《數(shù)字圖像處理》選修課一體化教學(xué)研究

劉直芳　張繼平

【摘要】數(shù)字圖像處理技術(shù)是一門發(fā)展很快且應(yīng)用面很廣的學(xué)科。本文探討了《數(shù)字圖像處理》課程中教學(xué)和科研一體化的過程。主要從激發(fā)學(xué)生興趣加強(qiáng)工程技術(shù)的方法論教學(xué)和完善考核機(jī)制等方面來進(jìn)行研究和論述。教學(xué)實踐表明，這一系統(tǒng)的教學(xué)改革方案對于提高課程學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果有顯著作用。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革；一體化教學(xué)

《數(shù)字圖像處理》是高校信息類專業(yè)一門重要的選修課程，是一門涉及學(xué)科領(lǐng)域相當(dāng)廣泛的交叉性學(xué)科，其應(yīng)用遍及通信、宇宙探測、遙感、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)器人視覺、視頻與多媒體系統(tǒng)、軍事和公安等諸多領(lǐng)域。從1998年開始，教育部要求各高校實行新的教學(xué)大綱，根據(jù)要求，學(xué)生攝取的知識和信息量迅速增加。各專業(yè)對每門課程的授課學(xué)時都在不斷壓縮，針對《數(shù)字圖像處理》這門課程的理論性、實踐性、系統(tǒng)性和探索性的特點，若不進(jìn)行課程的教學(xué)改革，不對經(jīng)典的授課內(nèi)容重新進(jìn)行精選及更新，將很難反映課程內(nèi)容的時代性特征；若仍然遵循傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)以教師為中心的教學(xué)模式和觀念，盲目地灌輸為主，勢必會導(dǎo)致每堂課程中信息量的大量堆積，學(xué)生只是被動接受老師的講解，由此導(dǎo)致的直接后果是學(xué)生對學(xué)習(xí)沒有興趣甚至產(chǎn)生厭學(xué)的情緒，使學(xué)生的主觀能動性難以發(fā)揮，限制了學(xué)生的創(chuàng)造和諧思維及實踐能力的培養(yǎng)，難以達(dá)成課程教學(xué)的目的。另單一的教學(xué)模式，也不利于學(xué)生個性的發(fā)展和拔尖人才的脫穎而出；因此在當(dāng)今知識經(jīng)濟(jì)時代，想要培養(yǎng)出大量具有綜合素質(zhì)的創(chuàng)新人才，必須轉(zhuǎn)變單純知識傳授的應(yīng)試教育觀，代之全面綜合素質(zhì)培養(yǎng)的新的教育思想，所以對《數(shù)字圖像處理》課程實施改革是必須的。

1數(shù)字圖像處理的特點

作為一門本科生計算機(jī)專業(yè)的選修課程，它是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，其講授的內(nèi)容為數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本概念、原理和算法及其應(yīng)用，該課程具有以下特點：

1.1多學(xué)科交叉、滲透性強(qiáng)。數(shù)字圖像處理涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)、控制理論、信號處理、生物生理學(xué)、心理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多個領(lǐng)域的知識。課程內(nèi)容廣泛、理論抽象、算法實現(xiàn)不直觀。各學(xué)科之間的交叉、集成和滲透，對教和習(xí)提出了較高的要求，學(xué)生要真正理解相關(guān)知識和技術(shù)并不容易。

1.2理論性和應(yīng)用性并重。數(shù)字圖像處理課程既具有完備的理論基礎(chǔ)，又是一門應(yīng)用廣泛的實用學(xué)科，理論性和實踐性都很強(qiáng)。因此，理論和實踐相結(jié)合是研究與教學(xué)的關(guān)鍵，既要注重基礎(chǔ)知識的教學(xué)，同時又要加強(qiáng)學(xué)生工程能力和實踐能力的培養(yǎng)。

1.3發(fā)展速度快。數(shù)字圖像處理技術(shù)是隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展的，低成本硬件的發(fā)展和新興應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，推動著數(shù)字圖像處理技術(shù)迅猛發(fā)展。這促使該課程的教學(xué)內(nèi)容需要不斷更新，相應(yīng)地對教學(xué)方法和手段也提出了更高的要求。

2數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中存在的問題

在我院，《數(shù)字圖像處理》課程一直是高年級學(xué)生(大三和大四)選修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在修這門課程之前，絕大部分學(xué)生沒有學(xué)習(xí)信號處理與系統(tǒng)等方面的課程，因此不具備有關(guān)信號與信息處理方面的知識，而且對于高年級同學(xué)而言，求職和考研的壓力很大，往往無法集中注意力或沒有相關(guān)基礎(chǔ)完成這門課程的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)的動力和興趣都較低年級有所下降。學(xué)生出勤率也大幅度下降，課堂紀(jì)律松懈，很多同學(xué)在課上翻看考研或英語書，對課程學(xué)習(xí)抱著敷衍了事的態(tài)度。面對學(xué)生懶散的學(xué)習(xí)狀況，如果教師不采取措施加以引導(dǎo)并使其得到改善，形成教學(xué)相長的教學(xué)氛圍，勢必影響教學(xué)效果。

作為工科專業(yè)的大學(xué)生，在四年的學(xué)習(xí)和實踐中，必須培養(yǎng)起綜合運(yùn)用所學(xué)知識應(yīng)用于工程實踐的能力?！稊?shù)字圖像處理》是一門面向工程實踐的課程，要求學(xué)生具備“學(xué)以致用”的能力。

根據(jù)普遍反映不少走向社會的大學(xué)畢業(yè)生感到動手能力不足、創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)能力缺乏的缺陷，特別是一些專業(yè)領(lǐng)域較強(qiáng)的內(nèi)容，需要重新對基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究和學(xué)習(xí)。針對數(shù)字圖像處理這門課程而言，由于專業(yè)理論知識較多，需要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較強(qiáng)等特點，傳統(tǒng)的上課手段和方式很難滿足本科生對該課程的需求和理解，這樣導(dǎo)致很大部分學(xué)生上課缺乏積極性，從而沒有深刻認(rèn)識到該課程在實際中的具體應(yīng)用等。通過認(rèn)真的分析與討論認(rèn)識到，其根本原因在于我國大學(xué)教育的特點是普遍重視知識和理論的傳輸，忽視動手能力的培養(yǎng)，尤其缺乏創(chuàng)新教育。針對普通高校這種教育方式的現(xiàn)實不足，為從根本上改變這種局面，我們努力解放教育思想，轉(zhuǎn)變重理論輕運(yùn)用、重課堂輕課外的傳統(tǒng)和觀念，改革創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。以建設(shè)創(chuàng)新型社會為契機(jī)，根據(jù)高校的特點以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，以科技創(chuàng)新教育為主線，探索新的人才培養(yǎng)模式。

3一體化教學(xué)手段的運(yùn)用

本科教學(xué)過程具有很強(qiáng)的探索性，它不僅要傳授知識，傳承文明，還擔(dān)負(fù)著發(fā)現(xiàn)未知和培養(yǎng)學(xué)生探求新知能力的任務(wù)。因此，本科教學(xué)過程本身就含著教學(xué)與科研兩種因素，兩者是緊密結(jié)合在一起的。結(jié)合我院的教學(xué)傳統(tǒng)“重視教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合、相互促進(jìn)、共同提高”和我院的指導(dǎo)思想“以科研推動學(xué)科和師資隊伍建設(shè)，以科研促進(jìn)教學(xué)”，在抓教學(xué)質(zhì)量的過程中，特別強(qiáng)調(diào)科研對教學(xué)的促進(jìn)作用?！奥?lián)系教學(xué)實踐搞科研，通過科研提高自身素質(zhì)，切實提高教學(xué)質(zhì)量”，這是每個教師的目標(biāo)與任務(wù)；結(jié)合學(xué)科和專業(yè)特點，立足于我校本科人才培養(yǎng)目標(biāo)，抓住兩個主體，即：面向教師主體的“科研驅(qū)動、行業(yè)滲透、課堂傳授”的教學(xué)要求，面向?qū)W生主體的“系統(tǒng)學(xué)習(xí)、階段／綜合訓(xùn)練、項目參與”的學(xué)習(xí)目標(biāo)。針對本科生的選修課《數(shù)字圖像處理》，我們提出“一體化”教學(xué)理念，就是在整個教學(xué)過程中，融入實際工程項目和科研項目的子課題，讓學(xué)生積極參與實踐的同時學(xué)習(xí)到基礎(chǔ)理論知識，鍛煉和培養(yǎng)了創(chuàng)新型人才，將科研成果轉(zhuǎn)化為課程內(nèi)容，開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼光和視野、進(jìn)行學(xué)術(shù)熏陶。實踐表明，通過啟發(fā)式的案例教學(xué)，不僅使同學(xué)們深刻領(lǐng)會到學(xué)習(xí)該門專業(yè)課的真正目的和用途，而且還大大提高了學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識去分析和解決復(fù)雜的實際問題的能力，專業(yè)理論與實踐緊密結(jié)合，即生動又直觀，非常有利于學(xué)生學(xué)以致用的應(yīng)用型人才培養(yǎng)和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，收到了良好的教學(xué)效果。

3.1課堂教學(xué)方面?！稊?shù)字圖像處理》課程的學(xué)習(xí)難度較大，對于部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生而言，嚴(yán)密繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)是令人望而生畏的，課程剛開始的興奮感很容易轉(zhuǎn)化成3分鐘的熱度。因此，要想讓學(xué)生在課程的全過程都保持興趣，將課程的內(nèi)容化繁為簡，以深入淺出的方式講述課程是十分必要的。

在教學(xué)手段的設(shè)計與運(yùn)用方面，不僅僅局限于本課程的學(xué)期教學(xué)過程，更注重該課程對學(xué)生專業(yè)學(xué)期的長遠(yuǎn)影響，以及對專業(yè)探究方法的引導(dǎo)。

基于豐富完善的教學(xué)條件和現(xiàn)代化多媒體技術(shù)的廣泛運(yùn)用，根據(jù)教材和教參，制作了先進(jìn)美觀的教學(xué)課件；同時注重概念中的變化，在關(guān)鍵算法方面輔

助以動態(tài)課件和傳統(tǒng)板書相結(jié)合的方式；每堂課均包括：內(nèi)容回顧、新概念有機(jī)聯(lián)系、章節(jié)縱覽、新內(nèi)容講解、小結(jié)、提問、練習(xí)等環(huán)節(jié)，始終保持活動集中的課堂氣氛，保證了教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的積極性和參與性。

同時在部分章節(jié)講授完成后，通過階段訓(xùn)練模式強(qiáng)化對主要技術(shù)與算法的應(yīng)用；通過實際工程案例分析，講授該課程的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢。

3.2科研實踐方面。注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實際動手能力。工程技術(shù)方法論是一門新興的邊緣學(xué)科，是關(guān)于技術(shù)開發(fā)、技術(shù)發(fā)明或工程技術(shù)并研究一般方法的理論，探討運(yùn)用工程理論的技巧，闡明工程技術(shù)研究活動的一般指導(dǎo)原則。

采用個體與小組相結(jié)合的模式，在常規(guī)的練習(xí)解答環(huán)節(jié)以外，設(shè)置了新技術(shù)信息檢索與講解、算法推導(dǎo)、課程設(shè)計點評等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生以小組為單位共同參與、面向全體同學(xué)講解的方式，即深化了專業(yè)知識，又提高了學(xué)生在新知識探索、總結(jié)和團(tuán)隊溝通、專業(yè)表達(dá)等方面的技能，為后期的競賽和項目推動奠定基礎(chǔ)。

針對各年級學(xué)有余力的同學(xué)，設(shè)置選擇性實驗，利用課外學(xué)時，為學(xué)生提供實驗環(huán)境和必要的指導(dǎo)。采用大作業(yè)的創(chuàng)新實驗形式，要求學(xué)生以小組為單位，完成一個實際工程中的算法軟件設(shè)計與開發(fā)。學(xué)生也可自擬目標(biāo)(題目)，自行選擇開發(fā)平臺、工具、技術(shù)和方法，最終提交可運(yùn)行軟件。旨在發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，在學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)作性和團(tuán)隊協(xié)作精神。

這是綜合性較強(qiáng)的實驗，主要引導(dǎo)以學(xué)生團(tuán)隊方式參加，部分課題可以拓展到本科畢業(yè)設(shè)計課題完成或參加相應(yīng)的競賽。

3.3考核方法。在教學(xué)實踐中，我們深刻地體會到，良好的學(xué)風(fēng)是教學(xué)質(zhì)量的根本保證。為了提高本課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)良好的學(xué)風(fēng)，必須建立一個合理的面向能力培養(yǎng)的考核機(jī)制。

考試是學(xué)習(xí)的指揮棒，這根指揮棒運(yùn)用得當(dāng)，對學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握、實驗技能的提高、求新創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都有很大的促進(jìn)作用，傳統(tǒng)的課程考核手段不利于學(xué)生創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，主要考學(xué)生在課堂教學(xué)的內(nèi)容，而不是考學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。為了抓平時的學(xué)習(xí)，加強(qiáng)能力培養(yǎng)，我們進(jìn)行了考核方法的改革，將平時的課堂的練習(xí)、課后的科研軟件開發(fā)設(shè)計等列入平時成績，課程最終的考核成績綜合期末考試成績(占70％)和平時成績(占30％)得出。

4結(jié)束語

數(shù)字圖像處理課程和與其它專業(yè)課程有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到承上啟下的作用。因此，在本課程的教學(xué)過程中，充分采用現(xiàn)代化教學(xué)方式與理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和綜合素質(zhì)，本文根據(jù)數(shù)字圖像處理課程的具體特點，結(jié)合教學(xué)實踐，提出一體化的教學(xué)手段和方法。實踐表明，通過實際工程案例教學(xué)，不僅使同學(xué)們深刻領(lǐng)會到學(xué)習(xí)該門專業(yè)課的真正目的和用途，而且還大大提高了學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識去分析和解決復(fù)雜的實際問題的能力，專業(yè)理論與實踐緊密結(jié)合，即生動又直觀，非常有利于學(xué)生學(xué)以致用的應(yīng)用型人才培養(yǎng)和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，收到了良好的教學(xué)效果。