計算機視覺課程的國際化教學模式

1、 計算機視覺課程的國際化教學模式 王岳環(huán)，桑 農(nóng)，高常鑫（華中科技大學 自動化學院，湖北 武漢 430074）Summary：計算機視覺作為圖像處理的進階課程，既要教給學生一些視覺計算方面的基本概念和方法，同時也要為學生講述當前的研究熱點、新方法、新思路。文章從教學內(nèi)容國際化、教學方式國際化、教學成果國際化3個方面論述計算機視覺課程在國際化建設中改革措施與成果。Keys：國際化教學；教學探索；計算機視覺1 計算機視覺課程的教學挑戰(zhàn)隨著計算機計算能力的提升以及機器學習、模式識別、圖像處理等相關(guān)學科的發(fā)展，計算機視覺作為一門典型的交叉學科，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。這種學科飛速發(fā)展的現(xiàn)狀對計算機視覺課程教學提出新的要求和挑戰(zhàn)。它不僅要求學生了解當前的研究熱點、新方法、新思路，也要求學生擁有夯實的理論基礎和項目實踐能力。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)教學資源向全世界公開共享，給當今的大學實體課堂教學帶來了沖擊和挑戰(zhàn)。如何利用實體課堂的優(yōu)勢，正成為新一輪教學改革探索的重點。2 計算機視覺課程教學的國際化建設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)學生的理論學習能力及實踐能力，為他們的研究工作及未來的社會工作奠定基礎。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、被動式的教學方式應該變革為多層次的、以教學互動為基礎的、理論與實踐并重、考核嚴格的教學機制。同時，建立良好的教學成果轉(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)化教學成果也是國際化課程教學不容忽視的內(nèi)容。簡而言之，國際化課程特色

4、主要體現(xiàn)教學內(nèi)容國際化、教學方式國際化、教學成果國際化3個方面。 2.1 教學內(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。英語是世界上公認的主流學術(shù)語言，大量前沿的重要研究成果都是使用英語發(fā)表在國際學術(shù)期刊和會議上，我們參考國外知名大學計算機視覺課程，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，如果教學時采用中文教材，雖然可能學生學習會稍微容易一些，但可能造成教學與科研中的文獻閱讀脫節(jié)。因此，我們的課程教學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，輔助學習。計算機視覺學科發(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習；同時引導學生關(guān)注近期發(fā)表在本學科領

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，在學習局部描述子時，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進行學習講解；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；在學習分割時，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習。這種舉措不僅可以保證課程內(nèi)容的新鮮和活力，為課程教學成果的轉(zhuǎn)化提供基礎，同時培養(yǎng)了學生在本學科領域的國際化視野，為他們下一步的科學研究夯實基礎。

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)合學術(shù)界當前的研究熱點、應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生課下自己憑興趣探索。這樣的安排在實際教學中優(yōu)化了教學內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，深化了教學的層次，激發(fā)了學生的興趣，使主講老師可以騰出精力和時間

8、來強化學生的實踐能力。2.2 教學方式的國際化如何應對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，如何設計教學方式以發(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)學生獲得高質(zhì)量的學習和實踐效果仍是一件難以完成的事。借鑒美國斯坦福大學、卡內(nèi)基梅隆大學等知名大學的課程經(jīng)驗（如An

9、drew Ng 及Eric Xing兩人各自主講的機器學習課程），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活動，如組織課外輔導、答疑以及在項目實踐上給予學生及時有效的幫助。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。助教的主要任務包括：（1）開展組織輔助課堂，如簡單有效地回顧和學習課程教學中涉及的基礎數(shù)學知識（線性代數(shù)、概率和數(shù)理統(tǒng)計等）以及相關(guān)的其他學科知識（圖像處理、機器學習等）。（2）進行主課堂外的答疑，幫助學生盡快獲得課程需要的基礎知識，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，輔助學生完成課程實踐任務。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，學生的學習效果和熱情得到提高，明顯地提升了教學質(zhì)量。2）理論實踐并重，加強考核力度。計算機視覺是一門應用性很強的課程，我們希望通過本課程的學習，學生既掌握了經(jīng)典與流行的理論、概念和方法，又能將課堂知識應用于其科研及實踐。所以，我們在課程考核制度的設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，我們設計了23次課程作業(yè)，每個學生都需要結(jié)合理論編寫代碼完成作業(yè)。另外，學生將會自主地組成

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質(zhì)量的保證，在近幾年的實際教學中，我們已經(jīng)從這種課程考核設計中受益，學生的整體能力得到了提升。2.3 教學成果的轉(zhuǎn)化探索教學成果的轉(zhuǎn)化渠道是國際化課程的要點。將教學成果進行轉(zhuǎn)化可以激勵師生雙方教與學的熱情和興趣，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成果的轉(zhuǎn)化渠道。1）教研相長，將課堂的實踐成果應用到實際的科研工作中?？茖W嚴格的課程考核保證了教

12、學的質(zhì)量，我們鼓勵并建議學生將課程中的實踐項目成果應用到實驗室的實際科研項目中，產(chǎn)生實際的應用轉(zhuǎn)化。計算機視覺對應了大量的實際應用課題，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、光學字符識別等研究課題，學生若能將課堂所學應用到實際科研項目中，會得到長足的進步。另外，我們鼓勵并幫助學生在課堂項目實踐的基礎上，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，這在國外知名大學中并不少見，我們希望通過這種引導激發(fā)學生的科研興趣，開拓學生的國際化視野，同時提升本課程的教學質(zhì)量。2）組織并鼓勵學生以課程項目成果為基礎參與創(chuàng)業(yè)或?qū)I(yè)競賽。計算機視覺是一門偏重應用的課程，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，如識別前的預處理、先驗知識的學習、學習樣本和測試樣本的準備等。我們鼓勵并積極組織學生參加各種形式的創(chuàng)業(yè)和專業(yè)競賽，如2014年北京大學組織的“視頻分析技術(shù)挑戰(zhàn)賽”，就是希望減小課堂教學與國內(nèi)外先進應用水平之間的鴻溝。與國內(nèi)外同行