互動式教學在數(shù)字圖像處理課程中的應用

摘 要：“數(shù)字圖像處理”是一門理論與實踐、原理與應用結合緊密的課程。根據(jù)傳統(tǒng)教學過程中存在的問題，將互動式教學方法融入到數(shù)字圖像處理課程的課堂教學與實驗教學中，讓學生在教師的引導下主動參與到教學活動中，通過師生互動充分調動學生的學習積極性和主觀能動性。實踐證明，這種方式有助于激發(fā)學生的學習興趣，有效地提高課堂教學質量。

關鍵詞：數(shù)字圖像處理 互動 課堂教學 實驗教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0153-02

目前，許多高等院校都為電子信息、工業(yè)自動化等本科生開設了“數(shù)字圖像處理”課程，其目的是為了使學生熟悉常見的圖像處理技術，以便將其應用到工程學、計算機科學、信息科學、生物學以及醫(yī)學等相應技術領域中。該課程是學習“數(shù)字圖像處理”的基本理論、方法、實用技術以及典型應用的一門工程技術課程，是一門理論與實踐、原理與應用結合緊密的課程，具有理論性較強，涉及的基礎課程多，同時又要求實踐性高的特點。

1 教學過程中存在的問題

傳統(tǒng)的“數(shù)字圖像處理”教學中側重理論知識的介紹，由此帶來了許多方面的問題：（1）基本原理在整門課程中占有較大比重，從而導致學生接觸與實際應用相關的前沿內容太少；（2）大量的公式推導和證明造成學生在學習過程中產(chǎn)生畏難情緒，不利于激發(fā)學生對學習的興趣和積極性；（3）學生對數(shù)字圖像處理缺少直觀上的了解，即使掌握圖像處理算法的原理，也不易和實際效果相聯(lián)系[1]。面對教學中存在的普遍問題，在教學過程中激發(fā)學生的學習興趣，提高學生進行圖像處理實驗的主觀能動性，緩解學生在學習理論知識時的抵觸情緒成為教師必須思考的問題和改善的現(xiàn)象。

2 互動式教學在數(shù)字圖像處理中的應用

互動式教學指在課堂教學過程中，通過一定的教學手段，使教師、學生、環(huán)境、教學內容等互相協(xié)調、互相促進，提高教學效果的一種教學模式。大學課堂師生互動是指在特定的課堂教學情境下，為了實現(xiàn)教師的教和學生的學，師生之間相互作用和影響的貫穿于整個教育教學活動的一種教學手段，是一種特殊的人際互動，具有目標性、啟發(fā)性、可操作性、反思性、可評估性等特點[2]。

在“數(shù)字圖像處理”的課堂教學中，主要以講授其基本原理和方法為主要同容。傳統(tǒng)課堂教學中多以教師為主導，強調知識的灌輸，缺乏與學生的交流，互動教學內容單一，這種教學模式會使學生對本來理論性偏強的課堂教學失去學習的興趣，無法與實際應用相結合。課堂教學是教師與學生共同參與的活動，將互動式教學融入到“數(shù)字圖像處理”的課堂及實驗教學中，使學生意識到自己在教學中的重要地位和作用，激發(fā)學生的學習興趣和積極性，有助于學生克服對枯燥理論的抵觸心理。教學流程可分為以下幾部分。

2.1 課前教學準備

做好充分的課前準備是進行互動教學的基礎，教師應該從兩個角度來準備上課內容，首先是站在教師的角度，教師要對本堂課的主要內容非常熟悉，要了解本堂課的教學目的、要求、重點和難點，根據(jù)教學內容采用合適的教學手段和方法?；邮菐熒餐瓿傻倪^程，所以教師在備課時理應站在學生的角度思考一些問題，想學生之所想，關于重點內容如何講解才能引起學生的興趣和重視，哪里會成為學生不易理解的難點問題，進而進行課前準備，這樣才能達到事半功倍的效果。例如，第一講緒論中會介紹數(shù)字圖像的發(fā)展、應用、特點、定義等內容。通過這一講需要讓學生對數(shù)字圖像處理建立正確的認識，但是大部分學生在開始接觸這門課時都會產(chǎn)生一個誤區(qū)，認為圖像處理就是利用Photoshop等軟件處理圖像，所以，介紹數(shù)字圖像處理在文化藝術的應用時要向學生著重強調這些軟件只是數(shù)字圖像處理的應用，在學生開始學習前及時更正這一誤區(qū)，同時也會促進學生對本課程更加深入地了解。

2.2 授課內容引入

高爾基說“文章的開頭為定調”，好的開頭是成功的一半，一堂課引人入勝的開場白則是為互動營造氛圍，同時可以吸引學生的注意力，鉗住學生的思維，為互動提供了主觀條件。內容引入的方法有許多種，只要合理、積極的選擇就可達到很好的效果。例如，在介紹圖像增強的時候，以一個生活中常見例子為開場白：同學們平時使用手機或旅游時使用數(shù)碼相機都可以拍照，會不會遇到這樣一種情況，雖然你所使用的拍攝工具的分辨率很高，或者拍攝者的攝影技術很好，可是拍攝的圖像依然會模糊。學生會回應遇到過這種情況，并開始想知道為什么會這樣。無形中增加了學生對這堂課的吸引力，提高學生的興趣，營造一種輕松自由的課堂氛圍。在這種氛圍中，學生的思維比較活躍，注意力比較集中，學習積極性也有所提高，這就為互動話題的展開提供良好的條件。

2.3 互動教學展開

教師對本堂課的基本原理進行講解，提出若干問題留出時間讓學生思考并對問題進行分析、轉化和整理，按問題劃分小組討論，每一組挑選一個學生來敘述討論結果，并由其他學生進行提問和補充。當所有學生認為沒有問題之后，教師根據(jù)討論過程進行適當?shù)狞c評，并及時對提出問題和解決問題的學生予以充分在肯定，并鼓勵其他學生也踴躍參加，最后由教師對整個過程進行歸納總結。

例如，學習傅里葉變換的目的是為了利用圖像在頻域的性質和特點，將圖像由所在的空間域轉換到頻率中進行頻域處理，然后再反變換回原圖像。掌握傅里葉變換的性質是進行頻域處理的基礎。在講解傅里葉變換時，先講解二維離散傅里葉變換的公式，再將圖像的二維離散傅里葉頻譜的實例展示給學生（見圖1所示）。圖像的頻譜特性與圖像的灰度變化是有對應關系的，頻譜圖表示圖像能量的分布，很明顯該圖像的大部分能量都集中在頻譜圖中心，并且關于中心對稱。根據(jù)傅里葉變換的公式并規(guī)定圖像的空間坐標原點在左上角，而頻譜圖的頻率坐標原點在中心，提出四個問題：（1）為什么圖像的能量都集中在了原點周圍？（2）為什么頻譜圖的原點在中心？（3）為什么能量關于中心對稱？（4）根據(jù)頻譜如何重建原圖像？學生分成四組分別討論其中一個問題。在討論過程，學生可以向教師提出自己的疑問，教師進行適當?shù)奶崾?，并且了解學生的討論情況進而對整體進行把握。討論結束后由每組選一個代表來回答問題。學生通過討論和思考后認為：第一個問題是因為頻譜的原點對應圖像灰度的平均值；第二個問題是因為圖像進行了中心化，中心化的依據(jù)是傅里葉的平移性；第三個問題是因為傅里葉變換具有共軛對稱性；第四個問題是根據(jù)周期性圖像可重建。雖然在回答問題過程中學生也會出現(xiàn)不確定、回答錯誤或是被其他學生質疑的情況，但是經(jīng)過教師的引導都可以很好地回答出問題。最后教師再對傅里葉變換的性質進行歸納總結。采用這種方式，學生把傅里葉變換的性質和圖像很好地結合起來，同時加深了印象，為后面介紹頻域處理打下了良好的基礎。

2.4 課堂小結

在教師進行課堂小結之前，先讓學生自行進行總結本節(jié)課的主要內容都有哪些，哪些知識比較容易，哪些知識比較難理解，課堂互動過程中提出了哪些問題，解決了哪些問題，主要的解決方法是什么等等，最后由教師進行補充和擴展，因為限于學生的知識范圍，當所有學生都發(fā)表完自己的觀點之后，難免會遺漏一些重要的知識點，這就需要教師在學生討論過程中記錄這些相關的知識點，最后進行補充，并進行詳細地分析和講解，讓學生對這部分內容有足夠的認識和理解[3]。

2.5 實驗教學互動

實驗教學是數(shù)字圖像處理課程中的一個重要內容，通過MATLAB上機編程使學生將理論知識與具體的應用結合起來。為了充分調動學生的主觀能動性，在實驗教學中通過互動關注學生的分析能力、綜合能力以及探索創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。整個過程可分為內容領會階段、分析實現(xiàn)階段、綜合及創(chuàng)新階段。第一階段，讓學生對所學內容進行回顧，知道本次實驗要解決和驗證的問題。教師采用現(xiàn)場提問來引導學生對實驗內容的思考并通過讓學生自己制定實驗流程圖來調動學生的主觀能動性。第二階段，根據(jù)學生自己制定的實驗流程圖，教師確定其是否合理，如果合理，讓學生自己去編程實現(xiàn)，如果不合理，則指出問題所在并讓他思考調整實驗流程。在這一階段，老師只扮演引路人的角色，不能替代他們解決問題，只能告訴他們解決問題的思路，具體要讓學生自己去實現(xiàn)。第三階段，重點培養(yǎng)學生的探索和創(chuàng)新能力，學生依據(jù)自己寫下的過程報告總結在實驗過程中遇到的問題及其解決方法，要求學生回過頭來看本次實驗，對自己制定的實驗流程進行剖析，歸納出它的優(yōu)缺點，并思考本次實驗中采用的方法能否還可以與其他方法綜合在一起，提高實驗效率。此外，還要對實驗結果進行分析，發(fā)現(xiàn)其中是否包含某種規(guī)律性。最后，找到本次實驗方法和過程中存在的不足，并思考其改進方法，力求發(fā)現(xiàn)新問題，提出新思路[4]。

例如，對含有噪聲的圖像進行均值濾波處理，讓學生分別使用MATLAB圖像處理工具箱的已有函數(shù)和利用MATLAB基礎工具箱進行流程圖設計及編程仿真，運行結果如圖2所示。很明顯，二種方法的處理結果并不一致，由此引發(fā)學生對兩種算法的分析及深入理解。在基本方法的基礎上改善和優(yōu)化程序，提高學生的邏輯分析能力和編程水平。

3 結語

課堂互動過程不是簡單地教與學，不是單一地輸入與輸出的靜態(tài)展示，而是充滿各種可能的互相影響、相互制約的動態(tài)展現(xiàn)[5]?；邮浇虒W應用到數(shù)字圖像處理課程的課堂教學和實驗教學中，充分的課前教學準備是互動的前提，引人入勝的開場白是互動的基礎，重點及難點內容是互動的話題，課堂小結是互動的結尾。通過實踐，互動可以充分發(fā)揮學生在課堂中的主人翁意識，促進學生參與到課堂教學中來，提高了學生的學習熱情和積極性，有效的提高了課堂的教學效果。

參考文獻

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