不仅能激励学生们勇于战胜艰难险阻、攀登航天科技高峰，还能更深入地引导学生厚植空天报国情怀。

2.3 完善课程考核环节、增加思政评价

教学效果和两个因素息息相关，一方面取决于教师的授课质量；另一方面取决于学生对课程的参与程度。课程思政内容的教学只有让学生的全程参与，才能达到立德树人的预期教学效果。为此，本课程考核方式将采用课程过程全覆盖的形式，以充分调动学生参与课程、学习课程的积极性。

课程最终成绩评定采用出勤、随堂提问、配套实验、项目报告、期末笔试各项成绩加权求和的方式，以便更加全面地考核学生状态和教学效果。其中项目报告以小组为单位，学生可自由结组、根据兴趣选择与课程相关的项目研究方向。学生将在一个月的时间内，完成研究方向综述、研究方案制定、程序编写、实验结果分析、未来研究工作展望5方面的工作。在完成项目报告的过程中，一方面锻炼了学生分工、合作、协调的能力；另一方面能够充分调度学生进行自主学习，在项目进行过程中充分发挥创造力和想象力。

特别在考核环节增加思政评价内容。例如，在依托自由选题的小组为单位的项目报告展示时，要求对题目方向进行思政元素的提炼和感想分享，并占其中成绩30%。此外，在每节课后对下一节课内容进行预告，要求学生课后查阅相关文献，思考思政元素与哲学规律，采用随机点名的形式在课堂上分享，并将学生表现计入随堂提问成绩。更加全面与客观的综合评价、全程的思政元素覆盖、与鼓励学生全程参与的机制，保障了预期教学效果。

2.4 课程思政的建设成效

思政元素融入数字图像处理课堂，同时增加课程案例分析，提高了学生的课程参与程度。将思政案例穿插在专业知识理论中，缓解了部分学生因理论难度较高引起的焦虑情绪，同时活跃了课堂气氛，课堂上学生回答问题积极性明显提高。期末学生的任课教师综合评教中，满意率达到百分百。更多的学生对图像处理技术研究工作产生了非常高的热情，积极报名参加该方向的本科生毕业设计。2022年5月底，课程团队教师指导的本科生毕业设计获得了第三届全国高等学校航空航天类专业本科毕业设计成果交流会一等奖。与此同时，课程团队教师在思政建设过程中，对教学大纲重新梳理，通过挖掘各知识点的思政元素，不仅提升了专业理论水平，个人思政修养和哲学素养也得到了很大的提高。

3 结语

课程团队通过思政案例设计、领域专家讲座、完善考核环节三方面对数字图像处理课程开展思政建设，在近一年的教学实践中发现，学生的课堂活跃程度明显提高，对课堂的思政内容设计比较满意。问卷调查显示95%的学生认为思政内容的增加提升了听课注意力；88%的学生认为思政内容贴合课程理论内容；76%的学生认为思政内容的增加对专业知识的理解有帮助。为此，本文总结的课程建设经验也可以为其他本科生、研究生的课程思政建设提供借鉴。同时在本次课程建设过程中，笔者深刻认识到，课程思政建设质量与任课教师自身的思想道德政治水平息息相关。教师作为学生成长道路上的重要引路人，在教学过程中要不断提高自身的专业水准，同时还要提高自身的思想政治素质，为学生树立良好的榜样。因此，教师自身要有意识地加强思政工作对学科专业的引领，要了解社会、国情、国际政治、世界科技发展趋势，要加强自身的思想道德水平，要通过不断的学习和思考将专业知识与思政元素有机融合，潜移默化在教学中开展思政教育，同时积极参与教学示范课程建设，致力于为新工科专业培养思想政治过硬、专业技能扎实、德才兼备的创新性人才。