工科课程思政教学设计与实践

［摘 要］ 在新工科背景下，理工科专业课引进课程思政教学，对实现“三全育人”具有重要意义。数字图像处理在许多领域得到广泛应用，因其理论性与技术性较强，与人工智能关系密切而备受学生青睐。通过梳理了“数字图像处理”课程从专题导言、理论算法及实践等方面进行课程思政设计的思路，展示了课程思政的典型案例，并对专业课开展课程思政教学的路径和举措进行了探索和实践，为新工科背景下的专业课程提升课程思政育人效果提供了参考。

［关键词］ 课程思政；教学设计；数字图像处理；新工科

［基金项目］ 2014年度国家自然科学基金“基于静电感应的航空发动机滑油系统全流量在线监测及寿命预测方法研究”（51465047）

［作者简介］ 周 虹（1973—），女，江西吉安人，博士，上海工程技术大学飞行学院高级工程师，主要从事飞行器智能检测研究；徐海荣（1975—），女，山东烟台人，硕士，上海工程技术大学飞行学院讲师，主要从事飞行器智能维修研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）09-0000-04 ［收稿日期］ 2022-07-06

课程思政是近年来高校思想政治工作和专业课程融合建设的新理念，是国家对高校课程建设的新要求［1-2］。高校教师将思政元素融入专业课程教学，完成立德树人的根本任务，已成为一项紧迫的时代课题［3］。数字图像处理作为一门综合性交叉边缘学科，理论性和实践性都很强，是我校交通运输工程专业的一门重要专业课程。课程包括理论讲解和实验指导，在思想政治育人方面具有很大的优势。首先，数字图像处理技术与人工智能关系密切，新形势下在许多领域得到广泛应用，也与国家“高精尖”技术的战略发展高度契合［4-5］。在理论知识点中挖掘思政元素，并从头到尾贯穿于课堂教学内容中，能引导学生增强民族自信与国家情怀；在实验指导中融入思政元素，不仅培养学生科学、严谨的实验态度，还有利于培养创新精神、团队合作精神、社会责任感及工匠精神［6-7］。因此，本文从德融教学设计和教学实施两个关键环节探讨“数字图像处理”课程思政的实践。

一、德融教学设计

（一）德融教学总体设计

德融教学充分发挥课堂主渠道作用。教师可以在PPT中，将数字图像处理理论或算法的PPT图片替换为涉及思想政治育人的图片，将思政元素融入课程的细微处，起到润物细无声的效果。如在讲解图像降噪时选用全民战“疫”的图片替换习惯上的Lena头像，在《位平面分解》章节中将常用的美元图片替换为中国名胜古迹或古代文物照片，而在《图像增强》章节，选用中国载人航天神州飞船相关照片等。

德融教学设计的总体思想是：以专业课程教学为基本载体，从科学本源、求真出发，避免喧宾夺主，将德育和智育结合自然，通过案例式、启发式教学，激发学生对所学专业的自豪感和对中国交通工程的使命感，增强对行业领域的发展信心，从而形成自主学习的学习动力。具体落脚点与对应的切入方法主要有三类，主要包括以下三个层次教学设计。

1.在《绪论》章节，总体概括专业发展和课程地位，介绍算法提出时的不凡经历等，引导学生树立合适的专业目标，提升专业素养，增强科技自信。

2.在理论教学环节中，从科学本源出发，将算法原理本身所隐含的哲学道理，由科学上升到哲学，有理有据，自然结合融入德育，完成专业课程传授知识培养能力与思想政治教育的双重功能。

3.在实验教学环节中，不仅要锻炼学生的实验动手能力，而且要坚持实事求是和严谨认真的态度，引导学生乐于观察，善于思考，在不断分析问题解决问题中培养严谨专注和精益求精的大国工匠精神。

根据以上设计思想，德融教学的具体内容如表1所示。

（二）德融教学设计案例

1.《绪论》章节课程思政设计。本章知识点包括数字图像处理发展史、发展现状及相关技术领域的前沿动态，举例说明数字图像处理的技术需求在本领域的体现。

德融教学过程在讲述数字图像处理发展现状与应用实例时，把应用实例分成正反两方面：（1）正面应用实例着重介绍数字图像处理在智能交通运输工程的重要的地位，尤其在航空航天、轨道等领域；图像处理技术结合计算机视觉、模式识别等人工智技术，举例说明数字图像处理技术实现对车辆、航空器的检测，以及裂纹的检测与识别、自动跟踪的应用现状。（2）反面应用实例介绍数字图像技术对影像真实性产生的重大影响及随之出现的法律伦理问题。如《洛杉矶时报》的著名摄影记者布莱恩·沃尔斯基对伊拉克前线新闻照片进行篡改，成为数字时代拷问新闻摄影德底线的一个符号。又如方便快捷的人脸识别系统同时也带来诸多新的安全风险，有不法分子利用该技术，现场“换脸”破解“刷脸登录”认证系统，从事不法活动。

通过上述正反两方面的实例，让学生明白科学技术本身并没有好坏属性，科技创新是一把双刃剑，学生不仅要专注于学习专业知识和技能，还要掌握正确的科技创新方向，从而树立正确的专业学习目标。

2.数字图像的频域变换教学思政设计。该知识点主要讲授图像的傅里叶变换原理和性质，以及图像的频谱分析和频域滤波方法。德融教学主要包括两点：（1）简要介绍频域变换中傅里叶变换方法的来龙去脉，傅里叶最初提出其理论时，遭到很多权威专家包括拉格朗日、拉普拉斯等数学大咖的反对，直到百年后傅里叶论著才被重视起来。以此事例引导学生在科研探索的过程中不要迷信权威， 同时要不惧怕犯错，科学的本质就是在不断地自我否定中前进。（2）在学习傅里叶变换原理的过程中，通过微课演示让学生理解图像频谱的物理意义。提出问题并讨论：同一幅图像，分别从空域角度、频域角度观察，其图像各蕴含什么不同信息？一频域图像保留其近中心的点，去除高频点，对比该频域图像保留远离中心的点，去除中心的幅度，其内容会发生什么变化？究竟是什么在影响人的视觉判断？通过如上阶梯式的分析，可以使学生掌握图像空域和频域的分析方法，融入多角度全面看待问题的哲学原理，引导学生领悟只有全面甚至是动态地分析问题或看待事物，才能看清问题或事物的本质。

3.图像复原教学思政设计。该知识点包括图像复原的基本概念、原理及建立图像退化模型。具体方法是学习基于暗通道先验的图像去雾算法。

图像去雾在多个领域有很大的需求。在教学过程中教师可以从无人驾驶、智能交通工程实际应用的需求出发启发学生思考：用已经学过的算法用于解决图像去雾在实时性及有效性上有什么问题？然后引出何恺明提出的基于暗通道先验的图像去雾处理算法的动机、过程及算法原理。德融教学包括两点：（1）介绍何恺明是中国CV领域年轻翘楚，其提出的暗通道先验的图像去雾算法是该领域的经典算法，现已成为图像处理类App的标配，同时何恺明提出了简单强大的自监督学习方案MAE。正是由于算法作者具有稳定而刻苦的品格，不断挑战困难，为学术界带来一个又一个重磅的研究成果，从而引导学生勇于挑战、赶超学术前沿。（2）讲述算法原理时让学生体会到该算法模型相较于其他算法的优势：虽形式上很简洁，但对于很困难的实际问题能给出很好的结果。借此讲明大道至简的哲学思想，最有价值的道理其实是最朴素的道理。鼓励学生学会把复杂变简单，用智慧创造简单，在变迁中不断地升华。

4.数字图像处理实训教学思政设计。本教学以互动式课题研讨模式为主，引导学生分组完成一个完整的图像处理实例，包括提出问题、算法设计和编程实现。在此过程中，培养学生实事求是的精神、团队意识和创新精神。

德融教学过程围绕“智能交通工程”主题。首先，介绍该主题响应“交通强国战略”号召的背景。目前国内外积极加强交通运输工程与安全、信息、人工智能等学科交叉融合，并探索“智能+交通运输”。图像处理技术是智能交通工程的重要前沿研究领域，具有十分重要的理论意义和应用价值。例如在智能交通管理领域，交通场景图像分割结果的好坏直接影响了道路、车辆、车牌及交通标志等目标的检测和识别。又如对轨道交通或飞行器结构的红外、超声探伤等无损检测图像进行处理，能够分割出缺陷，自动实现损伤判断、故障诊断。其次，介绍该课题相关研究现状、关键技术、制约瓶颈。最后，要求学生集思广益，参阅相关文献资料，提出可行性见解并逐步明确思路，最终找到能够实现体现“智能交通工程”的主题，并自发分组建立团队，合作完成“定题—设计算法方案—编程实现—整理报告和PPT讲解”的整个过程。如此以学生为主体、以教师为辅助的课题驱动和合作研究的方式，通过具体的、实践性较强的工程项目设计课程思政案例，不仅使学生在自学、互学或研讨中发挥积极能动性与团队合作性，锻炼学生的科学研究能力，同时也在潜移默化中，树立科技强国和创新意识，培养学生勇于挑战行业难点、勇攀科技高峰的精神。

二、德融教学实施

（一）多源驱动教学方法建设

根据“数字图像处理”课程特点和创新型人才培养要求，德融教学的实施确定“学生主动学习为主，教师指导为辅”的创新型研究生人才培养模式，构建将专题讲座驱动、案例驱动、项目驱动相结合的多源驱动教学方法和考核方法。

1.专题讲座驱动。针对重要知识点建立“实景案例切入—算法提炼—复杂算法分解—系统设计和实现”教学模式，由课本实例向融入实景和思政元素进行改革，引导教学知识模块有机整合，实现案例和模块化教学结合。利用案例式、以问题为导向的启发式、项目设计等教学方式，启发学生主动思考。

2.案例驱动。将“强国有我”等思政元素融入课程，以“智能交通运输工程”为内在动力、“翻转课堂和评价驱动”为外在动力，在“数字图像处理”教学中融合翻转课堂和实际应用案例驱动，鼓励学生自主选题、自主设计项目，激励学生自主学习。

3.项目驱动。从国家“新一代人工智能”领域对数字图像处理的高要求出发，设计课内实验，通过分析图像增强、图像修复、图像识别等工程项目的实例教学，让学生通过实验操作、案例设计、分工协作、案例汇报、实际操作等过程，培养创新能力，以及不畏艰难、刻苦钻研的精神，并培养团队的协作能力，塑造大国工匠素养。

4.建立与课程思政相适应的考核体系。增加课程思政表现考核分，重点考核学生在掌握专业知识技能的过程中，是否树立正确的价值观、世界观和人生观（例如，以课堂案例讨论、心得体会讨论等形式体现），并计入学科成绩。

（二）线上线下混合式教学模式建设

课程立足于立德树人的学习目标，采用“任务驱动+问题讨论及热点思政+技术提炼及项目合作+实际操练及多角度互评+持续改进”相结合的线上线下混合式教学方法，既充分发挥线下教学即传统课堂教学中理论讲授法、案例法、讨论法等教学方式的优势，也积极运用线上教学中在线答疑、课堂实时互动等教学方式的优势，综合、灵活使用各种教学方式，以提升学生的学习获得感，同时契合“停课不停教、停课不停学”的新要求。线上线下混合式教学模式如图3所示。

图3 线上线下混合式教学模式示意图

线上线下混合式教学平台拟选用：（1）超星系统：教师建设并发布自录授课视频、电子图书、PPT课件、授课计划、教学案例、阅读材料教学大纲等教学资源，用于线上讨论、发布任务，方便教师了解学生自主学习的情况；学生通过观看授课视频，预习知识点和进行项目设计等。（2）腾讯课堂：用于直播答疑、热点讨论、翻转课堂等。

三、教学效果

通过学生反馈，“数字图像处理”课程思政教育取得了较好的教学效果。

第一，新工科素养见长。在专业课学习上，相比于以往学生主要关注知识本身，现在学生能找到学以致用的方向，开拓跨专业交叉融合的视野，目标更加明确，学习也更有动力。

第二，学生的使命感、责任感增强。翻转课堂及课程实践过程均能看出学生关注社会需要、服务人民福祉、呵护生活环境的人文情怀，多数学生表示，将以自己所学承担社会责任从而实现自我价值。

第三，学生学习过程中进行了更多的思考，并懂得从事物的本质出发，发现科学原理中的哲学意义。