专业认证背景下以新工科为导...处理》课程闭环培养体系探索_王江涛.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术236|专业认证背景下以新工科为导向的数字图像处理 课程闭环培养体系探索王江涛1,2，邹峰1，李素文1，邵芬11.淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北，235000；2.淮北师范大学信息学院，安徽淮北，235000摘要：为了满足工程教育专业认证“以学生为中心、成果导向、持续改进”的理念要求和新工科“继承与创新、交叉与融合、持续改进”的建设目标，本文对数字图像处理课程教学展开探讨，在分析课程的特点和存在问题的基础上，从培养模式、课程内容、教学手段出发探索合适的闭环培养体系，为电子信息工程专业的新工科建设和工程教育专业认证提供示范和助力。关键词：数字图像处理；工程教育专业认证；闭环培养体系中图分类号:TP751文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.055 0引言当今时代，新经济的蓬勃兴起和以“互联网+人工智能”为核心的新一轮科技及产业革命，使我国工程教育的改革与发展面临新挑战，对高校工程人才培养提出了更高的要求。针对该问题，教育部在2016年颁布了制造业人才发展规划指南，鼓励并支持高等教育机构革新工程教育内容、目标和模式，新工科建设由此逐渐步入正轨。自2017年2月起，教育部积极推进新工科建设，“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”为新工科建设指明了方向1-3。新工科强调继承与创新、交叉与融合、协调与共享，目标是培养多样化、创新型卓越工程技术人才。在新工科的人才培养和建设背景下，高校各专业的课程体系设置及课程改革应着眼于能力培养和产出导向，遵循素质、知识、能力全面发展，以及科学、技术与工程贯穿一致的教学理念，致力于培养厚基础、高层次、多样化、创造性的领域创新人才。工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程教育在国家工业化进程中，对门类齐全、独立完整的工业体系的形成与发展，发挥了不可替代的作用。为确保工程教育本科生的培养质量，工程教育专业认证应运而生4-5。自2005年起，我国就建立了与国际工程认证资格框架华盛顿协议要求等效的工程教育认证体系，2013年华盛顿协议正式接收我国成为预备会员，2016年中国成为华盛顿协议第18个正式成员。截至2018年底，全国共有227所高校分布于电子、机械等21个工科专业类的1170个专业通过认证6-8。基于社会发展的需求和国家发展战略的需要，对工科专业进行工程教育认证已成为大势所趋。数字图像处理是一门面向电子信息类专业的核心课程。这门课程以学习数字图像处理的基本概念和方法为基础，培养学生采用软件编程手段来实现各类数字图像处理技术的思维和基金项目：本文系 2019 年安徽省省级质量工程项目（项目编号：2019jxtd142）；2020 年淮北师范大学校级质量工程项目（项目编号：2020 xjxyj009）作者简介：王江涛，男，山东潍坊，博士，教授，研究方向：数字图像处理。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|237技术应用与管理能力。该课程直接面向培养周期的产出端，与社会复杂工程问题相衔接，作为人工智能技术的核心基础，具备了鲜明的时代特征9-10。在深刻领会工程教育专业认证的内涵、深入把握新工科建设目标的基础上，本文将从培养模式、课程内容、教学手段、课程的动态自我修正等多个角度出发探索符合新工科建设目标的数字图像处理课程闭环培养体系，为培养具备“终身学习”能力的工科人才提供借鉴和思路。1新形势下数字图像处理课程的特点及存在的挑战1.1课程特点在当前的产业变革中数字图像处理展现出如下的鲜明特点。（1）面向“产出”。数字图像处理技术不但是各类学科竞赛需要掌握的核心技能，而且也是正在蓬勃发展的人工智能产业的必备技能，直接面向本科生的“产出端”，具有鲜明的产出导向特征。（2）多学科交叉耦合。该课程内容涉及数学、物理、信号处理、心理学、人工智能等众多学科，形成了一个多学科交叉耦合体11；随着科技的进步以及军事、医学和工业等多方面的应用需求的增加，数字图像处理技术已成为众多学科研究和发展的基础。（3）新技术快速更新。在人工智能技术的助推下，特别是得益于深度学习技术的喷涌发展，使得图像处理技术不断得到新发展和新应用12，从人脸支付到无人驾驶，图像处理技术已与人们的日常生活息息相关。1.2存在的问题和挑战以新工科为导向的人才培养模式要求专业课程积极应对社会新变化，这为数字图像处理课程培养模式带来新挑战。一方面，以深度学习为代表的图像处理新技术、新方法不断涌现，而且已被快速应用到工业领域中。另一方面，数字图像处理课程一直使用传统的教材，采用课堂面对面讲授的方式，教师讲，学生听；讲授按部就班，一般按原理、算法、处理效果等顺序讲述；教师是完全主动的，但学生是完全被动的。采用这种理论教学，轻视了学生实践能力的培养，学生缺乏分析问题、设计方案并解决问题的能力。现实中的问题往往需要许多算法的综合才能完成，而单一讲授模式教出来的学生面对实际问题时，基本束手无策，难以适应当前社会的新要求和新变化。2数字图像处理 课程闭环培养体系设计2.1设计符合工程教育专业认证要求的数字图像处理课程知识分布体系工程教育的核心理念是“以学生为中心、成果导向、持续改进”，在课程教学中，要以学生为中心，以能力培养为导向，即将以教师为主的理念转变为以学生为主体的理念；同时在授课、实验和课设项目安排方面，注重成果导向；在课程考查方面，如试卷的考核，要以能力的考查为主。工程教育专业认证对本科毕业生提出了要求，从毕业生要掌握的工程知识、问题分析能力、设计问题解决方案到使用现代工具对复杂工程问题进行分析都给出了具体的评估要点。在深刻领会专业认证内涵的基础上，我们对数字图像处理知识体系进行合理设计，切实做到以学生为中心，以成果为导向，提升本科生的实践创新能力。如表1所示，将贯穿数字图像处理课程周期的各项内容与工程教育专业认证的各要求点进行对应，设计符合新变革的知识分布体系。2.2搭建以学生为中心的分层次培养模式“以学生为中心”是工程教育专业认证的核心理念，也是新工科建设的重要内容，学生的学习效果是衡量课程培养成效的主要依据。这就要求摒弃“以老师为中心”的传统模式，突出强调学生学习成果，聚焦于学生“应该得到什么”，实现从“如何教”到“如何学”的观念转dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术238|变。“以学生为中心”首先要求给学生以平等的机会来达成学习成果，通过线上自主预习、线下研讨学习等方式为每位同学提供多维的学习空间。“以学生为中心”其次要求充分考虑每一个学生的个体差异，为学生提供可以挖掘潜力的个性化学习途径。要求在为每位同学提供平等的学习机会的同时，进行分层次、有差异的创新能力培养。以实践创新培养为例，如图1所示，本课程提供了三个不同层次的培养方式，底层的实验课程为所有同学必须掌握的基本技能，在此基础上，通过中层次的项目设计、学科竞赛来拓展有潜力学生的创新能力，对于未来准备从事数字图像处理工作和研究的学生，则通过顶层的毕业论文形式进一步进行创新拓展。图 1实践创新的分层次培养模式2.3构建以人工智能为引导的多学科交叉模式加快传统学科专业的改造，基于时代和未来卓越工程人才核心素养和能力加快课程改革，注重前沿知识和学科交叉知识体系建设，是新工科建设的重要任务；新工科人才应具有前沿性和学科交叉融合特征。与此对应，以人工智能技术为载体的工程应用在各领域不断涌现，特别是以深度学习技术为代表的图像处理方法取得了传统数字图像处理方法难以企及的成功。以新工科建设为导向，我们在数字图像处理教学内容中加入深度学习知识，提高学生的知识前沿性，通过研究专题或学科竞赛的形式，设置以人工智能为引导的多学科交叉工程设计任务，从而提升电子信息工程专业本科生的多学科交叉视野和团队协作能力。如图2为以全国大学生智能车竞赛摄像头组的智能车开发为例，进行多学科交叉模式实践创新。该示例中数字图像处理技术提供路径导航信息，自动控制技术提供行驶控制算法，机械设计对车身结构进行分析，嵌入式系统则作为控制中心的载体实现车辆行驶控制，以人工智能技术为枢纽完成整个系统的整合。图 2以人工智能为枢纽的智能车多学科交叉2.4创立具备新工科特色的闭环持续动态改进理念工程教育专业认证强调构建“以学生为中心”的培养质量持续改进体系；新工科建设一方面突出“新”字，一方面注重从学习目标至课程质量报告的课程闭环改进体系，两者具有一致的培养理念。如图3为本文所设计的数字图像处表 1工程教育专业认证毕业生要求与数字图像处理知识点分布专业认证毕业生要求对应的数字图像处理课程知识点分布和要求工程知识各基础知识点的交叉综合运用问题分析、设计解决方案面向工程问题的图像分割、图像特征提取、图像分类识别等知识点的综合理解和运用使用现代工具采用 Python、Matlab、VC+等编程语言实现相关算法个人和团队在多学科交叉的学科竞赛、项目设计中互相协作并完成课题沟通对经典的算法通过阅读英文原著文献来训练跨文化表达能力和国际视野终身学习在完成实验、项目设计或毕业论文所规定实践内容的同时，总结收获，构思未来新想法 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|239技术应用与管理理课程闭环培养模式，该模式践行持续改进的理念，对课程培养过程中的每一个环节进行可持续观测，通过闭环模式不断动态调整学习目标和课程大纲，紧跟时代变革步伐。该模式首先以社会需求和专业认证设立学习目标，然后以课程培养目标和课程大纲作为培养依据对学生展开课程训练，每培养一期本科生，都会通过评价分析形成课程质量报告，从而得到课程改进方案，对下一期学习目标进行调整。闭环模式的核心在于课程质量的评价分析，数字图像处理课程分别从学生、同行、企业三个角度出发对课程质量开展评价，将学生主观评价、同行观摩评价、企业用人能力评价相互融合，从而分析出客观的课程改进方案，对课程进行可持续改进。图 3以新工科为导向的课程闭环培养模式2.5推动教学内容和教学手段的自动更新调整创新是引领发展的第一动力，新工科建设要求积极应对变化，引领创新，探索不断变化背景下的工程教育新理念。在创新理念下，数字图像处理课程的教学手段和教学内容也需要进行自动更新调整。通过分析，我们将这种更新调整分为两类：一类是以评价体系为基础的闭环调整，另一类则是以教育工作者提高自身业务能力为基础的主动式调整。对于第一类调整，以学生的直观感受、同行的建议、企业的用人评价为指标对课程存在的问题进行动态调整。对于第二类调整，则依赖于教育工作者的自身素质，需要任课老师能敏锐地把握图像处理技术的发展新动态，前瞻性地对未来发展做出正确预测，并对授课内容进行对应的调整。不断探索互动性、智能化和个性化的教学方式，注重实践创新课程的建设，增加以人工智能为支撑的探究式、讨论式、参与式教学手段和教学内容，通过构建线上线下混合式学习模式来进一步提高学生学习的便捷性和灵活性，从而适应新形势的需求。3结论在工程教育专业认证视域下，本文从培养模式、课程内容、教学手段等多个角度出发探索符合新工科建设目标的数字图像处理课程闭环培养体系，围绕“继承与创新、交叉与融合、协调与共享”为途径的新工科内涵开展课程教学改革。紧扣“继承与创新”，将传统课程培养方式与人工智能新技术相结合，在传统课程知识的基础上，通过引入新方法、新手段、新应用对学生进行实践创新方面的拔高。紧扣“交叉与融合”，将数字图像处理与其他学科进行交叉融合，以参加项目设计和学科竞赛为契机，多学科抱团攻克复杂的工程问题，在培养团队协调能力的同时，拓宽学生的创新视野。专业认证背景下以新工科为导向的数字图像处理课程闭环培养体系将切实提高毕业生对技术变革的适应能力，拓展毕业生在数字图像处理和人工智能交叉领域的创新视野，为毕业生开拓与前沿技术相契合的发展方向。参考文献1 张大良.因时而动返本开新建设发展新工科在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话J.中国大学教学,2017(4):4-9.2 钟登华.新工科建设的内