“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)實踐的探討

王海暉　趙彤洲　魯統(tǒng)偉

摘要：本文針對“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的特點和要求，提出“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計既要重視基礎(chǔ)理論，又‘要兼顧專業(yè)特點，并將傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代教學(xué)方法和手段相結(jié)合，進(jìn)而提出本課程的教學(xué)應(yīng)該與學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相結(jié)合，以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生學(xué)好本門課程，并為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；科研創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

“數(shù)字圖像處理”課程是“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)一門重要的專業(yè)主干課，是為了培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)知識、技術(shù)技能以及在實踐中的運(yùn)用能力而設(shè)置的專業(yè)課程。在“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)中，“數(shù)字圖像處理”課程是該專業(yè)一個重要的專業(yè)方向——“機(jī)器視覺系統(tǒng)”的基礎(chǔ)，也是掌握好該專業(yè)方向的關(guān)鍵。目前，該課程已經(jīng)成為本專業(yè)信息獲取與處理方向的重要課程之一，在學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)和知識獲取中占有重要的地位。

該課程作為專業(yè)主干課，具有承前啟后的作用，既可作為學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的研究方向，又是后續(xù)相關(guān)課程重要的理論基石。隨著數(shù)字圖像處理理論在智能系統(tǒng)的研究不斷深入和圖像處理技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，我校的“數(shù)字圖像處理”課程結(jié)合課程本身的特點，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面都進(jìn)行了一系列的探索，形成了具有我校特色的、能夠服務(wù)于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程。

2制定科學(xué)、合理的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容

“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生系統(tǒng)地掌握智能科學(xué)的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)知識以及基本技能與方法，使學(xué)生受到良好的科學(xué)思維、科學(xué)實驗和初步科學(xué)研究的訓(xùn)練，并具有分析問題和解決問題的能力，以及知識自我更新和不斷創(chuàng)新的能力。依據(jù)這樣的培養(yǎng)目標(biāo)，我校的“數(shù)字圖像處理”課程制定了科學(xué)、合理的教學(xué)目標(biāo)和循序漸進(jìn)且兼顧相關(guān)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容。由于數(shù)字圖像處理融合了數(shù)學(xué)、電子、計算機(jī)軟硬件、智能系統(tǒng)集成等眾多先進(jìn)技術(shù)，體現(xiàn)了諸如計算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、光學(xué)工程等學(xué)科相互交叉和融合的綜合運(yùn)用，內(nèi)容豐富，應(yīng)用廣，因此本課程在教學(xué)內(nèi)容上既要重點介紹數(shù)字圖像處理的基本理論、方法，又要介紹當(dāng)今圖像處理的重要應(yīng)用領(lǐng)域以及與其他學(xué)科之間的內(nèi)在銜接與融合，使教學(xué)內(nèi)容具有系統(tǒng)性、完整性、科學(xué)性和先進(jìn)性。

在教學(xué)內(nèi)容的選取上，繼續(xù)深化重概念、重基礎(chǔ)、重實驗、重綜合的“四重”教學(xué)，突出學(xué)以致用的觀念，使學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)掌握解決具體問題的方法。以能讓學(xué)生較深入地理解數(shù)字圖像處理的基本概念、基礎(chǔ)理論以及解決問題的基本思想方法，熟練地掌握數(shù)字圖像處理的基本過程為目的，使學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)有最大的收獲，并為后續(xù)的機(jī)器視覺、數(shù)字圖像分析等課程打下堅實的基礎(chǔ)。例如，“圖像變換”是“數(shù)字圖像處理”課程的核心內(nèi)容，是理解后續(xù)的“圖像增強(qiáng)”、“圖像復(fù)原”等內(nèi)容的基礎(chǔ)，因此我們重點講述了“傅立葉變換”和“小波變換”，將walsh變換作為學(xué)生自學(xué)內(nèi)容。這樣選擇教學(xué)內(nèi)容的目的，是要使學(xué)生明白“圖像變換”的目的在于使我們所更關(guān)心的一些原始圖像的特征更加明顯，變換手段不同導(dǎo)致了不同的變換結(jié)果。此外，以智能科學(xué)技術(shù)為核心的我校機(jī)器人足球項目在國際國內(nèi)屢獲冠軍，形成我校智能專業(yè)一大特色和優(yōu)勢，并在計算機(jī)視覺等方面形成了特色培養(yǎng)方向。因此，“數(shù)字圖像處理”作為智能機(jī)器人重要的支撐課程，在教學(xué)內(nèi)容的選取上，我們也充分考慮到這一點，例如選擇講述有關(guān)移動機(jī)器人的視覺圖像的獲取過程，并根據(jù)該流程分析了圖像預(yù)處理、圖像分割以及特征提取的要求。將課程內(nèi)容與實際應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生產(chǎn)生了極大興趣，提高了學(xué)習(xí)積極性，更能為我校機(jī)器人足球項目進(jìn)行人才儲備。可以說，“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)內(nèi)容正是專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的真實體現(xiàn)。

3根據(jù)專業(yè)特色和課程特點，采用先進(jìn)的教學(xué)方法和手段

在“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)過程中，為提高教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)中采用了多種教學(xué)方法和教學(xué)手段，注重采用多種教學(xué)方式調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，加強(qiáng)學(xué)生獲取知識能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，這也是深化教學(xué)改革的重要內(nèi)容?！爸悄芸茖W(xué)與技術(shù)”專業(yè)涉及檢測技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等當(dāng)代信息技術(shù)多個領(lǐng)域，是典型的交叉學(xué)科，根據(jù)“數(shù)字圖像處理”課程的特點，我們在教學(xué)方法和教學(xué)手段方面進(jìn)行了以下的探討嘗試，并取得了一定的成效。

3.1揚(yáng)棄傳統(tǒng)教學(xué)

雖然傳統(tǒng)教學(xué)采用黑板板書加教師“滿堂灌”的教學(xué)方式，不利于學(xué)生形成主動思維的學(xué)習(xí)習(xí)慣，但在講述數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)以及定理證明的過程中，教師在黑板上按步驟推導(dǎo)的過程是非常必要的，而且是必須的?！皵?shù)字圖像處理”課程需要對大量的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行推導(dǎo)，如果將這些數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)采用投影方式直接呈現(xiàn)給學(xué)生，缺少了在推導(dǎo)過程中與學(xué)生的互動環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生深刻理解，使學(xué)生只是知其然，不知其所以然。此時，傳統(tǒng)的書寫黑板教學(xué)方式在公式推導(dǎo)以及定理證明中是必要的。同時，傳統(tǒng)教學(xué)中老師在課堂上通過抑揚(yáng)頓挫的語氣以及豐富的肢體語言共同協(xié)助傳達(dá)需要傳授的知識，可以加強(qiáng)課堂的感染力，幫助學(xué)生理解并掌握知識。因此，在數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式既不能完全照搬，也不能完全否定。一方面采用多媒體教學(xué)，另一方面也不能完全拋棄傳統(tǒng)教學(xué)方式。傳統(tǒng)教學(xué)方式在必要的時候要發(fā)揮它的重要作用。

3.2應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段

“數(shù)字圖像處理”是以圖像為處理對象，其輸出形式為圖像、圖形和數(shù)字。該課程非常適宜采用多媒體教學(xué)方式。如以圖像的形式顯示教學(xué)信息，圖像比語言更容易被學(xué)生感知；采用動畫和視頻更能準(zhǔn)確地顯示事物的空間特性、時間特性和運(yùn)動特性，提高了信息的表現(xiàn)力，有利于學(xué)生詳細(xì)觀察、分析，提高感受性。應(yīng)用多媒體技術(shù)可以實時重現(xiàn)模擬圖像處理前后的直觀效果，大大增加了課堂的信息量。針對不同的教學(xué)內(nèi)容，輔以聲音、圖像、視頻、動畫等多樣化手段，化靜態(tài)為動態(tài)，化抽象為直觀，化復(fù)雜為簡潔，既能活躍課堂氣氛，又能最大限度地調(diào)動學(xué)生想象力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而教學(xué)效果大為提高。例如在講授圖像的采樣與數(shù)字圖像的質(zhì)量關(guān)系時，通過不同采樣數(shù)據(jù)的照片的對比，加深了學(xué)生對圖像的量化與數(shù)字圖象的質(zhì)量關(guān)系的理解，也激發(fā)出他們對本課程的濃厚興趣。另外，“數(shù)字圖像處理”課程的具體應(yīng)用隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的日新月異也不斷變化，這就要求教師自身的知識要不斷更新，授課講義也要不斷反映最新內(nèi)容。通過近年的積累，我校“數(shù)字圖像處理”課程在參考了其他學(xué)校的教學(xué)講義、教學(xué)研究成果，尤其是國內(nèi)外著名大學(xué)的教材、講義的基礎(chǔ)上，結(jié)合我?！爸悄芸茖W(xué)與技術(shù)”專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)特色，制作了具有最新內(nèi)容的課堂教學(xué)課件和實驗教學(xué)系統(tǒng)?，F(xiàn)代化手段教學(xué)的實踐表明，

采用現(xiàn)代化教學(xué)手段能縮短學(xué)時，提高教學(xué)效果，優(yōu)化教學(xué)過程，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識，有利于多方面開發(fā)學(xué)生智力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)等。

3.3建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺

我們已經(jīng)整合各類課程教學(xué)資源，如課程介紹、主講教師介紹、教學(xué)大綱、授課教案、作業(yè)習(xí)題、實驗指導(dǎo)、參考文獻(xiàn)目錄、課程考試考核辦法、授課實況錄像等資源全部上網(wǎng)，建成網(wǎng)絡(luò)化輔助教學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)開展網(wǎng)絡(luò)化輔助教學(xué)。例如在“網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)”欄目中，我們將“數(shù)字圖像處理教學(xué)模擬系統(tǒng)”放置在這里，學(xué)生可以根據(jù)課堂講授，結(jié)合該模擬系統(tǒng)在課后對課堂知識進(jìn)行消化吸收，加深對課堂內(nèi)容的理解，深入分析試驗數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果進(jìn)行論證。如在講解采用線性變換進(jìn)行圖像增強(qiáng)的原理時，給出了曝光不足情況下，通過線性拉伸增強(qiáng)對比度的演示實例。學(xué)生在學(xué)習(xí)了模擬系統(tǒng)的示例演示后，對其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，觀察到經(jīng)過不同的數(shù)據(jù)變換后的圖像增強(qiáng)結(jié)果，加深了對這部分知識的理解。借助網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生的學(xué)習(xí)和與教師交流可以跨越時空。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺，既能實現(xiàn)以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變，為增強(qiáng)學(xué)生的信息意識、綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力和個性發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)，又能獲取同行和學(xué)生的反饋信息，促進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗交流、教學(xué)資源共享甚至教學(xué)成果推廣應(yīng)用。

3.4加強(qiáng)實踐教學(xué)

在實驗課堂上，一方面，把某些研究成果以圖像、圖形和數(shù)據(jù)的方式向?qū)W生展示，擴(kuò)大學(xué)生的知識視野，從中抽取與課程相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行重點描述，加強(qiáng)理論與實際應(yīng)用的聯(lián)系；另一方面，要求學(xué)生進(jìn)行實際的數(shù)據(jù)處理、軟件設(shè)計和影像處理，以培養(yǎng)學(xué)生分析并解決實際問題的能力、方案設(shè)計能力、編程實踐能力和創(chuàng)新能力。在實踐教學(xué)中，重視使用Visual c++圖像編程技術(shù)，使學(xué)生更符合社會對“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的人才需求。“數(shù)字圖像處理”按照課程內(nèi)容設(shè)置了圖像變換、圖像增強(qiáng)及復(fù)原、圖像分析、圖像編碼等4個實驗和圖像處理系統(tǒng)綜合設(shè)計。其中前4個為設(shè)計性實驗，利用基于Visual c++的基本實驗平臺完成。最后的綜合設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識與技能，訓(xùn)練他們分析和解決實際問題的能力的重要手段。綜合設(shè)計中不僅要編寫程序代碼并測試，還要撰寫綜合設(shè)計報告，以此來進(jìn)一步提高學(xué)生理論研究、查閱資料等方面的能力。通過綜合設(shè)計，85％的學(xué)生認(rèn)為動手編程能力得到了加強(qiáng)，92％的學(xué)生認(rèn)為對所學(xué)知識有了更深刻的理解，83％的學(xué)生認(rèn)為綜合訓(xùn)練后可以比較熟練地利用Visual c++進(jìn)行圖像處理操作，90％的學(xué)生認(rèn)為通過綜合設(shè)計，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了圖像處理技能，對就業(yè)更有信心。

此外，在實踐環(huán)節(jié)中，計算機(jī)學(xué)院為規(guī)范各類實踐教學(xué)的環(huán)節(jié)，精心編制了實踐教學(xué)管理實施細(xì)則，并建立了嚴(yán)格的考核制度。該細(xì)則包含了任務(wù)說明、實施計劃、現(xiàn)場檢查等多項附表，從各個細(xì)節(jié)入手進(jìn)行規(guī)范管理，保證了實踐教學(xué)質(zhì)量提高。

4結(jié)合科研課題教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)

“智能科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)依托我校湖北省重點學(xué)科一一模式識別與智能系統(tǒng)的學(xué)科優(yōu)勢，在教學(xué)過程中，結(jié)合教師的科研課題講授，從多方面促進(jìn)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。我校的機(jī)器人足球項目是“智能科學(xué)技術(shù)”專業(yè)的特色，以此為平臺的計算機(jī)視覺也形成了特色培養(yǎng)方向。而“數(shù)字圖像處理”是計算機(jī)視覺的重要理論和技術(shù)基礎(chǔ)，因此，我們在“數(shù)字圖像處理”課程中將足球機(jī)器人系統(tǒng)中運(yùn)用的大量數(shù)字圖像處理前沿的基礎(chǔ)知識和技術(shù)引入課堂。如講授了自主移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)中針對移動機(jī)器人的技術(shù)要求與視覺導(dǎo)航的特點，運(yùn)用了圖像預(yù)處理、圖像分割與特征提取等圖像處理技術(shù)。

課程主講教師隊伍目前承擔(dān)了一批省(部)級的縱向科研項目(含教育部科學(xué)研究計劃項目、湖北省教育廳科學(xué)研究計劃項目、湖北省自然科學(xué)基金項目等)和橫向科研項目，這些項目都是與數(shù)字圖像處理密切相關(guān)。在這些項目資助的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了良好的實驗平臺。借助該平臺，學(xué)生結(jié)合老師的科研課題，通過參加校內(nèi)外科技活動，開展了一些與數(shù)字圖像處理有關(guān)的研究與實踐工作，培養(yǎng)了他們適應(yīng)社會的競爭力和工程實踐能力，并取得了良好的效果。例如本專業(yè)2007級15名學(xué)生依托教師的科研項目申請了三項大學(xué)生校長基金項目——“基于信息融合的半自主機(jī)器人系統(tǒng)研究”、“多源圖像信息融合技術(shù)的分析及應(yīng)用研究”、“基于內(nèi)容和相關(guān)反饋的圖像檢索方法”，占本班級學(xué)生總數(shù)的54％。學(xué)生除了可以獲得一定的金額資助外，還能獲得學(xué)校認(rèn)定的創(chuàng)新學(xué)分。以上措施極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性，從另一個側(cè)面提高了教育教學(xué)的質(zhì)量。

5結(jié)束語

隨著數(shù)字圖像處理理論和技術(shù)不斷發(fā)展和完善，數(shù)字圖像處理越來越多地應(yīng)用于智能系統(tǒng)領(lǐng)域，因此，“數(shù)字圖像處理”的課程教學(xué)和實踐也應(yīng)不斷吸收新知識，豐富教學(xué)內(nèi)容。并應(yīng)該結(jié)合教師的科研項目，不斷更新和補(bǔ)充相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，吸收學(xué)生參與項目研究和開發(fā)工作，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量和水平，以便更好地為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)服務(wù)。