理論、實驗、實踐相融合的工程技術(shù)類課程教學方法研究

王鵬++謝祥云++謝利紅

【摘要】本文主要分析了目前工程技術(shù)類課程的特點及教學過程中的一些常見誤區(qū)，針對這些教學誤區(qū)，提出了理論、實驗及工程實踐相結(jié)合的教學方法，從而達到提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力的目的.本文以“數(shù)字圖像處理”課程為例對教學方法及教學模式進行分析和論述，本文的改革模式對推動目前的工程技術(shù)類課程的教學改革有一定的借鑒意義.

【關(guān)鍵詞】工程技術(shù)課程教學；理論教學；實踐教學；教學改革；數(shù)字圖像處理

【課題來源】廣東省教學改革工程（30527003）；廣東省研究生創(chuàng)新教育項目（2015SFKC40）；五邑大學教學改革工程項目；五邑大學2016年校級研究生教育創(chuàng)新教育類項目（YJS-SFKC-16-01）資助.

隨著高等教育教學改革的深入，目前很多高校都增加了工程技術(shù)類課程相關(guān)課程的設(shè)置，以期能夠提升學生的工程技術(shù)能力.在整個社會的信息化的大背景下，“數(shù)字圖像處理”（DIP）是很多高校很多專業(yè)都開設(shè)的一門課程.該課程是匯聚數(shù)學、計算機科學及信息科學等眾多學科的理論和技術(shù)的綜合性交叉學科，是模式識別、計算機視覺等學科的基礎(chǔ)，已經(jīng)成為高等院校信息與計算科學、計算機科學與技術(shù)、通信工程及自動控制等學科本科生、研究生的一門重要專業(yè)課.該課程具有很強的實踐性，因此，對該課程進行實踐教學改革以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力具有非常重要的意義.我們在課程教學中不僅設(shè)置課程實驗環(huán)節(jié)，還引入科研實踐環(huán)節(jié)，以構(gòu)建多層次、多模式的實踐教學體系，以提高課程的工程實踐性，從而為學生從以理論教學為主的學校走向以工程實踐為主的社會搭建一座橋梁.

近年來，人們越來越深刻地意識到以理論教學為重點的教學方式應(yīng)用在工程技術(shù)類課程中有很大的弊端，從而，探索適合工程技術(shù)類課程的教學方法改革越來越多地受到教師和高校的重視[1-5].另一方面，在教育部減輕學生負擔的要求下，大多數(shù)高校對該課程壓縮了課時量，而教學內(nèi)容并未減少，甚至隨著相關(guān)新技術(shù)的出現(xiàn)而有所增加.因此，如何以培養(yǎng)計劃為導(dǎo)向，在培養(yǎng)計劃下進行實踐教學改革是目前亟須解決的問題.

一、目前工程技術(shù)類課程教學的弊端分析

工程技術(shù)類課程在大學本科教學中占據(jù)很大比重，地位舉足輕重，眾多的教師和學者也對該課程的教學教法進行了很多的探索和改革[2，5].然而，工程技術(shù)類課程的特點非常明顯：一方面，該類一般會涉及較廣泛的數(shù)學基礎(chǔ)知識；另一方面，工程技術(shù)類課程一般擁有廣泛的應(yīng)用背景及實際工程項目.以DIP課程為例，一方面，它涉及矩陣分析、最優(yōu)化算法、積分變換、隨機過程等諸多數(shù)學基礎(chǔ)課；另一方面，該課程擁有非常廣泛的工程應(yīng)用，比如，條形碼識別、車牌照識別、數(shù)字水印甚至缺陷檢測等等.因此，工程技術(shù)類課程的教學中要注重理論知識與生產(chǎn)、生活實際的結(jié)合[4].基于以上這些特點，這類課程要求教師在講授基本理論和基本方法的同時，還要向?qū)W生展示實際應(yīng)用中的一些例子，以達到理論與實際相結(jié)合的目的.然而，由于這些內(nèi)容含有大量的算法、推導(dǎo)和證明，再加上目前多數(shù)高校課程教學方法和教學手段單一、實驗條件有限，使得本應(yīng)喚起學生無限興趣的課程變得索然無味，甚至被部分學生抵觸.

工程技術(shù)類課程一般都是理論與實踐結(jié)合極其緊密的課程，在教學中，既要求學生能很好地掌握本門課程的基本理論、基本概念、基本原理和算法，同時，又要求學生能很好地實現(xiàn)理論知識所對應(yīng)的算法，并能在此基礎(chǔ)上根據(jù)問題需求選擇恰當?shù)慕鉀Q實際問題的技術(shù)和方法，這也是該類課程的主要目標之一.以DIP教學為例，實驗課在教學中占有非常重要的地位[2，4]，是培養(yǎng)和提高學生應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)，也有助于在解決實際問題的過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維以及今后的適應(yīng)社會能力.

目前大多數(shù)高校的實踐和實驗教學仍然處于舊課程體系的思路之中，嚴重束縛了學生的思維素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，制約了工程技術(shù)類課程本應(yīng)達到的教學效果.例如，大多數(shù)的DIP實驗課采用理論課與實踐課相分離的方式：先上一次或幾次理論課，隔幾天以后再上實驗課，實驗課程內(nèi)容一般是要求學生編程實現(xiàn)教材中的某一算法.這種教學方式導(dǎo)致各個算法之間的教學缺乏相互聯(lián)系，使理論教學與實踐教學脫鉤，不能充分發(fā)揮以理論教學指導(dǎo)實踐教學，以實踐教學印證、加深理論教學的教學目標，從而脫離了原本設(shè)置實踐教學的目的.這種教學方式直接導(dǎo)致學生的學習積極性和學習興趣得不到充分發(fā)掘，綜合應(yīng)用能力和解決實際問題的能力得不到很好的培養(yǎng)，違背了對學生進行素質(zhì)教育的基本要求.針對以上問題，基于對課程特點、學生培養(yǎng)目標以及當前實驗課教學方式的分析，我們采用以學生為中心、理論與實踐相結(jié)合，理論教學滲透和體現(xiàn)實踐教學、實踐教學加深理論理解促進理論學習，將實踐教學和理論教學融為一體，相互滲透、相互促進、相互影響.

二、工程技術(shù)類課程的特點分析

經(jīng)過多年的教學實踐和精心探索，我們基本摸清了工程技術(shù)類課程的特點，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（一）該類課程一般是理論與實踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合.以DIP課程為例，其知識點多、理論性強，如，F(xiàn)ourior變換、小波變換等內(nèi)容，數(shù)學表達式比較復(fù)雜，理論推導(dǎo)很多.而傳統(tǒng)的教學模式是以理論講解為主，導(dǎo)致學生在一些繁雜的數(shù)學推導(dǎo)面前望而卻步，造成學生在學習時普遍感到過于抽象，很難看到這些理論所產(chǎn)生的實際應(yīng)用效果，導(dǎo)致學生逐漸喪失學習興趣.面對這種狀況，如果教師不采取措施加以引導(dǎo)并逐步改善教學方法，勢必影響教學效果.

（二）大多數(shù)工程技術(shù)類課程內(nèi)容極其豐富，知識容量極大.比如，在DIP課程中，根據(jù)數(shù)字圖像處理的工程應(yīng)用需求，我們在教學大綱中規(guī)定學生主要掌握以下內(nèi)容：圖像的直方圖處理、圖像的時域和變換域處理方法、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像壓縮和編碼、圖像的形態(tài)學處理、圖像分割、圖像的表示與描述等，而每一個主題又包括很多不同的內(nèi)容.相對于該課程豐富的內(nèi)容，根據(jù)教育部減輕學生負擔的要求，學校分配給該課程的課時量卻很有限，這就要求我們要對傳統(tǒng)的教學方式和教學手段進行改革，達到在較少的課時內(nèi)完成豐富的教學內(nèi)容并達到較好的教學效果的目標.

（三）工程技術(shù)類課程具有非常直觀明白的生活實例.比如，DIP課程學習和研究的對象是圖像，具有明顯和直觀的特點.因此，該課程非常貼近人們的生活，而且，有大量直觀的例子，比如，講授圖像復(fù)原的時候，我們可以方便用自己的手機或相機得到一幅退化的照片，然后，運用相應(yīng)的圖像算法，得到復(fù)原后的高質(zhì)量圖像.盡管整個過程需要非常復(fù)雜的理論算法，但學生能看到該方法的活生生的例子，從而明白其理論背后的實踐價值，激發(fā)學生的學習興趣.但是，目前的圖像處理教學方式，由于課時量和教學手段的限制，無法達到上述的效果.這就需要我們探索更適合該課程特點的教學方法和教學手段.

（四）該類課程有大量的有明確應(yīng)用背景實例的實驗.該類課程的實用性和實踐性決定了它們具有大量的實驗，目前，各院校一般都是理論教學與實驗教學相結(jié)合[3]，學生通過實驗，加深對理論知識的理解.但是，目前的教學方式，實驗課和理論課一般都是分開上的，這樣就使理論和實驗脫節(jié)，在講授理論課的時候，無法看到這種理論有什么用途，相應(yīng)的算法能產(chǎn)生什么樣的效果，而實驗課通常和理論課程中間有一段時間，這就導(dǎo)致在上實驗課的時候?qū)W生對有些相應(yīng)的理論已經(jīng)有些生疏，從而，學生很難深入理解課程實驗所依據(jù)的技術(shù)原理，無法建立理論和實驗之間的相互促進關(guān)系.這種脫節(jié)導(dǎo)致了教師在課堂上講授知識點時，學生在繁雜的數(shù)學推導(dǎo)面前望而卻步，而教師講實驗課程時候，學生又因不熟悉實驗所依據(jù)的理論和算法而無法實現(xiàn)相關(guān)實驗.因此，如果想達到很好的教學效果，我們必須在理論課和實驗課之間建立一個溝通的平臺，該平臺可以方便地在教授理論課的同時直觀演示實驗的效果.

三、“數(shù)字圖像處理”課程教學改革方案

針對上述課程特點的分析，在DIP實踐課程的教學中，我們主要集中培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力以及運用所學知識解決實際問題的能力.在教學中貫徹以學生為中心的教學原則，開發(fā)自主的教學平臺，并通過該平臺建立理論課與實驗課之間的連接，在此基礎(chǔ)上采用項目驅(qū)動、課外學習興趣小組等模式激發(fā)學生學習積極性.我們對課程進行了以下方面的改革：

（一）革新教學手段，開發(fā)針對該課程并符合本校教學大綱的可視化、開放性、交互式的教學演示平臺.在DIP教學中，各高校通常采用Matlab作為實驗環(huán)境，并在理論課中演示該軟件環(huán)境下的實驗效果，從而讓學生更好地理解理論所對應(yīng)的算法的效果和特性.目前，絕大多數(shù)高校所采用的多媒體教學手段仍然是以PPT為主，用Matlab進行實驗演示，教師就不得不在PPT軟件和Matlab軟件之間進行頻繁的轉(zhuǎn)換.這樣，頻繁地在兩個軟件之間切換，不僅使得課堂效率大打折扣，而且教學的間斷使得學生的接受知識的過程也發(fā)生中斷，直接導(dǎo)致學生很難深入理解數(shù)字圖像處理的技術(shù)原理.另一方面，這種傳統(tǒng)的演示方法，使得演示的圖像窗口在演示桌面上非常紛亂，不同實驗結(jié)果的可對比性比較差.基于上述分析，我們自主開發(fā)了一個針對課程教學的可視化、系統(tǒng)化的“數(shù)字圖像處理教學”平臺，為學生提供一個課程算法演示及模擬開發(fā)的平臺，從而搭建起理論課和實驗課之間的橋梁.

（二）改革教學方法，探索“理論指導(dǎo)實驗、實驗驗證理論、實驗理論教學同時進行、理論課滲透實驗、實驗課重溫理論”的教學方式.目前，國內(nèi)大多數(shù)院校的實驗課程大致分為課內(nèi)實驗和單獨實驗，課內(nèi)實驗隨課堂進行，這種方式，學生很難參與進來，基本以教師演示、學生觀看的方式為主，這種授課方式，學生的參與度極低，教師演示以后學生印象非常膚淺，這種實驗課程和純理論教學幾乎沒有區(qū)別.另一種單獨實驗，這種實驗以學生實驗為主，教師負責指導(dǎo)，然而，由于排課是一個非常復(fù)雜的事情，因此，實驗課和理論課很難排在一起.這就導(dǎo)致了理論課和實驗課相互分離，理論課的時候看不到該理論的實驗效果，實驗課的時候已經(jīng)淡忘了相應(yīng)的理論算法，從而使教學效果大打折扣.傳統(tǒng)的以PPT與Matlab分離演示的教學方法的另一個缺點是，教師在演示的時候，算法的代碼是公開的，這樣，學生很容易效仿甚至拷貝，從而無法激發(fā)學生自身探索算法和知識的熱情.在該教學平臺完成以后，由于該教學平臺是一個集成的專用教學軟件，這樣，在講解相關(guān)理論的時候，只需要簡單的鼠標按鍵就可以非常方便直觀地演示該理論相應(yīng)算法的效果，使理論課程隨時可以看到相應(yīng)的圖像處理效果，增強學生們的直觀認識的同時，也可以調(diào)動學生的學習興趣，達到“理論指導(dǎo)實驗、實驗驗證理論”的教學效果.

（三）建立“理論教學、實驗教學、科技活動小組、企業(yè)項目驅(qū)動”相結(jié)合的全方位立體式授課體系.目前，大多數(shù)院校的數(shù)字圖像處理課程均以理論教學和實驗教學為主，這種教學方式，很難體現(xiàn)數(shù)字圖像處理課程廣泛的實用背景，有悖于國家教育部提出的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”.同時，由于該課程與人們生活中的諸多問題緊密相連，如，車牌照識別、條形碼識別、人臉識別、視頻監(jiān)控等等.如果課程的教學方法得當，會有很多學生對該課程感興趣，然而，由于課時量的限制，課堂的教學并不能滿足這類學生的學習需求.針對這一問題，我們在常規(guī)的理論教學和實驗教學的基礎(chǔ)上，成立了數(shù)字圖像處理科技活動小組，該科技活動小組主要進行以下兩方面的工作：

（1）通過本學院和力德科技有限公司聯(lián)合建立的科技活動小組實驗室，完成公司與圖像處理相關(guān)的工程項目，以項目鞏固教學成果，用項目激發(fā)學生學習興趣和運用知識的能力.

（2）通過不定期的討論班，由教師向興趣小組講解學科的發(fā)展前沿.圖像處理是目前的一個快速發(fā)展的學科，新的問題、模型、理論、算法幾乎每天都在出現(xiàn)，因此，很有必要讓學生掌握學科的發(fā)展動態(tài)，把握新出現(xiàn)的研究方向.

四、改革課程的考核方式

傳統(tǒng)的課程考核方式以筆試為主，筆試考核方式可以較好地檢驗學生對理論知識的掌握情況.然而，工程技術(shù)類課程的特點決定了考核重點應(yīng)該放在學生運用課程知識解決實際問題的能力上，因此，我們采用多種考核形式相結(jié)合的靈活考核方式.具體考核方法為將工程項目的完成情況、外文文獻的閱讀情況、撰寫的讀書報告以及課程小論文等多種考核方式相結(jié)合，對不同知識層次和不同學習需求的學生采用不同的考核方式，讓學生從考試中解放出來，從而可以結(jié)合自身興趣選擇適合自己情況的考核方法，不再為考試而擔心.這種靈活的考核方式可以培養(yǎng)學生的多元化興趣.

五、結(jié) 論

本文以“數(shù)字圖像處理”為例，對工程技術(shù)類課程的常見教學弊端及課程特點做了深入分析，并針對作者所在院校的實際情況，給出了解決課程教學中常見問題的一些解決方案.

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