“数字图像处理”课程实验及思想政治教学探讨

韩彦芳，张 艳

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

教育关乎国家的未来，是国之重事。近年来，国家大力推出教改政策，全方位培养德智体美劳全面发展的综合型人才［1］。人才教育首先是德育，将思想政治教育引入课程教学，为学生树立正确的世界观、人生观和价值观提供了助力。只有明确了为谁学、学什么、如何学的问题，才能真正做到学有所长、学以致用、学有所为。面对大学生教育的特点，教育研究者提出了将马克思主义立场观点引入大学教育的构想［2］。同时，当今世界，人工智能技术飞速发展，“数字图像处理”课程作为涉及数学、光学、计算机及众多领域专业知识的交叉学科，是人工智能的核心课程，具有重要的理论和应用价值。其涉及理论较广，专业知识要求高，如何提升学生的兴趣，加强学生的理解并学以致用，是专业教育要思考的问题［3］。本文以“数字图像处理”课程教学为例，探讨了将课程思政和实践教学相结合，运用启发式、发散式、联想、对比等教学方法，设计课程教案，以提高学生认识问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生探索未知、追求真理的好奇心，树立学以致用、学习报国的理念。

一、课程教学内容分析

（一）课程定位

随着人工智能的发展，“数字图像处理”在工业、农业、医疗、安防、太空探索等领域得到了广泛关注与应用，是计算机与信息类专业的重要课程。对图像处理基本概念和理论的掌握是科研创新的根基和源泉［4］。从实现来看，空域处理、频域处理、统计方法、智能算法等各种算法和理论是计算机视觉的重要手段。“数字图像处理”课程综合了计算机、数学、光学、信号处理，以及各领域的专业知识，对知识交叉融合及培养综合性人才大有裨益。

（二）教学内容及实验方案

彩色图像处理着眼于改善图像视觉质量，在各领域有广泛的应用。理解彩色模型、掌握彩色图像在电脑中的表示、利用数学函数实现彩色图像不同的处理效果，具有很强的科学性和实用性。实验课程的设置可以让学生通过动手实践，明白课程的意义、问题的关键和解决办法，从而加深对知识点的理解，学以致用。鉴于此，对彩色图像处理中的知识点进行梳理，以实验案例加强学生对知识点的掌握［5］。

1.教学内容（见表1）。

表1 图像增强方法教学内容

2.教学过程。根据表1的教学知识点开展以下教学过程：（1）成像电磁波谱。电磁波是成像的重要能量源，在分析不同波段成像特性时，引入盲人摸象的故事。以天鹅星座在不同波段下的成像为例，使学生了解人类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，对于真正的世界，人类就像盲人摸象一样，从而引导学生认真学习，探索未知，探究宇宙本源。通过《黄帝内经》对天地人的描述，学生可以了解我国传统文化的博大精深，在对天、地、人的本源，以及关系的研究方面远远领先于世界，激发学生对传统文化的兴趣，树立学生的文化自信。（2）人眼视觉特性。通过展示爱因斯坦和玛丽莲·梦露的合成图像，讲解人眼的视觉特性。通过马赫带效应、同时对比效应及人的视觉错觉图例，可使学生明白人的视觉具有主观性和欺骗性，并引导学生探究其根源，学会透过现象看本质。（3）彩色视觉、彩色模型及彩色图像的表示。通过日常生活中事例引出讲授内容。如在彩色视觉教学中，采用启发式教学，将人眼等同于灵敏的光传感器，讲授单色光、复合光的概念，并由此拓展，使学生感知到科技的进步和传感器技术的发展；在彩色模型概念中，运用联想法、类比法、比喻法教学，使学生明白RGB、HSV、CMK、YUV等彩色空间模型可以像度量物体重量一样，从不同角度度量颜色值，同时，空间模型之间可以相互转换；在彩色三要素教学中，以日常生活为例，通过白天和晚上树叶的颜色变化，揭示亮度对颜色的影响，引导学生观察、思考生活中常见现象背后蕴含的道理。

3.实验方案。为增加学生的兴趣，并锻炼其编程能力，可将实验方案分为图像采集及读取、彩色变换、伪彩色增强和假彩色增强等。首先，学生用手机采集自己喜欢的图像，读入MATLAB系统，观察图像变量在工作区中的属性，了解图像在计算机中的表示；其次将RGB图像转换成HSV图像，了解H、S、V的含义和取值范围，并利用数学函数改变H、S、V的值，实现彩色变换。在伪彩色和假彩色增强部分，采用空域和频域两种方法。选取指定空间区域或灰度值范围的像素显示为自己指定的颜色，实现空域伪彩色增强。而通过在傅立叶域构建三个不同的滤波器进行滤波，再反变换回空域，从而实现频域伪彩色图像。在实验中，学生可以自主指定原始素材和增强效果，实验目标明确，实验方法清晰，有助于加深其对概念和方法的理解。通过编程获得了理想的视觉结果，增加了学生的主动性和成就感。

二、课程思政元素分析

（一）“数字图像处理”课程思政教学目标

目标1：培养学生认真思考、追根溯源、勇于探索未知的精神。

目标2：激发学生对传统文化的兴趣，培养文化自信。

目标3：科技人的社会责任和家国情怀。

（二）“彩色图像增强”课程思政的总体设计

目前，已有大量文献对课程思政进行了研究［6-8］。总体来看，主要关注以下维度：政治认同、家国情怀、社会责任、道德规范、科学精神、思维品质、创新能力、人文精神、生态文明、法治意识、工程伦理、国家安全意识、文化自信、全球视野等。本文仅就“彩色图像增强”课程的部分教学内容进行思想政治设计（如表2所示），以供探讨。

表2 “彩色图像增强”课程思政总体设计

三、教学效果分析与反思

通过连续三学期的平台课教学实践观察，从学生的出勤率、实验参与度、学习主动性和最终考核成绩等方面进行统计，如表3所示。

表3 教学实践情况统计

通过举例、对比、联想式授课，激发学生的学习兴趣；通过启发式教学，互动更加有效，加强了学生对知识点的记忆；通过发散式实践教学，学生提出新的设想，动手热情高涨，获得了成就感，从而对图像处理算法产生了极大的兴趣。在教学中引入思政元素，拉近了教师和学生的关系，可以在相互沟通中开阔视野，达到了教学相长的目的。在“彩色图像增强”课程连续三个学期的教学中，学生的出勤率一直是100%，学生评教分数在92分以上，但是在涉及传统文化教育时，学生的文化自信还有待提高，教师可以通过调动学生学习传统文化的积极性来提高学生的文化自信。同时，教师也要不断学习，提高自己的文化素养。

结语

本文以“彩色图像增强”课程为例，分析了教学内容，探讨了教学过程和实践教学方案，并对课程中的思政元素进行了挖掘。在实验方案设计中，给出了详细的实验内容和实践步骤，通过发散式实验练习，加深了学生对知识点的理解与掌握。思政元素的引入，使教学更加人性化，同时在相互沟通中，使教师和学生都获得了提升。