計算機視覺課程的國際化教學(xué)模式

1、 計算機視覺課程的國際化教學(xué)模式 王岳環(huán)，桑 農(nóng)，高常鑫（華中科技大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430074）Summary：計算機視覺作為圖像處理的進階課程，既要教給學(xué)生一些視覺計算方面的基本概念和方法，同時也要為學(xué)生講述當(dāng)前的研究熱點、新方法、新思路。文章從教學(xué)內(nèi)容國際化、教學(xué)方式國際化、教學(xué)成果國際化3個方面論述計算機視覺課程在國際化建設(shè)中改革措施與成果。Keys：國際化教學(xué)；教學(xué)探索；計算機視覺1 計算機視覺課程的教學(xué)挑戰(zhàn)隨著計算機計算能力的提升以及機器學(xué)習(xí)、模式識別、圖像處理等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，計算機視覺作為一門典型的交叉學(xué)科，知識和技術(shù)的更新日新月異。計算機視覺的相關(guān)成果已經(jīng)在工業(yè)界

2、得到廣泛的應(yīng)用，工業(yè)界對計算機視覺技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化需求也更加旺盛。這種學(xué)科飛速發(fā)展的現(xiàn)狀對計算機視覺課程教學(xué)提出新的要求和挑戰(zhàn)。它不僅要求學(xué)生了解當(dāng)前的研究熱點、新方法、新思路，也要求學(xué)生擁有夯實的理論基礎(chǔ)和項目實踐能力。與此同時，一場全球范圍內(nèi)的大規(guī)模在線課程（massive online open courses, MOOC）運動正如火如荼地進行著，全球的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源向全世界公開共享，給當(dāng)今的大學(xué)實體課堂教學(xué)帶來了沖擊和挑戰(zhàn)。如何利用實體課堂的優(yōu)勢，正成為新一輪教學(xué)改革探索的重點。2 計算機視覺課程教學(xué)的國際化建設(shè)作為一門研究生課程，計算機視覺除了要讓來自不同專業(yè)的同學(xué)掌握一些研究中會用到的

3、基本概念和方法，還要讓他們了解當(dāng)前的研究熱點、引起廣泛關(guān)注的新方法、研究的手法和新思路，同時培養(yǎng)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)能力及實踐能力，為他們的研究工作及未來的社會工作奠定基礎(chǔ)。所以，計算機視覺課程無論是在講授深度還是涵蓋廣度上都必須與當(dāng)前國際上的計算機視覺教育保持同步。另外，為獲得生動優(yōu)良的教學(xué)效果，發(fā)揮實體課堂的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的填鴨式、被動式的教學(xué)方式應(yīng)該變革為多層次的、以教學(xué)互動為基礎(chǔ)的、理論與實踐并重、考核嚴格的教學(xué)機制。同時，建立良好的教學(xué)成果轉(zhuǎn)化機制也是對師生雙方的激勵，也將為課程質(zhì)量的進一步提升發(fā)揮重大作用，因此，探索多渠道轉(zhuǎn)化教學(xué)成果也是國際化課程教學(xué)不容忽視的內(nèi)容。簡而言之，國際化課程特色

4、主要體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容國際化、教學(xué)方式國際化、教學(xué)成果國際化3個方面。 2.1 教學(xué)內(nèi)容的國際化近二十年來，計算機視覺的知識體系不斷地快速更新。為保證教學(xué)內(nèi)容的國際化和先進性，我們采取了以下措施：1）權(quán)威教材，雙語教學(xué)。英語是世界上公認的主流學(xué)術(shù)語言，大量前沿的重要研究成果都是使用英語發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊和會議上，我們參考國外知名大學(xué)計算機視覺課程，選擇了D. A. Foryth的Computer Vision: A Modern Approach1，以及Richard Szeliski的Computer Vision: Algorithms and Applications2兩本英文教材作為現(xiàn)階段課

5、程的基本教材。學(xué)生在研究過程中將會遇到大量的術(shù)語，在撰寫論文時需要采用國際通行的名詞術(shù)語和寫作方法，如果教學(xué)時采用中文教材，雖然可能學(xué)生學(xué)習(xí)會稍微容易一些，但可能造成教學(xué)與科研中的文獻閱讀脫節(jié)。因此，我們的課程教學(xué)堅持采用全英語教材，同時在使用教材和演示文稿時輔以漢語解釋，讓學(xué)生建立起中英兩種術(shù)語體系之間的橋梁，而不會產(chǎn)生理解上的障礙。2）調(diào)研文獻，輔助學(xué)習(xí)。計算機視覺學(xué)科發(fā)展快速，每年都有重要的研究成果發(fā)表。為保持課程內(nèi)容的先進性和前沿性，我們選取了十年來引用率最高的，在計算機視覺領(lǐng)域有重大貢獻的20多篇經(jīng)典文獻作為參考讀物，配合教材內(nèi)容進行重點講解和學(xué)習(xí)；同時引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注近期發(fā)表在本學(xué)科領(lǐng)

6、域的頂級會議（如CVRP、ICCV、ECCV）以及期刊（如PAMI、IJCV、TIP）上的相關(guān)主題的文章，并結(jié)合這種前沿的文獻調(diào)查完成課程的項目報告。例如，在學(xué)習(xí)局部描述子時，我們會選擇影響較大、引用率高的文獻如SIFT 3、LBP4以及相關(guān)綜述5進行學(xué)習(xí)講解；而在講解目標識別時，相關(guān)代表性并對目標識別的發(fā)展有重要啟發(fā)作用的工作如基于Adaboost的人臉檢測6會被列入探討的范圍；在學(xué)習(xí)分割時，經(jīng)典的有里程碑意義的分割方法7-8也會被重點地介紹和學(xué)習(xí)。這種舉措不僅可以保證課程內(nèi)容的新鮮和活力，為課程教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化提供基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)了學(xué)生在本學(xué)科領(lǐng)域的國際化視野，為他們下一步的科學(xué)研究夯實基礎(chǔ)。

7、3）抓大放小，明確重點。由于課時有限，我們在計算機視覺課程的國際化進程中主張明確課程的重點，在教學(xué)上抓大放?。簩δ承╆P(guān)鍵內(nèi)容進行深入探討和實踐，而對相對次要的內(nèi)容采取簡單介紹或瀏覽的策略。在重點內(nèi)容的選擇上可以結(jié)合學(xué)術(shù)界當(dāng)前的研究熱點、應(yīng)用需求以及本單位自身的優(yōu)勢。例如，我們將目標視覺表達、自動目標識別、遙感目標識別與處理、實時目標跟蹤、偵察圖像解譯等內(nèi)容作為課程的重點，花費大量的時間深入講解理論和組織學(xué)生實踐；而關(guān)于圖像處理、三維重建等內(nèi)容我們選擇簡單介紹并鼓勵學(xué)生課下自己憑興趣探索。這樣的安排在實際教學(xué)中優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，深化了教學(xué)的層次，激發(fā)了學(xué)生的興趣，使主講老師可以騰出精力和時間

8、來強化學(xué)生的實踐能力。2.2 教學(xué)方式的國際化如何應(yīng)對MOOC對實體課堂的沖擊是課程國際化進程中高校教師面臨的重大挑戰(zhàn)。推動課程國際化以及發(fā)揮線下課堂優(yōu)勢的關(guān)鍵在于教學(xué)方式的變革，具體來說，高效的互動和交流是線下課堂相對于MOOC的絕對優(yōu)勢，如何設(shè)計教學(xué)方式以發(fā)揮這一優(yōu)勢是課程國際化能否成功的關(guān)鍵。針對計算機視覺課程我們從以下幾方面激發(fā)線下課堂的交流和互動：1）完善助教制度，開展輔助課堂。在實踐中我們發(fā)現(xiàn)，即使是采取了在教學(xué)內(nèi)容上抓大放小的策略，主講老師要高效完成課程要求，使大多數(shù)學(xué)生獲得高質(zhì)量的學(xué)習(xí)和實踐效果仍是一件難以完成的事。借鑒美國斯坦福大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等知名大學(xué)的課程經(jīng)驗（如An

9、drew Ng 及Eric Xing兩人各自主講的機器學(xué)習(xí)課程），我們完善了課程的助教制度，使用高素質(zhì)的優(yōu)秀助教輔助主講老師進行教學(xué)活動，如組織課外輔導(dǎo)、答疑以及在項目實踐上給予學(xué)生及時有效的幫助。我們盡量保證每年的課程都選聘34名高年級的優(yōu)秀博士研究生作為本課程的助教，輔助主講老師完成教學(xué)。助教的主要任務(wù)包括：（1）開展組織輔助課堂，如簡單有效地回顧和學(xué)習(xí)課程教學(xué)中涉及的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識（線性代數(shù)、概率和數(shù)理統(tǒng)計等）以及相關(guān)的其他學(xué)科知識（圖像處理、機器學(xué)習(xí)等）。（2）進行主課堂外的答疑，幫助學(xué)生盡快獲得課程需要的基礎(chǔ)知識，解決課堂上遺留的“疑難雜癥”，不至于因為跟不上進度而喪失興趣。（3）組織

10、課程項目實踐，輔助學(xué)生完成課程實踐任務(wù)。實踐證明，主課堂和輔助課堂相互協(xié)作產(chǎn)生多層次的互動交流，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和熱情得到提高，明顯地提升了教學(xué)質(zhì)量。2）理論實踐并重，加強考核力度。計算機視覺是一門應(yīng)用性很強的課程，我們希望通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生既掌握了經(jīng)典與流行的理論、概念和方法，又能將課堂知識應(yīng)用于其科研及實踐。所以，我們在課程考核制度的設(shè)計上并重理論與實踐，將考核分為3部分：理論考試、課程作業(yè)、自選主題的實踐項目。分別按50%、30%、20%的相應(yīng)比例計入最終考核。具體來說，在開展最終的理論考試之外，我們設(shè)計了23次課程作業(yè)，每個學(xué)生都需要結(jié)合理論編寫代碼完成作業(yè)。另外，學(xué)生將會自主地組成

11、23人的項目小組，在助教的幫助下，自主地完成項目選題，調(diào)查相關(guān)文獻，編寫代碼，最終提交項目實驗報告。我們也提供了很多主題供他們選擇參考。項目小組的成果要在課堂上演示、講解，任課老師點評評分，小組提出改進方案。嚴格的考核機制是最終教學(xué)質(zhì)量的保證，在近幾年的實際教學(xué)中，我們已經(jīng)從這種課程考核設(shè)計中受益，學(xué)生的整體能力得到了提升。2.3 教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化探索教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化渠道是國際化課程的要點。將教學(xué)成果進行轉(zhuǎn)化可以激勵師生雙方教與學(xué)的熱情和興趣，逐步提升課程質(zhì)量。在本課程近幾年的實踐中，我們嘗試了以下教學(xué)成果的轉(zhuǎn)化渠道。1）教研相長，將課堂的實踐成果應(yīng)用到實際的科研工作中?？茖W(xué)嚴格的課程考核保證了教

12、學(xué)的質(zhì)量，我們鼓勵并建議學(xué)生將課程中的實踐項目成果應(yīng)用到實驗室的實際科研項目中，產(chǎn)生實際的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。計算機視覺對應(yīng)了大量的實際應(yīng)用課題，如我院相關(guān)實驗室開展的自動目標識別、目標跟蹤、智能視頻分析、遙感圖像目標檢測、光學(xué)字符識別等研究課題，學(xué)生若能將課堂所學(xué)應(yīng)用到實際科研項目中，會得到長足的進步。另外，我們鼓勵并幫助學(xué)生在課堂項目實踐的基礎(chǔ)上，進一步研究并將成果發(fā)表在國際期刊和會議上。課程作業(yè)經(jīng)過整理進行發(fā)表，這在國外知名大學(xué)中并不少見，我們希望通過這種引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生的科研興趣，開拓學(xué)生的國際化視野，同時提升本課程的教學(xué)質(zhì)量。2）組織并鼓勵學(xué)生以課程項目成果為基礎(chǔ)參與創(chuàng)業(yè)或?qū)I(yè)競賽。計算機視覺是一門偏重應(yīng)用的課程，在利用計算機視覺知識解決實際問題的過程中，有很多細節(jié)的處理非常重要，如識別前的預(yù)處理、先驗知識的學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)樣本和測試樣本的準備等。我們鼓勵并積極組織學(xué)生參加各種形式的創(chuàng)業(yè)和專業(yè)競賽，如2014年北京大學(xué)組織的“視頻分析技術(shù)挑戰(zhàn)賽”，就是希望減小課堂教學(xué)與國內(nèi)外先進應(yīng)用水平之間的鴻溝。與國內(nèi)外同行