面向新工科建設的儀器類專業數字圖像處理課程思政教學案例設計與探索

祝世平 周富強 高碩 魏新國

摘? 要：該文面向新工科建設的“復旦共識”“北京指南”“天大行動”，圍繞“新工科建設”和“課程思政育人”兩大目標，推進儀器類專業課程思政建設，把思想政治教育貫穿到人才培養體系的全過程，引導學生自尊、自信、自立和自強，強化學生“儀器報國、儀器強國”的使命擔當，厚植家國情懷，培養擔當民族復興大任的時代新人。同時探討結合學校的辦學定位、專業特色、人才培養要求，探索課程思政教學與知識教學的有機統一。針對面向儀器類本科生開設的數字圖像處理課程，從教學大綱、教案、教材等方面整理補充和儀器儀表行業相關的思政教育元素，設計題材新穎、具有時代特色的儀器類思政教學案例，實現具有“專業知識-思政育人-空天報國-敢為人先”特色的課程思政育人目標，進一步落實課程思政“立德樹人成效”根本標準的具體化和可操作化。

關鍵詞：新工科;課程思政;儀器類專業;數字圖像處理;思政教學案例設計

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）S2-0039-05

Abstract： This article focuses on the "Fudan Consensus"， "Beijing Guidelines"， and "Tianda Action" for the construction of New Engineering， and revolves around the two major goals of "New Engineering Construction" and "Curriculum Ideological and Political Education" to promote the ideological and political construction of instrument related courses. It integrates ideological and political education into the entire process of talent cultivation system， guides students' self-esteem， confidence， self-reliance， and self-improvement， and strengthens their mission of "serving the country with instruments" and strengthening the country with instruments， cultivates a strong sense of patriotism and new generations who take on the responsibility of national rejuvenation. At the same time， it explores the organic unity of ideological and political education and knowledge teaching in the curriculum， combining the university's educational positioning， professional characteristics， and talent cultivation requirements. In response to the Digital Image Processing course for undergraduate students majoring in instruments， we have organized and supplemented ideological and political education elements related to the instrument industry from the aspects of teaching syllabus， lesson plans， textbooks， etc. We have designed innovative and contemporary ideological and political education cases for instruments， achieving the goal of ideological and political education with the characteristics of "professional knowledge， ideological and political education， serving the country in the sky， and daring to be the first"， further implement the concretization and operability of the fundamental standard of "cultivating morality and cultivating effectiveness" in the ideological and political education curriculum.

Keywords： new engineering; curriculum ideological and political education; instrument major; Digital Image Processing; case design of ideological and political education

2017年的“復旦共識”[1]和“北京指南”[2]，以及2019年的“天大行動”[3]，提出了新工科建設的總體思路和建設方針，倡導以服務國家重大需求為己任，突破核心關鍵技術，解決“卡脖子”等關鍵問題，迫切需要培養大批面向新工科的創新型工程科技人才。當前國家統籌推進“雙一流”建設，為加快建設和發展新工科奠定了良好基礎。

全面推進課程思政建設，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中[4]，同時傳承北航“空天報國、敢為人先”的紅色基因和價值追求，緊密圍繞國家和社會發展需求，結合學科專業定位和特色，需要將思政育人貫穿到本科教育的各個環節[5]，起到和專業教育相互補充、互相促進的作用，將成為今后本科生課程建設和本科生培養全過程中一個非常重要的環節，已經得到了廣泛的重視并提出了許多改進和提高的建設舉措[6-8]。

通過課程思政建設的有效貫徹執行，使同學們著眼于國際學術前沿和國家重大需求，致力于解決理論與實際問題，尤其是破解“卡脖子”“卡腦子”等核心關鍵問題，使同學們善于學習新知識、新技術、新理論，努力成為具有高水平創新能力的卓越人才。

一? 數字圖像處理課程思政改革總體路線設計

面向北京航空航天大學國家級一流本科專業“測控技術與儀器”培養計劃中的核心專業課——數字圖像處理（以下簡稱“本課程”）的課程思政建設，本文主要在思政教學案例的設計上進行了探索[9-10]。本課程的課程思政教學整體設計從以下三個方面考慮。

第一，探討本課程在思政改革中的優勢，在互聯網上收集整理與課程思政相關的各種圖像、視頻等相關資源，以及與課程思政相關的各種教學案例。

第二，從教學管理、教師自身、教學方法等方面探討思政元素與課程內容融入的有效路徑。

第三，結合思政教育，改進教學方法。根據本課程的特點，將思政元素貫穿到絕大部分章節中，但每次體現思政元素的語言時間不占用過多的時間，涉及思政元素內容可放在PPT課件中。

二? 面向儀器類專業數字圖像處理課程思政案例設計

如圖1所示，本文列舉出三個面向儀器類專業數字圖像處理課程思政案例的設計思路和具體內容。包括圖像和視頻顯著性應用于“碳減排”和“碳中和”及“儀器報國、儀器強國”與數字圖像處理的緊密聯系、CCD成像原理及其在衛星對月面成像中的應用三個典型案例。

（一）? 圖像和視頻顯著性應用于“碳減排”和“碳中和”

如圖2所示， 結合任課教師的研究方向和課題，講解圖像顯著性和視頻顯著性的基礎理論和最新的基于深度學習的檢測算法，使同學們了解到雖然圖像和視頻的數據量巨大，但是可以通過顯著性檢測提取到其中的關鍵物體或者區域，從而減少計算數據量。

進而拓展講解到在人工智能科學研究中，同樣需要抓住問題的主要矛盾，減少算力的耗費，為“碳減排”“碳中和”作出自己力所能及的貢獻。

（二）? “儀器報國、儀器強國”與數字圖像處理的緊密聯系

1? 本案例教學目標

通過“儀器報國、儀器強國”與數字圖像處理的緊密聯系，串聯起所講授的各個知識點，使同學們了解所學的各個知識點在科學儀器中的用途。

如圖3所示，面向儀器類專業的數字圖像處理課程思政改革，將課程思政與儀器儀表行業在科技發展中的重要作用與重大貢獻緊密結合起來，彰顯了“儀器報國、儀器強國”與數字圖像處理的緊密聯系。

2? 本案例的教學意義

本案例的意義在于通過“儀器報國、儀器強國”與數字圖像處理的緊密聯系，串聯起所講授的各個知識點，使同學們了解所學的各個知識點在科學儀器中的用途。通過科學儀器中所涉及的數字圖像處理的知識和應用，來改進和完善教學方法與教學設計，同時也使同學們更加熱愛本專業的科研工作，增加對本專業的認可度。

3? 本案例的教學方法

本案例所對應的知識點包括數字圖像處理基礎、灰度變換與空間濾波、頻率域濾波、圖像復原與重建、圖像分割、表示與描述和目標識別。

在第一講“緒論”中，首先講授數字圖像處理的基本概念、基礎知識、基本原理，介紹數字圖像處理技術在現代科學儀器中的廣泛應用案例，這樣使同學們通過這些生動的案例對科學儀器及其重要作用產生濃厚的興趣，進而對本課程產生濃厚的學習興趣和學習積極性。

4? 本案例的創新點

創新點在于課程每年都緊跟科學儀器與數字圖像處理的最新研究和技術發展現狀，不斷及時更新講義和課件，例如每年都將最新的諾貝爾獎中所涉及的科學儀器中的原理分享給同學們，使同學們站在科學的最高峰，了解科學儀器對于科學研究、生產建設、經濟民生的重要性，這樣增強了講課內容的時效性，也增加了講課內容的實用性，使同學們對于所學習到的知識能夠聯想到其實際的用途，對于知識的靈活運用能力也得到了大幅提高。

5? 本案例的教學設計

1）首先介紹什么是數字圖像處理，并給出基本概念的鋪墊：①電磁波譜及其視覺波段;②成像機器的定義及其成像機理;③數字圖像處理涉及很寬泛的各種各樣的應用領域。

2）重點介紹醫學圖像處理的原理及其所包含的2項諾貝爾獎的基礎前沿成果：首先在課堂上詳細介紹20世紀70年代發明的計算機軸向斷層術（CT）的成像原理，同時引出CT的工作原理所依賴的2項諾貝爾獎：亨斯菲爾德因CT斷層攝影術獲得了1979年的諾貝爾醫學獎，倫琴因發現X射線獲得了1901年的諾貝爾物理學獎，使同學們了解到高端科學儀器所依賴的是前人最基礎前沿的研究成果及2項偉大的發明。

3）給出基于CT的醫學圖像處理的實例，首先展示頭部CT的一幅圖像。通過這些圖像處理的實例，可以開拓思路，拓寬知識面和應用范圍，給同學們以更多的啟發。

每幅CT圖像都是垂直穿過人體的一個“切片”，通過這些“切片”圖像可以重建出人體內部的三維圖。其縱向分辨率與切片數量成正比。作為示例，給出了通過人體頭部的多個切片組成的三維空間，使同學們有一個形象化的了解和認識。同時使同學們對于在科學研究中的微觀與宏觀、局部與整體的辯證關系有了一個形象化的理解，引導同學們在今后的科研工作中從微觀到宏觀、從局部到整體辯證地看問題，對科學問題的本質有一個更為深入和全面的認識。

作為CT原始圖像的進一步處理，給出了基于CT掃描數據的肺部支氣管血管解剖結構的三維可視化。這樣就引出了在本課程中，同學們學習到的圖像處理知識的實際應用，就是將CT切片圖像進行三維可視化，這樣的圖像處理任務非常直觀和有趣，大大提升了同學們的學習興趣。同時給同學們介紹，數據三維可視化在科學研究和儀器測量數據處理當中的重要性，使同學們了解對于科學數據的外在表達和內在機理之間的緊密聯系。

4）介紹我國在醫學科學儀器領域的現狀和不足，我國目前很多的高端醫學儀器還依賴于進口，屬于國家目前急需解決的“卡脖子”問題，以此激勵同學們把國家最需要的作為自己所追求和奮斗努力的目標，努力做到“儀器報國、儀器強國”，努力學習好數字圖像處理這門課程，將來在實際工作中為我國的高端醫學影像和診療儀器的發展作出自己切實的貢獻。

5）介紹我國醫學圖像處理領域的旗艦企業——上海聯影醫療科技股份有限公司，2021年聯影首次在高端醫療儀器行業榮獲國家科學技術進步一等獎，通過介紹使同學們增強對于民族企業所取得成就的自豪感，也激勵同學們將來不畏困難，堅定民族自信，秉持文化自信、科技創新、儀器報國的使命感和責任感，肩負起推動中國醫療儀器裝備乃至儀器儀表行業創新與發展的使命和擔當，為實現“儀器報國、儀器強國”貢獻自己的一份力量。

（三）? CCD成像原理及其在衛星對月面成像中的應用

1? 本案例教學目標

如圖4所示，在數字圖像處理課程的本案例教學中，首先給同學們介紹CCD電荷耦合器件的成像原理，然后給同學們介紹“嫦娥一號”利用三線陣CCD立體相機對月面進行三維立體成像的原理，同時介紹王任享院士首次提出三線陣立體成像理論，解決核心關鍵技術問題，勇攀世界科技高峰，使中國衛星攝影測量躋身于世界先進國家行列的事跡。

2? 本案例的教學意義

首先介紹CCD電荷耦合器件的成像原理，講述半導體芯片的基本工作原理，線陣CCD和面陣CCD的工作原理，以及CCD電荷耦合器件獲得2009年諾貝爾物理學獎的故事。然后介紹“嫦娥一號”對月面成像所采用的我國首次提出的三線陣CCD立體相機的工作原理，該設計思想已被采用于中國無地面控制點衛星攝影測量工程設計中。

3? 本案例的創新點

創新點在于將CCD電荷耦合器件背后所蘊含的諾貝爾物理學獎的基礎理論知識與勇于創新、敢為人先、航天報國的愛國主義精神相結合，使同學們立志把國家的重大需求作為個人的使命與擔當，努力學習好各門課程，將來更好地報效祖國。

4? 本案例的教學設計

本案例教學的實施過程如下。

1）首先介紹CCD電荷耦合器件的工作原理：2009年，兩位美國科學家博伊爾和史密斯由于在1969年發明了CCD（Charge Coupled Device）電荷耦合器件圖像傳感器共同獲得了諾貝爾物理學獎。

2）然后介紹CCD電荷耦合器件成像傳感器在航空航天方面的應用——“嫦娥一號”衛星月球表面三維地形的獲取。

常規的航空航天對地攝影只獲取正視（星下點）二維圖像，而要獲得立體圖像，通常需要用三臺線陣相機。嫦娥一號上的中科院西安光機所CCD立體相機采用了一個廣角物鏡和1 024×1 024面陣CCD的獨特設計，實現了上述功能。最終利用對月面同一目標進行三次掃描拍攝獲得的三幅圖像來計算得到月面的模擬三維地形圖。

3）關于CCD三線陣立體相機對于月面地貌三維成像的原理，向同學們推薦了王任享院士的專著《三線陣CCD影像衛星攝影測量原理》，鼓勵同學們在課后借閱，并仔細研究其中的數學推導和測量原理。

5? 案例教學效果及反思

通過本次課的介紹，使同學們了解到數字圖像處理所依托的最前端的半導體芯片——CCD電荷耦合器件是獲得諾貝爾物理學獎的偉大發明，使同學們進一步了解到半導體芯片這個關鍵技術對于數字圖像處理同樣是最基礎和最重要的底層核心技術。這樣就使同學們進一步了解到基礎研究的重要性，只有在基礎研究上取得了突破，才能在實際中得到廣泛的應用，才能產生獲得巨大經濟效益的偉大發明。

同時，通過介紹CCD器件、數字圖像處理知識、三線陣CCD立體相機成像原理在“嫦娥一號”上的具體應用，使同學們為我國在衛星遙感事業上取得的巨大成就而備受鼓舞和激勵，也進一步增強了同學們學好本課程的興趣和動力。本案例在教學時做到了基礎前沿理論引入、本課程的知識傳授、科技創新、航天報國和課程思政育人的有機統一。

三? 項目探索建立了科學的課程思政育人考核和評價機制

本課程思政考評機制可以分為評學和評教兩個方面。課程思政評學是指教師對學生的思政學習效果進行考核，思政評學情況納入學生平時成績的考核。

本課程思政評教是指將課程思政作為考核專業課教師教學水平和教學改革成效的內容之一，學生們可以通過課堂“紙飛機”向老師提出評教和建議。

四? 結束語

本文介紹了面向新工科建設儀器類核心專業課“數字圖像處理”中的三個思政教學案例：圖像和視頻顯著性應用于“碳減排”和“碳中和”，引導同學們在科學研究工作中，抓住問題的主要矛盾，減少算力的耗費，為“碳減排”“碳中和”作出貢獻。

介紹了“醫學圖像處理儀器——計算機斷層掃描儀（CT）”的基本工作原理及其所依托的2項諾貝爾獎的基礎前沿的科研成果，引導學生們了解我們對已有的科學文化知識和基礎前沿理論知識的應用和創新。通過介紹聯影醫療的創業故事和在民族高端醫療儀器設備領域所取得的成就及解決“卡脖子”問題的突出貢獻，體現了自強不息的奮斗精神和中華民族的智慧。

同時介紹了CCD電荷耦合器件及其所獲得的諾貝爾物理學獎的故事，CCD成像原理及其在衛星對月面成像應用中所體現出來的勇于創新、敢為人先的航天報國精神，進一步激發同學們學習數字圖像處理課程的積極性，以及將來將圖像處理用于航天報國的遠大理想。

我們擁有寬闊的胸懷，勇于博采眾長，這一切源于我們的文化自信，只有對自己的文化有堅定的信心，就能鼓起奮發進取的勇氣，煥發出不斷創新創造的動力和活力。

參考文獻：

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基金項目：北京航空航天大學2022年校級教學改革項目“新工科背景下《數字圖像處理》課程建設舉措探索”（無編號）;北京航空航天大學2023年校級教學改革重點項目“《數字圖像處理》多維協同課程團隊建設-2023年校級基層教學組織試點”（無編號）;北京航空航天大學2021年校級教學改革重點項目“《數字圖像處理》課程立體化教學改革與實踐”（無編號）;北京航空航天大學2021年校級教學改革項目“以《數字圖像處理》課程為核心的多方位本科生思政育人探索”（無編號）;北京航空航天大學一流本科課程建設項目（校級線下一流課程）（無編號）;北京航空航天大學2021年校級教學改革項目“電路分析課程中科研融合教學模式的探索”（無編號）

第一作者簡介：祝世平（1970-），男，漢族，河北深澤人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為圖像處理和計算機視覺。