醫(yī)學(xué)院校數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

張?chǎng)巍￡悅ケ?/p>

摘要：《數(shù)字圖像處理》課程是研究圖像所含信息的提取、加工、傳輸?shù)葐栴}，它廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程、電子信息工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等領(lǐng)域。針對(duì)在醫(yī)學(xué)院校工科專業(yè)教學(xué)中數(shù)字圖像處理課程存在的問題，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)等方面提出相應(yīng)的改革方案。實(shí)踐證明，這些改革措施可以提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；醫(yī)學(xué)院校

一、現(xiàn)狀分析

數(shù)字圖像處理課程是多學(xué)科的交叉，與很多專業(yè)都有很密切的聯(lián)系，而且發(fā)展速度較快，目前，醫(yī)學(xué)院校工科專業(yè)教學(xué)中數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下幾個(gè)問題[1-4]：

1.對(duì)課程基礎(chǔ)的要求與學(xué)生現(xiàn)狀的矛盾

《數(shù)字圖像處理》課程通常以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論統(tǒng)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等課程為基礎(chǔ)，涉及的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識(shí)相對(duì)龐雜，但是學(xué)生對(duì)上述課程的概念往往不能與本課程的概念融會(huì)貫通，從而使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性降低，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析能力得不到提高。如果在實(shí)驗(yàn)課程中摒棄課程基礎(chǔ)知識(shí)過分強(qiáng)調(diào)應(yīng)用技能的傳授又會(huì)導(dǎo)致本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過于簡單。因此，探索合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，應(yīng)用較合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提高學(xué)生的積極性，才能使學(xué)生更好地掌握本學(xué)科的知識(shí)并作為后續(xù)發(fā)展的知識(shí)儲(chǔ)備。

2.沒有較合理的利用醫(yī)學(xué)院校獨(dú)特的醫(yī)學(xué)資源

在醫(yī)學(xué)科研和臨床診斷中，形態(tài)學(xué)的分析及各種成像技術(shù)的不斷發(fā)展使圖像處理技術(shù)成為醫(yī)學(xué)科學(xué)中的一種重要技術(shù)和方法。傳統(tǒng)的《數(shù)字圖像處理》課程側(cè)重于介紹圖像處理和分析的基本原理、典型方法和實(shí)用技術(shù)，在醫(yī)學(xué)院校中，應(yīng)該結(jié)合醫(yī)學(xué)院校中與醫(yī)學(xué)相關(guān)的影像設(shè)備，完善課程的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生將工程技術(shù)的科學(xué)方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像相關(guān)的研究中，培養(yǎng)多元化的思維方式。因此，在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要結(jié)合相關(guān)的醫(yī)學(xué)背景對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)的改革。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系完整性

除了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法外，實(shí)驗(yàn)是《數(shù)字圖像處理》課程的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)大都偏重于理論，一些已有的實(shí)驗(yàn)也主要是針對(duì)特定圖像處理的一些應(yīng)用，缺乏圖像處理技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐相結(jié)合的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)組織，同時(shí)也缺少與醫(yī)學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及實(shí)踐性操作。因此，需要探索建立相對(duì)完整的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

1.針對(duì)不同層次的學(xué)生，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)學(xué)校本部統(tǒng)招本科生，應(yīng)從理論加技術(shù)的角度出發(fā)，選擇較易理解的部分內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)講解及仿真模擬實(shí)驗(yàn)，一些理論性強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)可作為了解性內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)課程中可以給出具體的演示實(shí)例；對(duì)于獨(dú)立學(xué)院而非學(xué)校本部的學(xué)生來說，由于其理論基礎(chǔ)較薄弱，應(yīng)從應(yīng)用的角度出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)常用的圖像處理軟件的使用方法，并能對(duì)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)行模擬應(yīng)用。

2.針對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生，發(fā)揮醫(yī)學(xué)院校的優(yōu)勢(shì)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

筆者所在學(xué)校開設(shè)的《數(shù)字圖像處理》課程是面向生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)本科學(xué)生的專業(yè)課程。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)定時(shí)，分析不同專業(yè)的教學(xué)大綱及培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合專業(yè)特色和新的教學(xué)大綱要求，制定合適本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。例如生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中接觸醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)療設(shè)備的專業(yè)知識(shí)比較多，在數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以增加一些與醫(yī)學(xué)影像相關(guān)的圖像處理技術(shù)，可以側(cè)重理解投影重建、圖像重建、圖像融合、形態(tài)學(xué)圖像處理等方面的圖像應(yīng)用技術(shù)，利于學(xué)生將學(xué)過的專業(yè)課程進(jìn)行融會(huì)貫通。對(duì)于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，由于平時(shí)動(dòng)手能力較強(qiáng)，在進(jìn)行圖像程序仿真的同時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行硬件相關(guān)的圖像設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)案例時(shí)，可以結(jié)合學(xué)生在電子電路及信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，例如進(jìn)行圖像灰度變換算法仿真模擬時(shí)可以加入電路板缺陷檢測(cè)等為案例。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革，主要是實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：增加課程的應(yīng)用性和趣味性、充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和參與性、激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，教師要從基礎(chǔ)的備課做起，由于數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展較快，在備課時(shí)，要查閱當(dāng)前應(yīng)用較多的技術(shù)，同時(shí)還要把前沿技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在備課中還要多引入實(shí)例教學(xué)，對(duì)于有醫(yī)學(xué)背景專業(yè)的學(xué)生可以加入圖像處理在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的案例教學(xué)。

具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1.根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，精心提煉教學(xué)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

啟發(fā)式教學(xué)主要是注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新精神，針對(duì)教學(xué)重點(diǎn)給出啟發(fā)式問題，引導(dǎo)學(xué)生通過資料查詢、小組討論等方式進(jìn)行解答。具體思路是：

（1）分析數(shù)字圖像處理教學(xué)內(nèi)容。在本科階段，數(shù)字圖像處理課程理論教學(xué)主要講述六部分內(nèi)容：圖像處理基礎(chǔ)、圖像變換理論、圖像壓縮編碼、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)和圖像分割。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)一系列的啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)學(xué)生具體學(xué)習(xí)中的問題，對(duì)啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和更新。

（2）根據(jù)啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)6-12個(gè)實(shí)驗(yàn)討論題目，并制定詳細(xì)討論要求。要求學(xué)生每6人分一組，選定討論題目，在實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)進(jìn)行分組討論并總結(jié)。

（3）對(duì)于教學(xué)中的難點(diǎn)，啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以詳細(xì)分為四個(gè)階段：教師精講階段、學(xué)生調(diào)研階段、學(xué)生圖像算法實(shí)驗(yàn)階段、學(xué)生講解演示階段。

2.注重不同圖像算法的應(yīng)用范圍，結(jié)合醫(yī)學(xué)背景特色，設(shè)計(jì)案例法實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

針對(duì)具有醫(yī)學(xué)背景和非醫(yī)學(xué)背景在圖像處理方面具體應(yīng)用上存在的差別，設(shè)計(jì)3-6個(gè)典型的應(yīng)用案例，貫徹圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整個(gè)過程。具體思路是：

（1）案例的選擇與準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的選擇要結(jié)合實(shí)際，除了讓學(xué)生掌握理論外，還要讓學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)如何用、怎么使用有所了解。

（2）對(duì)于具有醫(yī)學(xué)背景專業(yè)學(xué)生（如生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)），在設(shè)計(jì)圖像案例時(shí)，可以結(jié)合學(xué)生的醫(yī)學(xué)背景，例如講解圖像代數(shù)運(yùn)算時(shí)可以以數(shù)字減影、細(xì)胞活動(dòng)度檢測(cè)等為案例；在講解邊緣檢測(cè)環(huán)節(jié)，可以以細(xì)胞技術(shù)、癌細(xì)胞識(shí)別等為案例；講解圖像變換時(shí)，可以以醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)為案例，充分發(fā)揮醫(yī)學(xué)背景特色。

（3）對(duì)于其他專業(yè)學(xué)生（如電子信息工程專業(yè)），在設(shè)計(jì)圖像案例時(shí)，可以結(jié)合學(xué)生在電子電路及信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，例如講解圖像灰度變換時(shí)可以加入電路板缺陷檢測(cè)等為案例。

通過案例法教學(xué)，可以使學(xué)生更好地利用自己的專業(yè)特色，培養(yǎng)學(xué)生相應(yīng)的思維運(yùn)作模式，教會(huì)學(xué)生如何分析問題，解決問題，體現(xiàn)教育的真諦[3]。

四、實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的改革

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的改革

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的選擇方面，可以進(jìn)一步改革。目前所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是MATLAB平臺(tái)。數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)通?？梢苑譃閮深悾海?）編程性軟件，MATLAB平臺(tái)，OpenCV平臺(tái)等；（2）應(yīng)用軟件，ImageJ平臺(tái)，Photoshop平臺(tái)等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以結(jié)合這兩類平臺(tái)，互為補(bǔ)充，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。對(duì)于接觸硬件課程較多專業(yè)的學(xué)生，可以在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之余增加一些硬件平臺(tái)、圖像采集平臺(tái)等。

2.實(shí)驗(yàn)考核方式的改革

通常的實(shí)驗(yàn)考核方式是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后撰寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，存在的問題是實(shí)驗(yàn)報(bào)告相似度較高，抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。針對(duì)這種情況，可以對(duì)考核方式進(jìn)行相應(yīng)改革，可以結(jié)合自己感興趣的課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論文的撰寫，同時(shí)對(duì)感興趣的算法加以實(shí)際應(yīng)用并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)考核部分加入學(xué)生論文及仿真實(shí)驗(yàn)程序，既可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，又可以在實(shí)踐中進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如有學(xué)生在自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課題撰寫的時(shí)候選用了霧天圖像增強(qiáng)的內(nèi)容，將課堂上學(xué)過的算法應(yīng)用到了實(shí)際拍攝的霧天圖像中進(jìn)行處理，有些醫(yī)學(xué)知識(shí)較豐富的學(xué)生選擇了影像圖像進(jìn)行了分割、理解等內(nèi)容的分析與仿真，這樣既調(diào)動(dòng)了自己學(xué)習(xí)課程的積極性，也為課程實(shí)驗(yàn)交上了滿意的答卷。

五、結(jié) 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》的課程教學(xué)和實(shí)踐也應(yīng)不斷吸收新知識(shí)，豐富教學(xué)內(nèi)容，因此，對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究具有可行性和必要性。在《數(shù)字圖像處理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究中，可以根據(jù)不同層次的學(xué)生，發(fā)揮醫(yī)學(xué)院校為背景的優(yōu)勢(shì)，精選實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，注重師生之間的交流及學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入和完善，該課程會(huì)取得更加良好的教學(xué)效果，使學(xué)生的信息綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力有明顯的提高。

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