陳 青
(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)
“數(shù)字圖像處理”教學(xué)中思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐
陳 青
(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093)
“數(shù)字圖像處理”是高等院校電信類學(xué)科的重要專業(yè)課程。課堂教學(xué)不僅要完成知識(shí)傳授這一常規(guī)功能,還要實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)能力和開啟智慧等多重功能,是實(shí)現(xiàn)教書育人的主陣地。淺述了影響學(xué)生成才的幾個(gè)重要的能力構(gòu)成因素以及思維能力的關(guān)鍵作用,探討了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、發(fā)展思維和培養(yǎng)能力的方法,分析了在數(shù)字圖像處理教學(xué)中進(jìn)行思維能力培養(yǎng)的實(shí)踐,為更好地開展數(shù)字圖像處理課程教學(xué)提供參考。
高等教育;教學(xué)心得;數(shù)字圖像處理;思維培養(yǎng)
“數(shù)字圖像處理”是一門匯聚光電探測(cè)、電子學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域理論和技術(shù)的綜合性交叉學(xué)科,是模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、圖像通訊、多媒體技術(shù)等學(xué)科的基礎(chǔ),已經(jīng)成為高等院校電信類學(xué)科本科生、碩士生的一門重要專業(yè)課。在全球化浪潮的沖擊下,對(duì)這門課程開展雙語和全英教學(xué),是順應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的需要,是擴(kuò)大國(guó)際交流、深化國(guó)際辦學(xué)以及培養(yǎng)復(fù)合型人才的需要。學(xué)好這門專業(yè)課,將基本功打扎實(shí),為后續(xù)的研究和深造做好準(zhǔn)備是非常必要的。但由于這門課程專業(yè)性很強(qiáng),所涉及的知識(shí)點(diǎn)繁多,要求學(xué)生要具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的實(shí)踐能力,特別是該課程要用雙語或全英文授課,往往使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到很多困難,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理中的一些內(nèi)容的理解常常不深不透[1]。因此對(duì)于教師來說,如何有效引導(dǎo)學(xué)生較好地掌握所學(xué)知識(shí)就變得尤為重要。研究科學(xué)合理、行之有效的教學(xué)方法與教學(xué)技巧,對(duì)提高全英文數(shù)字圖像處理課程教學(xué)質(zhì)量,加強(qiáng)教學(xué)的互動(dòng)性,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,釋放學(xué)生的主動(dòng)性和潛意識(shí)能量,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力具有重要的意義。
課堂教學(xué)是高等院校進(jìn)行人才培養(yǎng)的核心場(chǎng)所,課堂教學(xué)具有傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力和開啟智慧的多重功能,是實(shí)現(xiàn)教書育人的主陣地。改變忽視培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)思考能力的傳統(tǒng)教學(xué)模式,探索用“啟發(fā)式”、“探究式”、“研討式”等教學(xué)法[2-5],能活躍學(xué)生思維,養(yǎng)成自覺思考的良好習(xí)慣,從而更好地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的獨(dú)立思考及創(chuàng)新能力。本文重在探討激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、發(fā)展思維和培養(yǎng)能力的方法,為更好地開展數(shù)字圖像處理課程教學(xué)提供參考。
教育當(dāng)然需要傳授知識(shí),把前人已經(jīng)獲得的知識(shí)傳授給新的一代。但更重要在于激發(fā)學(xué)生思考的熱情和主動(dòng)思維的積極性。訓(xùn)練學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力,引導(dǎo)學(xué)生獲得新的知識(shí)、總結(jié)新的經(jīng)驗(yàn)、發(fā)展新的理論,使學(xué)生具有運(yùn)用獲得的知識(shí)去解決面臨的新問題的能力。教育就是“點(diǎn)燃人心智的火焰”!在高校的課堂教學(xué)中應(yīng)當(dāng)把知識(shí)的傳授、能力的培養(yǎng)、思維的訓(xùn)練巧妙地融入授課中,使受教育者的內(nèi)在潛力能夠激發(fā)出來,發(fā)揮學(xué)生追求新知識(shí)的主動(dòng)性和積極性。
要使學(xué)生成才,應(yīng)該培養(yǎng)他們具有以下較為重要的能力。
(1)觀察能力(observational ability)。是智力構(gòu)成的一個(gè)重要組成部分,是包含著理解和思考的一種有計(jì)劃、有目的、有組織的知覺能力。它綜合了人的多種感覺和知覺,在人的一切實(shí)踐活動(dòng)中具有重要的作用。圖像增強(qiáng)技術(shù)的選擇和增強(qiáng)效果的評(píng)估都極大地依賴于觀察者的觀察能力。通過自編觀察分析題,將不同的圖像類型進(jìn)行對(duì)比、不同技術(shù)處理效果進(jìn)行對(duì)比、原圖像和處理后的圖像進(jìn)行對(duì)比等,分析各種技術(shù)的特點(diǎn),提高學(xué)生的觀察能力。
(2)思維能力(thinking ability)。培養(yǎng)思維能力是發(fā)展智力的核心。思維是影響人類一切發(fā)明創(chuàng)造活動(dòng)的關(guān)鍵因素。思維是人腦對(duì)客觀事物的一般特征和規(guī)律性的一種概括的、間接的反映過程。在人類的各種能力中,思維能力居于核心地位,是發(fā)展其他各種能力的關(guān)鍵,它能控制和制約其他能力的發(fā)展,指揮和調(diào)節(jié)其他能力的運(yùn)用。教學(xué)中可通過啟發(fā)式教學(xué)、研討式教學(xué)等多種教學(xué)形式培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。
(3)自學(xué)能力(self-learning ability)。自學(xué)能力是指一個(gè)人獨(dú)立學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的能力。自學(xué)能力是一個(gè)人多種智力因素結(jié)合和包括觀察、注意、記憶、想象、思維(形象思維和邏輯思維)等多種心理機(jī)制參與的一種綜合性能力。聯(lián)合國(guó)教科文組織終生教育局長(zhǎng)保羅·郎格郎說:“未來文盲,不再是不認(rèn)識(shí)字的人,而是沒有學(xué)會(huì)怎樣學(xué)習(xí)的人?!弊詫W(xué)能力在提倡終身教育的今天尤為重要。自學(xué)能力的培養(yǎng)不僅對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)尤為重要,而且對(duì)以后的學(xué)習(xí)更有著不可忽視的意義。通過布置課后自學(xué)內(nèi)容并在課堂上提問檢查,以及構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境兩種途徑促進(jìn)學(xué)生自學(xué)能力的提高。
(4)操作能力(manipulating ability)。操作能力也稱作動(dòng)作技能、運(yùn)動(dòng)技能,是各項(xiàng)勞作中人們用手去完成實(shí)際工作的行為能力。在人類的日常生活、工作和學(xué)習(xí)中,操作能力具有重要的作用。操作能力與認(rèn)知能力不能截然分開。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),向?qū)W生開放專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的課題研究和技術(shù)開發(fā)等手段,都對(duì)提高學(xué)生的操作能力有益。
培養(yǎng)思維能力是發(fā)展智力的核心——智力是人的各種認(rèn)識(shí)能力的綜合,它包括觀察力、想象力、思維力、記憶力、分析力、注意力等。其中的思維能力是智力的核心。思維習(xí)慣多半是后天養(yǎng)成,可以通過后天訓(xùn)練加以改善。大學(xué)生良好思維習(xí)慣需要在學(xué)習(xí)過程、社會(huì)實(shí)踐、對(duì)話辯論、課題研究、答疑解難中逐步養(yǎng)成。這需要學(xué)校給予系統(tǒng)設(shè)計(jì),并提供平臺(tái),提供機(jī)會(huì),指導(dǎo)引領(lǐng)。課堂教學(xué)目前仍然是大學(xué)教育的主陣地,通過課堂教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣就成為最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。教師課堂教學(xué)的目標(biāo)不在于簡(jiǎn)單地講清知識(shí)和傳授知識(shí),不論何種教學(xué)內(nèi)容,教師只要有意識(shí)地精心設(shè)計(jì)都會(huì)產(chǎn)生良好的課堂思維效應(yīng),都能點(diǎn)燃人的心智火焰,有效改善大學(xué)生的思維習(xí)慣。
人與人之間的根本區(qū)別在于思維方式的差異,思維方式?jīng)Q定著人們的未來??梢哉f,有什么樣的思維方式和行為習(xí)慣,就會(huì)有什么樣的人生。思維方式會(huì)形成思維習(xí)慣,思維習(xí)慣決定著人們的思想和行為,當(dāng)思考成為習(xí)慣,成功隨之而至。要激活學(xué)生思維,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力,大學(xué)教育就必須在知識(shí)傳授與思維培養(yǎng)之間、在理念指導(dǎo)與實(shí)際操作之間尋求一種有效的媒介或載體,而良好的教育方法就是最重要的中介?!皢l(fā)式”、“探究式”、“研討式”和“參與式”等重要的教學(xué)方法,都具有激發(fā)思維熱情、培養(yǎng)創(chuàng)新思維品質(zhì)和提高解決問題能力的功用。
(一)啟發(fā)學(xué)生思維的積極性
思維起源于問題,教師要引導(dǎo)學(xué)生揭露矛盾,提出、分析、解決問題。在教學(xué)中,要根據(jù)教材內(nèi)容和學(xué)生的心理水平,有意識(shí)地創(chuàng)設(shè)發(fā)現(xiàn)問題的情景,引導(dǎo)學(xué)生積極思維。
(1)用好的開頭,吸引學(xué)生的注意力,喚起學(xué)生思維的積極性。在對(duì)數(shù)字圖像處理的各個(gè)內(nèi)容進(jìn)行介紹時(shí),設(shè)置了游覽迪士尼樂園的主題公園的情景,以迪士尼樂園的布局吸引學(xué)生的注意力,透過他們喜愛的主題公園的形式,以輕松活潑的方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生興趣,在游樂場(chǎng)景中自然地突出數(shù)字圖像處理中各教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)、重點(diǎn)以及各部分之間的聯(lián)系,為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)快樂的學(xué)習(xí)環(huán)境。
(2)溫故知新。溫故知新就是通過與新知識(shí)有內(nèi)在聯(lián)系的相關(guān)舊知識(shí),回顧、點(diǎn)撥、喚醒舊知識(shí),以及合理銜接新舊知識(shí),從而提高課堂效率,提高學(xué)生的能力,提高教學(xué)質(zhì)量。通過復(fù)習(xí)舊課,引入新課,解決舊知識(shí)與新課題的矛盾,吸引學(xué)生的注意力。復(fù)習(xí)已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)、或以學(xué)生日常生活中已經(jīng)了解的知識(shí)為基礎(chǔ),使學(xué)生在舊知識(shí)的基礎(chǔ)上提出問題,從容地掌握新知識(shí),并將其發(fā)展、深化,從而使學(xué)生對(duì)新的概念、新的教學(xué)內(nèi)容有更深刻的理解,為今后的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。數(shù)字圖像處理中空域?yàn)V波是一個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)概念,而線性濾波一般是通過卷積來描述的。卷積運(yùn)算的概念在前期課程“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”中分別介紹過連續(xù)函數(shù)和一維離散序列的卷積運(yùn)算。在對(duì)以前的概念及運(yùn)算步驟做簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)后,推廣到二維圖像的情形—移動(dòng)窗。圖像中的卷積基于移動(dòng)窗技術(shù),是一個(gè)移位加權(quán)求和的過程,即將模版(濾波器)m(x)在圖像i(x)中移動(dòng),每到一個(gè)位置,就把圖像區(qū)域中與模板定義域相交的每個(gè)像素與模板中的每個(gè)對(duì)應(yīng)元素相乘,將所有乘積之和作為模板覆蓋區(qū)域中心像素的新值。為了便于學(xué)生能夠直觀地感受運(yùn)算過程,用ppt動(dòng)畫將濾波卷積的概念演示為三個(gè)基本步驟,即移位→相乘→求和,每個(gè)步驟都用具體的數(shù)值來動(dòng)態(tài)地給出演算結(jié)果,使抽象概念和數(shù)學(xué)計(jì)算公式具體化、形象化,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極的思維活動(dòng),為算法的編程實(shí)現(xiàn)打下了牢固的基礎(chǔ)。
(3)設(shè)置疑問,組織適當(dāng)?shù)恼n堂提問等。目的:引導(dǎo)學(xué)生沿著正確的方向思考問題,防止思維誤入歧途,激發(fā)學(xué)生的積極思維活動(dòng),揭露問題的內(nèi)在矛盾,提高學(xué)生的思維能力?!皩W(xué)源于思,思源于疑”。選擇的問題可以是培養(yǎng)學(xué)生分析概括能力的問題、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的問題、揭示事物本質(zhì)特征和內(nèi)部規(guī)律的問題、簡(jiǎn)單的肯定或否定問題等。在總結(jié)灰度變換的各種技術(shù)時(shí),針對(duì)灰度變換改變的圖像特征以及灰度變換技術(shù)的缺點(diǎn)提出疑問,使學(xué)生對(duì)后續(xù)將學(xué)習(xí)的直方圖技術(shù)的自動(dòng)化特點(diǎn)有清晰的認(rèn)識(shí),提高學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力。
(4)適時(shí)地示教,適當(dāng)舉例和演算。啟發(fā)學(xué)生對(duì)抽象概念的直觀理解,使抽象概念具體化、形象化,激發(fā)學(xué)生的興趣,在解決感性材料與抽象詞語表達(dá)的矛盾中組織學(xué)生的思維活動(dòng)。在介紹彩色圖像處理中人眼對(duì)彩色圖像與對(duì)灰度圖像的感知能力的差別時(shí),做了一個(gè)小動(dòng)畫,即運(yùn)用體檢中檢測(cè)色盲的模板,讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)色盲人群與正常人群的不同感知,從而直觀地體會(huì)到顏色作為數(shù)字圖像處理中的一個(gè)重要特征的特殊意義。
(二)培養(yǎng)學(xué)生思維的變通性和深刻性
變通性是指隨機(jī)應(yīng)變的能力(主要指靈活性),要求從不同的方面、不同的角度去發(fā)散思考。如講解空域增強(qiáng)技術(shù),提出思考題讓學(xué)生討論空域增強(qiáng)技術(shù)常見的應(yīng)用場(chǎng)景,并與學(xué)生一起歸納一般教材中列舉的用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、太空探測(cè)等方面的圖像信號(hào)處理去除噪聲、提取邊緣信息等應(yīng)用,此外還列舉分析學(xué)生生活中遇到的生動(dòng)事例,特別與學(xué)生一起探討了攝影行業(yè)將空域?yàn)V波用于數(shù)字暗房,對(duì)人像進(jìn)行修飾美化、去除面部色斑和皺紋的案例;娛樂業(yè)的藍(lán)幕技術(shù),如電影《阿甘》中利用空域增強(qiáng)中的顏色切割方法,方便地實(shí)現(xiàn)了在人體任何部位“開天窗”的案例;以及繪畫藝術(shù)中的利用不同的濾波器模板獲得數(shù)字圖像的浮雕效果和油畫效果的案例等,來培養(yǎng)學(xué)生思維的變通性,學(xué)會(huì)從多方面、多角度去研究問題、分析問題,全面理解事物之間的聯(lián)系。不僅在一定程度上開闊了學(xué)生的視野,也提高了思維的層次和高度,開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),提高了學(xué)習(xí)的興趣。
思維的深刻性反映人類思維活動(dòng)抽象程度、邏輯水平,不迷戀于事物紛繁復(fù)雜的表面現(xiàn)象和外部聯(lián)系,能深入發(fā)現(xiàn)最本質(zhì)、最核心的問題,抓住事物的內(nèi)在規(guī)律和實(shí)質(zhì)。思維的深刻性是一切思維品質(zhì)的基礎(chǔ)。傅里葉變換(FT)是信號(hào)處理中最重要、應(yīng)用最廣泛的變換,也是數(shù)字圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ),它通過在時(shí)空域和頻率域來回切換圖像,能簡(jiǎn)單、有效地對(duì)圖像的信息特征進(jìn)行提取和分析,被喻為描述圖像信息的第二種語言,廣泛地應(yīng)用于圖像變換、圖像編碼與壓縮、圖像增強(qiáng)、圖像重建中。掌握了傅里葉變換,人們就可以在空域或頻域中同時(shí)思考處理問題的方法,這是一種非常重要的能力。為了使學(xué)生掌握傅里葉變換的物理意義,能建立起空域和頻域間的聯(lián)系,并將其用于圖像處理算法的設(shè)計(jì),我們特別選編了大量具有典型特征的圖像及其對(duì)應(yīng)的傅里葉變換,啟發(fā)學(xué)生通過仔細(xì)觀察時(shí)空域和變換域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并結(jié)合變換公式,進(jìn)行周密分析和認(rèn)真推斷,從具體事物中抽象出共同特征,從表面現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)最本質(zhì)的特性,總結(jié)出空域和頻域間圖像特征間的聯(lián)系和對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(三)用類比啟發(fā)培養(yǎng)學(xué)生思維的流暢性
思維的流暢性是指思維活躍、反應(yīng)靈敏、善于聯(lián)想。課堂教學(xué)中充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的聯(lián)想,不僅可活躍思維,而且能增加知識(shí)的有序性,形成牢固的知識(shí)網(wǎng)絡(luò),培養(yǎng)思維能力。類比啟發(fā)是借助類比思維進(jìn)行啟發(fā)的一種方式。其特點(diǎn)是學(xué)生的認(rèn)識(shí)活動(dòng)是以確定各種對(duì)象或者現(xiàn)象之間在某些特征或關(guān)系上的相似為基礎(chǔ)的。某些事物看起來似乎毫不相干,差異很大,但從某個(gè)側(cè)面,某種結(jié)構(gòu),某類屬性,某層關(guān)系來看,卻包含著相似或相同的東西,若將其類比,可明確方向找出規(guī)律。用類比啟發(fā)教學(xué)正是運(yùn)用這一規(guī)律,先啟發(fā)學(xué)生從一個(gè)已知的概念、判斷、論證、或理論等類比物開始,讓學(xué)生通過類比,引導(dǎo)他們尋找、猜想一個(gè)相似的新的概念、判斷、論證、或理論,激發(fā)學(xué)生的探索創(chuàng)新意識(shí),實(shí)現(xiàn)知識(shí)的正遷移,使學(xué)生對(duì)知識(shí)理解更透徹,掌握更牢固。在講解什么是壓縮、壓縮的分類、以及為什么能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮等概念和問題時(shí),我們從學(xué)生熟知并感興趣的話題引入生活中的相關(guān)概念,讓生活常識(shí)幫助新概念的認(rèn)知聯(lián)想。如Internet時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)語言“06537”可看作“你惹我生氣”的壓縮表示,用到類似編碼冗余的概念;用B4可表示Before的壓縮形式,相當(dāng)于利用了生理冗余進(jìn)行編碼;在人體瘦身以及茶葉包裝等現(xiàn)象中都包含了類似數(shù)據(jù)壓縮的概念,并且也可分為類似的有損壓縮和無損壓縮。這些來源于生活的事例幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)圖像數(shù)據(jù)壓縮的新概念時(shí)活躍了課堂氣氛,激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生思維遷移和認(rèn)知聯(lián)想,而這正是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。
在高校的教學(xué)中學(xué)生思維和能力的培養(yǎng)應(yīng)該與知識(shí)的傳授并重,訓(xùn)練創(chuàng)新思維的工作應(yīng)融入到日常教學(xué)中,應(yīng)當(dāng)形成綜合性的訓(xùn)練?!奥斆髟谟趯W(xué)習(xí),能力在于培養(yǎng),才能在于勤勞,天才在于勤奮?!痹谡n堂教學(xué)這個(gè)教書育人的主陣地,應(yīng)充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)和學(xué)生的主體作用,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性,以使學(xué)生掌握知識(shí)、培養(yǎng)能力和發(fā)展思維為目的。
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Practice of Developing Thinking Ability in Digital Image Processing Teaching
Chen Qing
(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai200093,China)
“Digital Image Processing”is an important professional course of electrical and information discipline in universities and colleges.The aim of classroom teaching is to perform notonly the conventional function of transferring know ledge,but alsomultiple functions of developing abilities and intelligence,etc.This is amain area of teaching and educating people.This paper briefly describes the composition of several ability factors that influence the students in becoming useful persons and the key role of thinking ability,investigates the methods to stimulate studentsˊinterest in learning and to develop thinking and ability,and illustrates some practices of cultivating thinking ability in digital image processing course teaching,in order to provide a reference for better digital image processing education.
higher education,teaching experiences,digital image processing,thinking developing
G 642
A
1009-895X(2013)04-0000-00
2013-01-23
2010年度上海高校示范性全英語教學(xué)課程建設(shè)資助項(xiàng)目(20104235)
陳 青(1963-),女,副教授。研究方向:圖像處理、信息安全。E-mail:2499125028@qq.com