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摘要：科教融合是强化高校科研育人，激发学生专业学习兴趣的有效途径。论文以《计算机图像处理》课程为例，从课程案例选取和设计、教学环节的设置、课程实验平台建设和课程考核制度四个方面对基于科教融合的课程改革进行了研究。
关键词：科教融合；图像处理；课程改革；实验平台
本文引用格式：郭永芳,黄凯,彭玉青.基于科教融合理念的“计算机图像处理”课程建设研究[J].教育现代化,2020,7(40):112-115.
Course Construction Research of"Computer Image Processing"Based on Science and Education Integration Concept
GUO Yong-fang 1,HUANG Kai 2,PENG Yu-qing 1
(1.College of Artificial Intelligence and Data Science,Hebei University of Technology,Tianjin;2.Electrical Engineering College,Hebei University of Technology,Tianjin)
ABSTRACT：Science and education integration is an effective way to strengthen scientific research and education in colleges and universities,and stimulate professional learning interest of students.With example of computer image processing course,this paper studies course reform based on science and education integration from four aspects:selection and design of course cases,teaching links setting,construction of course experiment platform and assessment system.
KEY WORDS：Science and education integration;Image processing;Course reform;Experimental platform
2019年10月8日教育部发布的《关于深化本科教育教学改革全面提升人才培养质量的意见》中指出要强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣，加强对学生科研活动的指导，支持学生早进课题、早进实验室、早进团队，以高水平科学研究提高学生创新和实践能力。
高校人才培养、科学研究、社会服务这三个功能中，人才培养是核心与根基，也是高校区别于其他组织的最本质职能[1]。通过教育教学实现知识传播，通过科学研究推进新知识创新和产生，始终是大学最核心的功能。法国最早提出“教学与科研相统一”的科教融合理念，体现了欧洲大学对培养创新人才的要求。最早在实践中贯彻该思想的是十九世纪初的柏林大学，其在创立之初就坚持“教学基于科研，科研包容并服务于教学”[2]。国内外关于科教融合的研究涉及很多方面，这对实施科教融合提供了很大的帮助。然而，仍存在以下问题：①关于科教融合理念的探索，国内研究较少，未形成成熟的理论；②目前高校存在人才培养目标单一化，培养方案的课程体系建设不科学、科教融合理念和制度保障的实质性落地加强等问题[3]；③高校存在“重科研、轻教学”的现象，不利于学生创新能力的培养。因此，如何有效进行科教融合，提高学生创新和实践能力是高校教学改革的重要研究内容。
一 科教融合理念解析
科研与教学融合的最初提出是在19世纪初，这一理念最初是在德国开始的。其提出的重点在于纯科学和教学的结合，只有这样才能培育出一批具有科研精神的学者。这一理念的提出促进了德国诸多大学开始改革，提升人才培养的创新性。而随着德国的创新应用，其他国家纷纷开始效仿，在19世纪后期开始在全世界得到了推广，欧美学校纷纷开始应用这一原则，并且实际取得了突出的效果。但是，经过一段时间发展之后发现，大学科研在学校中的重视地位得到了全面的提升，但是学校教育却没有跟随相应的步伐，这就导致高等教育与科研出现了分离的状态。深入分析发现，进入20世纪之后，科学技术飞速发展，而这一时期对科技人才需求也呈现出激增的状态。这样，一般的大学如果向以往只进行纯科学的研究，无法培养全面性的科学人才，无法适应社会发展需求，出现了诸多矛盾。同时。大学随着时代和社会的发展，已经成为经济和社会以及文化相互联系的必然平台，而大学能够顺应时代和社会发展需求则是重点之一。如果还是延续以往的单纯传授知识，无法实现科教的深入融合必然会导致大学本身价值的失去。
因此，在进入到21世纪，大学本科教育中，注重科学理论的深入研究和先进科学技术的创新应用。这一时期，人们认识到大学科教融合不再是像学生传授科学知识，而重点在于提升学生的科研操作能力和创新能力，培养综合性的、应用型的、高素质的大学人才。
基于以上分析，计算机图像处理课程教学作为新时期科学技术发展的重要体现课程之一，在现今发展理念下，深入创新发展科教融合理念，通过本课程培养应用型人才具有非常重要的现实意义。
二 计算机图像处理课程性质和特点
《计算机图像处理》属于专业模块课。研究内容主要涉及数学、物理学、计算机科学、电子学等多个学科，与人工智能、模式识别和计算机视觉等多学科有密切关系。设置课程的目的是使学习者在全面了解数字图像处理技术的历史、现状与发展趋势的基础上，系统掌握从事数字图形处理工作的理论、方法、技术，具备在数字图像处理系统应用、开发或科研方面的实际技能，从而胜任计算机图像处理以及其它信号处理系统的应用与开发方面的工作[4]。《计算机图像处理》课程教学目标根据不同层次分为知识目标、能力目标和情感目标，具体如下：
知识目标：了解数字图像处理基本概念；掌握计算机图像处理图像频域和空域增强的方法；了解图像复原的过程；掌握图像编码的原理和常用方法；能够对图像进行分割，并提取边缘作为特征进行简要分析。
能力目标：启发学生用数学问题解决图像处理中的问题，提高学生分析问题和解决问题的能力，引导学生编程实现部分图像处理基础方法，提高学生程序设计和实现的能力。
情感目标：引导学生运用专业知识解决实际问题，并尝试改进，激发学生专业兴趣，培养创新意识。
三 科教融合理念下课程改革实践
《计算机图像处理》本质上是一门将数学算法应用于图像以解决工程问题的课程，是一门理论与实践紧密结合的专业课程，长期以来，多数高校的此课程授课一直采用传统的讲授方式，教师按原理、算法、处理效果等顺序按部就班地讲述，导致学生面对实际问题时，经常束手无策，缺乏分析问题、设计方案并解决问题的能力[5]。因此，在本科阶段将教师科研过程融合到《计算机图像处理》教学过程中，培养学生以数学思维解决工程问题，培养学生科研兴趣和创新能力是非常可行和有意义的。
（一）课程案例的选取和设计
科教案例的选取和设计是科教融合的重点内容之一，所筛选的案例应紧扣教学目标，能够体现相关教学内容，且能够激发学生专业学习兴趣。我校《计算机图像处理》课程，主要讲授一些基础算法，而就算法而言，教师的最新科研项目和科研论文都是在基础算法之上改进的复杂算法以及对这些复杂算法的深入分析，不易直接引入到教学中，需对其进行设计，使其适合本科生学习基础和科研基础。例如，采用科研项目中的一个研究内容-盲道识别形成案例-二值图像形状处理和特征分析。首先利用项目导入的方式，比如说我国及全世界目前盲人和弱视的人越来越多，而目前导盲技术不够发达且价格昂贵，利用图像处理的方法获取盲道信息进而指导盲人出行具有重要的应用价值。将项目或工程引入到教学中，能够激发学生的学习兴趣。简要指明目前该项目如何利用图像的方式解决盲道识别问题，激发学生专业自豪感，能够学以致用；最后将其简化为与课程目标匹配的内容-对盲道中涉及的长方形、圆形进行分割和特征描述。
（二）教学环节的设置
《关于深化本科教育教学改革全面提升人才培养质量的意见》中还指出要激励学生刻苦学习，要提升学业挑战度，引导学生多读书、深思考、善提问、勤实践。基于此，为了实现教学目标，《计算机图像处理》课程组老师将课程案例内容细分，设置多个教学环节，如图1所示：
图中，各环节环环相扣，逐步加深。仍旧以上述案例为例进行说明，首先通过基于图像的盲道识别引入案例，引发学生学习兴趣；然后学生讨论如何区别盲道，引导学生从最基本的条件考虑，区分圆形和长方形等几种常见形状，并讨论过程；教师讲授涉及到的算法原理，如图像分割、二值化、边缘跟踪、链码等；学生根据算法原理，进行程序设计和实现；根据结果，和教师一同分析算法的优点和缺点；课后，学生分组并从图像分割算法、自动阈值优化算法、区域特征相关算法三个模块中选择其中一个模块，进行相应的文献阅读和程序编写，最后撰写报告并以报告形式和同学们进行交流；交流过程中，教师引导学生如何用科研的思维分析科学和工程问题，引导学生发现问题、提出问题和解决问题，培养学生创新能力。
（三）课程实验平台的建设
程序设计和实现是深入理解图像算法的有效途径之一，且编程也是计算机相关学科的特色之一，利用程序实现算法，既能增长学生专业学习兴趣，又能增强专业自信心。本课程已建设完成计算机图像处理实验平台，里面分章节实现了各种基础算法，便于课堂讲授时学生直观了解算法的结果和分析算法的优缺点。
为了调动学生积极性，计算机图像处理实验平台提供了可扩展接口，可以引入学生自己编写的程序及程序说明文件。此外，值得一提的是，程序设计以及良好的编程习惯对学生深入掌握算法原理及将来从事科研工作是非常重要和有意义的。针对程序设计和实现的重要性，对学生进行了问卷调查统计，能够正确实现算法的同学基本都认为算法实现后能够更深入了解算法原理，尤其是编程过程中由于算法掌握不细致或不正确从而编程出现逻辑错误的同学反映逻辑修正能促进熟知算法原理。
（四）课程考核制度改革
合理的课程考核制度，也是激发学生学习热情和掌握学生学习情况的有效途径之一。科教融合注重科研育人，培养学生自学能力和创新能力，因此在课程考核中也要有相应的指标对科教融合效果进行考核。
综合考虑教师组教师讨论及学生调查问卷结果，计算机图像处理课程最终成绩由四部分组成，考试成绩占50%，平时成绩占40%，教师测评占6%，学生测评占4%。考试成绩指期末试卷成绩，试卷由基础题，综合题和能力题组成。平时成绩主要涉及平时作业、平时测试、文献阅读、文献汇报和课程论文。教师测评主要是教师对每次小组汇报针对小组给出成绩，并针对小组成员的贡献程度给出每个学生成绩占比。学生测评主要是针对学生对小组汇报的情况给出成绩等级ABCD，对同组同学根据贡献程度给出成绩占比。此外，教师测评和学生测评还要参考学生向计算机图像处理实验平台提供的程序情况。
四 科教融合理念下计算机图像处理课程建设价值分析
（一）在于应用型人才的培养
我国在权利向着建设世界一流高校的过程中，对大学教育提出了全新的要求。其中培养应用型人才是大学教育创新改革的重要方向。而在科教融合理念的引导下，计算机图像处理课程在培养应用型人才过程中，不但注重人才的培养最终掌握良好的计算机图像处理技术，而且能够具有一定的科研创新能力。现代化的科教融合不再是单纯的纯科学知识的传输，而是注重学生科学实践操作能力和实验技术水平的提升。科教融合于计算机图像处理课程而言，就是在掌握最新的科学技术和科学操作方式下，对计算机图像处理课程实现深入的学习，在学习中领会科技魅力，在科学领悟中提升专业能力。此外，对于计算机图像处理课程本身来讲，其设置和和出现的初衷就在于促使学生掌握良好的计算机图像处理技术。简言之，科教融合理念下计算机图像处理课程建设不仅是顺应大趋势发展的过程，更是课程本身的要求。
（二）在于培养学生的创新意识
现代化信息技术的快速发展，给人才培养提出了一个全新的要求即创新，而且无论是对国家层面还是社会层面上来讲，只有保持高效的创新精神，才能够真正在社会经济发展中占据优势。且知识经济发展下，计算机信息技术发展日新月异，计算机图像处理课程作为计算机技术的重要展现，在学习中更应该掌握创新的主动权，形成积极的创新精神。科教融合理念下，计算机图像处理课程建设重点在于教师带领学生进行科研、学校通过项目引进组织科研、学生自发选择项目进行科研等多种途径。科研的本身目的在于创新研发出一种全新的技术、全新的理念。在科研的过程中，遇到真实的问题，给学生学习带来思想上的碰撞，激发出创新的火花，促使学生在科研过程中发现问题、解决问题，实现创新。这一方面而言，对于计算机课程建设而言，要求学生掌握计算机课程基本处理方法之后，必须从事相关的计算机图像处理科研活动。大学作出硬性规定下，积极引导、科学调整，提升学生的创新参与能力，培养创新意识。
（三）调动学生的科研主动性
科教融合理念现今已经成为大学教学工作进行的全新理念之一，并且长期发展取得了突出的效果。科教融合理念逐渐渗透到大学教育教学的各个环节中，并且与传统的教学理念和教学模式有着明确的区分。科教融合理念重点在于学生敢于质疑、敢于批判、激发学生问题解决的主动性和积极性。就计算机图像处理课程建设而言，通过科教融合能够促使学生不断完善自我表达能力，在于他人沟通交流中实现思辨，学习他人优势观念和思想，提升自己思想独立能力。计算机图像处理课程中，科教融合理念能够培养形成一个良好的知识学习氛围，教师引导学生不仅要关注当前世界发展最为前言的图像处理技术，而且能够从我国现有的应用层面上，发现缺陷，创新处理，更加注重知识接受基础上的生产。同时，教学校和教师要让学生明确自身最终是要进入到社会，与社会经济发展相符合。因此，要引导学生主动解决关于企业和组织机构发展的计算机图像处理核心问题，实现创新分析。为了有效实现这一需求，教师需要针对学生创造真实的问题情景，全力引进科研项目，对研究方案设计、科研资料信息收集、科技文献筛选和调查数据分析处理、对结果的验证和评价等方面体系化形成，通过正确的方法激励学生，提升学生知识创新能力。
五基于科教融合理念的计算机图像处理课程建设途径分析
（一）建设高水平的师资队伍
科教融合与计算机图像处理课程深入融合的重点在于高水平师资队伍的建设。简言之，只有师资队伍高效建设才能够为带动学生提升科研积极性，发挥创新精神等奠定基础。而再高水平的师资队伍建设中，一方面，认识到计算机图像处理课程本身的教学目标和教学大纲，与企业实现合作，引进企业优秀的科研人才作为该课程的外聘教师。同时实现产学研的结合，这样能够在具有经验、科研能力突出的人才带领下，对学生实现合理的引导；另一方面，高水平的师资队伍建设中注重教师科研能力的提升。教师有能力积极引入科研项目之后，将学生积极纳入到自身的科研项目中，给学生提供可以研究的项目，提供展示的平台，创造科研情景，提升创新能力。此外，学校在关于计算机图像处理课程的研究中，也要注重对专业教师科研能力的评估，以此作为激励，发挥有效带动作用。
（二）创建形成激励科研的制度和文化
科教融合理念下为了促使计算机图像处理课程实现高效的建设，学校和教师需要共同努力创建形成激励科研的制度和文化。制度和文化对于应用型科研人才的培养起着潜移默化的作用，文化的熏陶能够形成一种良好的科研氛围，引导学生全面参与到计算机图像处理的相关项目研究中，发挥创新精神，实现与所存在环境的适应，不断提升自身的创新能力。
六 结语
科教融合，将科学研究合理有效融入到教学研究中，能够激发学生专业兴趣，提升学业挑战度，增加学生学习投入时间，提高学生自主学习时间比例，提高学生分析问题和解决问题的能力，进而提高学生创新能力，达到高校科研育人的效果。
参考文献
[1]刘柏岩，任增元，孙莉.重构科教融合下的一流本科教育[J].中国高校科技,2019(08)50-53.
[2]黄凯.科研反哺教学促进学生创新能力培养的研究与实践[J].学周刊,2018,7(21):10-11.
[3]刘波,李礼,赵蓉.科教深度融合的人才培养模式探究与实践[J].煤炭高等教育,2019(2).86-91.
[4]李江华,赵金龙,崔玉文.新工科背景下工科高校大学计算机课程建设研究[J].教育现代化,2018,5(46):293-295.
[5]韩晓玲,丁翠红.基于行动研究的教育技术实践教学创新策略研究——以《计算机图像处理》课程为例[J].现代教育技术,2012，22(7):122-125.
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