《数字图像处理》课程思政教学案例(一等奖)

《数字图像处理》课程思政教学案例（一等奖）

一、课程基本情况

"数字图像处理”是电子信息类专业一门重要的专业课,是计算机视觉、多媒

体技术、人工智能等学科的基础，同时也是一门涉及多领域的交叉学科。本课程共

40学时，学分2.5分。

本课程以培养学生数字图像处理的基础知识和基本分析方法为基础，在教学中

注重培养学生对数字图喙处理基本原理的深入理解和对数字图像处理工程问题的解

决方案的分析和设计能力，使学生具备针对复杂工程领域的问题，综合各类信息进

行研究开得到合理有效结论的能力。

在教学过程中，从科学本源出发，培养学生〃求真”的科学探索精神，同时培

养学生实时了解科技领或前沿成果的能力增强学生的创新意识和创新思维。此外，

依托当前计算机视觉、人工智能领域的蓬勃发展，培养学生将所学的知识转化为推

进社会发展动力的责任感和使命感。

相关思政元素：团队合作、实践探索精神、科技创新、造福于民、近朱者赤近

墨者黑、权威、大道之行在于简、物以类聚、人以群分、高度

二、德融教学设计及内容

（一）德融教学总体设计

德融课堂以专业课程教学为基本载体，将德育和智育有机结合，贯彻落实"立

德树人〃的根本任务。根据学生对象的特点，借助具体教学内容和教学手段，从科

学本源出发，从“求真”出发，融入德育。具体设计方法如下。

1.内容设计

在内容上，主要包括社会主义核心价值观、传统文化、科学精神、团队意识、

协作精神等方面。

2.教学方法设计

在方法上，有机融合，寻找合适的专业知识与德育教育的结合点，不搞与教学

内容脱节的“填充料〃与〃插曲〃，要〃结合"得然，"进行"得适度，不能喧宾夺

主，让学生通过自己的学习、思考和实践，在学习专业知识和技能训练过程中提升

思想修养。设计的具体落脚点与对应的切入方法主要有三类：

(1)理论算法要置于整个知识体系中，讲清来龙去脉，加强学生对知识的系统性

理解。如算法的提出者有相关励志的故事，或算法提出时不凡的经历、遭遇等都可

作为德育内容。

(2)算法原理本身所隐含的某些哲学道理，从科学本源出发，从科学上升到哲学,

自然结合到现实生活，融入德育，要有理有据。科学技术与人文领域的很多思想实

际上是相通的，可以采取课堂讨论的方式加强德育教育。

(3)理论算法的具体落实在应用实例上，给予生活的某些启示。

(二)德融教学内容

德融教学的具体内容如表12-1所示。

表12-1靛教学内容

3X11

早T>知识点刘蛾式

数图像处理前沿技术，科技是把双刃剑，科

例子引申课

绪论具体应用举例，技术也会技创新的目的是造福

堂讨论

被居心不良的人利用于民

视觉感知特性，马赫带眼见不一定为实，M例子引申上

数字图像基础效应等，以及人眼错觉知来源于实践机实蛉

图像的均值滤波、中值

近朱者赤，近墨者黑原理引申

到像空域增强滤波等平滑滤波

傅里叶的理论首次提出敬课演示与

到像频域处理不要迷信权威

时的遭遇讨论

1Q

早T>知iR点则形式

图像去雾算法的发现过从问题出发启发

图像复原大道之行在于简

程与算法的基本思想式教学

基二K均值聚类的图像

现像分割物以类聚，人以群分

分割算法的原理敝课演示法

结合模式识别，图像的

型像的表示多方面特征决定了人

特征决定了图像的分类原理引申

与特征提取的高度

结果

综合本课程学习的算

圉像处理应案例教学分组合

法，解决一个实际应用探索精神、团队合作

用实例作

的问题

三、教学方法及手段

案例1:绪论

1.本章总体教学内容

对本课程进行全面了解，包括数字图像处理发展史、发展现状，相关技术领域

的前沿动态，社会发展的技术需求在本领域的体现.

2彳惠育切入点

在数字图像处理发超现状与应用实例部分，开展课堂讨论，请同学们介绍自己

了解的最新的应用实例。例如，手机中美图软件（图像增强）的功能、百度搜索中

的以图搜图功能、各种刷脸功能，以及娱乐功能等，以此开展课堂讨论，可以发现

有些技术有可能被坏人利用，从事不法活动。

3彳惠融教学内容

激发学生的使命感与责任感,让学生明白科学技术是把双刃剑，科技本身没有

好坏的属性，科技的好坏决定于掌握科技的人，这也是在加强智育的同时，德育一

定要跟上的意义所在。因此，教育学生我们不仅要专注于知识和技能的学习，还要

有正确的方向，科技创新的最终目的是造福于民。

4德融教学过程

把应用实例分成正反两方，引入德育内容：科学技术，既可以像工业革命的例

子一样，帮助人类走上一个新的台阶；也可能被不正当使用，这时越高明的技术后

果也会越可怕。

（1）正能量应用实例：让盲人能"看见"。Facebook发布了一款新型屏幕阅

读工具，可对照片进行目动文本处理，从而让用户听到照片上的内容描述（见图12-

1）o另一个是由牛津大学开发的智能眼镜，能够利用视觉影像帮助盲人识别物体,

以及判断物体距离的远近（见图12-2）。

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图12“卜acebook的忖公间i；IH

图12-2智能眼镜

对于盲人用户而言，当好友上传了声音添加任何文字描述的照片时，即使能从

中获取少量信息其意义也是重大的。虽然目前还无法识别图片中的所有内容，然而

这却是发展科技的真正动力所在！

以此开展课堂讨论，引发学生思考，并留下问邈（课后作业）。学生查阅相关

资料，充分发掘数字图喙处理的应用方向，并确定一个自己感兴趣的小课题（也可

以按小组确定课题），探讨其研究意义，并初步了解和设计解次方案，作为学习这

门课程之后的案例总结。希望通过本门课程的学习，提高学生加入到实现"中国梦"

的改革大潮中的参与感和使命感，提高学生实现自我价值的自信心。

（2）反面应用实例。人脸表情捕捉Face2Face，是2016年CVPR最炫酷的技

术，可实时捕捉的佥者的面部表情，并将现有视频中的人物表情替换成捕获的表情

（见图12-3）。图像或视频里的内容完全可以以假乱真。

R««nactment

12-3&情皆换

然而，该技术诞生以来，却使造假脸、假视频的恶搞消息不断。而基于GAN的

相关技术让这种恶搞更上一层楼，甚至出现了火遍全美乃至全世界的〃教皇抽桌布

戏法"的虚假视频（见图12-4）。

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图12-4虚假视频

案例2:数字图像基础

L总体教学内容

视觉感知基础、图像的获取、图像的采样与量化、数字图像的表示，图像数据

在计算机中的存储、数字图像的分辨率、像素间的关系。

2彳惠育切入点

从人类视觉模型中可以看出，人类视觉并不完全是真实景物的直接反映，而是

包括大脑加工部分。因此，出现了有很多对环境反映的修正，如马赫带效应、同时

对比度，以及视觉错觉等，可见眼见也不一定为实.

3彳惠融教学内容

即使没有被别人故意欺骗，自己的眼睛也有可能骗自己，所以在日常生活中要

学会透过现象看本质，看的同时要多思考、多实践，正所谓〃实践出真知〃。

4德融教学过程

举例说明人类感知与真实图像数据之间的差异（见图12-5）,图像都是真实图

像数据，不存在篡改或者故意欺骗，但是我们依然会产生错觉。然后通过上机实验，

读取计算机中存储的这些图像数据，验证数据的真实性，印证眼见确实不能为实，

实践才能出真知的道理.

还可以通过古人的例子为学生证明眼见不一定为实的道理。例如，大家都熟悉

的"小辩日"的故事、孔子弟子颜回偷吃粥的故事等，都告诉我们不要只看眼前

看到的场景，要学会思考。

而作为教师，更要身正为范，可以给学生讲述自己在科研工作中相关的例子。

此外，在教学评价中对学生的评价也要综合全面，不要带有任何成见。

案例3:数字图像的频域处理

L总体教学内容

学习图像的傅里叶变换、傅里叶变换的性质，以及图像的频谱分析和频域滤波

方法。

2彳惠育切入点

傅里叶级数展开，是由法国数学家、物理学家博里叶在1807年提出的，但是

该理论提出之初却受到学术权威的质疑。

3彳惠融教学内容

(1)不要迷信权威，科学就是要打破迷信。

(2)科学精神就是从事物的本质出发，研究万物的规律。

4德融教学过程

(1)介绍傅里叶变换的来龙去脉,在傅里叶最初提出理论时，很多权威专家都反

对他，其中包括拉格朗日、拉普拉斯等数学大咖，直到100年后他的论著才被重视

起来。这告诉我们“不要迷信权威"，当然也不要害怕犯错，科学的本质特点就是

可证伪性，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。放大/缩小(远看/近看)合成图像，看内容发生的变化，提出问题并讨论：究竟

是什么在影响人的视觉判断？

结论：合成图像实际上是一幅图像的低频叠加上另一幅图像的高频得到的，即

近看由高频决定判断结果，远看由低频决定判断结果,由此得到频谱物理含义.

可以看出工科学习不能只停留在公式阶段,要去了解它从真实物理世界的提炼

过程，这样才能从本质上理解，才有可能应用它解决实际问题。

科学的精神就是从事物的本质出发，研究万物的规律。作为教师，在传授知识

的过程中也应该讲究方法和策略，帮助学生建立理论公式与真实世界连接的桥梁，

激发学生的求知欲。

案例4:图像的复原

1.总体教学内容

学习图像复原的基本概念、原理，以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。

2彳惠育切入点

暗通道先验算法的理出获得了2009年CVPR的最佳论文奖，其最大的特点是

思想简洁：在绝大多数非天空的局部区域里，某一些像素总会有至少一个颜色通道

具有很低的值。换言之，该区域光强度的最小值是一个很小的数。见图12-6为有雾

和无雾图像的暗通道对比。

图12心有雾和无舞图像暗通道对比

3彳惠融教学内容

"大道之行在于简“，一个正确的数学模型应当在形式上是简洁而优美的，也

许在开始时简单正确的模型不如一个精雕细琢过的错误模型精美，但如果我们认定

大方向是正确的，就应该坚持下去，将其制作完成.

4德融教学过程

图像去雾是一个真实存在的需求，因此，课程教师从需求出发启发学生思考：

用已经学过的算法可否解决这个问题？以提问回答的方式查看学生对学过的算法的

掌握情况。然后引出本节的处理方法，从作者提出该算法的动机W过程出发，让学

生体会到该算法模型的简洁性，相较于其他算法该算法的优势所在，并且介绍该算

法现已成为图像处理类App的标配。

在内容讲解完成后，举例辅助说明数字模型简洁、优美的重要性：托勒密在基

于地心说的基础上，建模了行星运行轨道，他用40个小圆套大圆的方法，精确地计

算出了所有行星运动的轨迹。然而我们今天知道地心说是错误的，站在日心说的角

度上，牛顿最终建立了行星运行轨道模型，仅为一个椭圆，简洁而优雅！这些例子

可给予我们一些学习、研究的启示。

案例5:图像处理应用实例

L总体教学内容

本教学不以教科书的内容为限，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。实例由学生课后查阅资料后根据自己的兴趣自拟，

然后跟教师讨论，调整后分组定题，合作完成。

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