圖像工程課程群教學體系建設(shè)與實踐

摘要：圖像工程技術(shù)是現(xiàn)代信息處理技術(shù)的研究熱點。為增強教學效果，進行圖像工程課程群教學體系建設(shè)。根據(jù)課程特點，以建設(shè)一體化、系統(tǒng)化教學體系為出發(fā)點，進行了教學內(nèi)容、教學模式、實踐教學和考核方式設(shè)計。該教學體系顯著提高了圖像工程課程群的教學效果，增強了學生的綜合工程素質(zhì)，有助于實現(xiàn)卓越工程師的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：圖像工程；課程群；教學體系

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0106-02

為適應當今學科之間的相互滲透和交叉的發(fā)展，“培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才”，[1，2]需要構(gòu)建新的課程體系，實現(xiàn)高校專業(yè)課程的良好銜接。因此，實現(xiàn)課程群建設(shè)，精確定位課程群的結(jié)構(gòu)，使教學更具針對性和系統(tǒng)性，最終實現(xiàn)教和學的目標一致，對于現(xiàn)代高等教育具有重要意義。[3，4]

一、圖像工程及其課程教學中存在的問題

圖像工程是一門系統(tǒng)研究運用各種圖像理論、技術(shù)和設(shè)備的綜合應用學科，涵蓋了圖像處理、圖像分析、圖像理解知識范疇及工程應用，其相關(guān)技術(shù)是現(xiàn)代信息處理技術(shù)的研究熱點，應用廣泛。各個大學相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了相關(guān)課程，如“圖像處理”、“圖像通信”、“模式識別”等，這些課程實際上都是圖像工程技術(shù)中的不同方面。如何很好地處理各個課程之間的關(guān)系，最大限度地理解掌握圖像工程學科的相應知識，培養(yǎng)具有創(chuàng)新性圖像工程技術(shù)人才是目前教學中一個重要的問題。

目前，在圖像工程系列課程的教學中還存在著一些問題：課程之間沒有構(gòu)成綜合性研究體系：教學以課程為本，課程之間呈單向線性關(guān)系，知識相對封閉，學生在學習過各課程后對各個知識點之間的銜接沒有綜合性的概念，不利于以后的研究和發(fā)展；課程實驗以仿真單課程理論算法為主，小型的設(shè)計型實驗為輔，缺乏綜合各科知識、設(shè)計完整的小型圖像綜合類的實驗；教學方式相對單一：目前的課程以課程講授為主，課程實驗為輔，教學方式比較單一，學生的參與較少，以致影響學習效果。

為解決這些問題，結(jié)合圖像工程系列課程的特點，參考相關(guān)課程群建設(shè)的經(jīng)驗，[5-8]提出將“圖像處理”“圖像通信”“模式識別”“計算機圖形學”四門課程構(gòu)建圖像工程課程群，對教學內(nèi)容、教學模式、實踐教學、考核方法進行設(shè)計，構(gòu)建一體化、系統(tǒng)化的教學體系，培養(yǎng)學生工程系統(tǒng)性、綜合性的應用能力。

二、教學內(nèi)容設(shè)計

1.課程之間的關(guān)系

課程群課程之間具有較強的相關(guān)性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）研究內(nèi)容有一定的重疊性。例如圖像壓縮是圖像處理技術(shù)的重要方面，同時也是圖像通信的重要環(huán)節(jié)。再如在圖像處理中，通常要對圖像或區(qū)域按一定的概念或公式計算相關(guān)文字、數(shù)值、符號或圖，稱為圖像描述；同時，因這些量反映了原圖像或圖像區(qū)域的某些重要信息，常常被稱為圖像的特征，產(chǎn)生它們的過程對應“模式識別”中的特征提取?！坝嬎銠C圖形學”中真實感處理中涉及部分圖像處理方法。課程割裂將導致重復講授同樣的內(nèi)容，降低課堂利用率。

（2）研究內(nèi)容有銜接性。進行圖像處理的目的是為了進行通信或識別，很少有為了處理而處理的情況。因此，在教學內(nèi)容的設(shè)定上應注重合理銜接，避免知識點斷裂或重復。

（3）知識點之間有相關(guān)性。在具體的應用中，一個完整的圖像工程項目往往是一個綜合性的課題，涉及方方面面的知識點，知識點不是互相割裂的，而是交叉、融合應用；在教學中，往往是分為一個個單獨的知識點來學習。因此，在教學內(nèi)容的設(shè)計上，要注重形成系統(tǒng)化的概念，提高學生對知識應用的靈活性。

2.教學內(nèi)容一體化

由于圖像工程課程群課程研究內(nèi)容之間存在重疊性和銜接性，需要對教學內(nèi)容進行一體化設(shè)計，主要包括協(xié)調(diào)各課程之間的內(nèi)容，統(tǒng)一編寫各門課程教學大綱，注重課程邏輯順序與銜接，避免知識點重復或割裂，提高課堂利用率。

前期的“圖像處理”以學習基礎(chǔ)處理方法為主，圖像壓縮歸為“圖像通信”講授范圍，“模式識別”著重講分類識別的方法；后期“模式識別”、“圖像通信”課程中，增加實際圖像識別系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng)，鞏固在圖像處理中所學知識，并形成圖像工程綜合技術(shù)的概念。

3.教學內(nèi)容系統(tǒng)化

教學中的知識點相對獨立，在圖像工程課程群中有諸多處理算法、編碼算法、識別算法、造型方法等，但這些知識點之間存在什么樣的關(guān)系，實際問題中應如何搭配組合應用，只有對這些問題形成清晰的概念才能真正提高學習和應用的效果。因此，在課程群教學體系建設(shè)中，應使教學內(nèi)容系統(tǒng)化，明確清晰的知識主線與著力點，使學生在學習的過程中形成系統(tǒng)化的概念，綜合性的理解，提高對知識應用的靈活性。教學內(nèi)容系統(tǒng)化在圖像工程教學體系中通過依托工程項目的知識分解與融合來實現(xiàn)，如圖1所示。

結(jié)合圖像工程特點，面向應用，以典型的圖像工程項目“智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)”為依托，分析系統(tǒng)技術(shù)需求，對其進行知識分解，將所需技術(shù)對應知識點分解到各個不同的課程內(nèi)容。通過這樣的分析和分解將有助于學生建立系統(tǒng)化思維，了解工程項目的整體結(jié)構(gòu)；同時建立清晰的知識主線，將所學內(nèi)容和相關(guān)應用聯(lián)系起來，增強學生對知識的理解。

知識分解幫助學生的學習和理解，知識的融合過程將鍛煉和培養(yǎng)學生的工程實踐能力。對于所學各知識點，采用仿真、開發(fā)工具進行實踐教學。由簡單的驗證實驗到復雜的綜合實驗，由淺入深，采用遞進式方式，逐步鍛煉和提高學生的實踐能力。

三、教學模式設(shè)計

1.理論與實踐并重

圖像工程相關(guān)知識理論性強、綜合性強，因此，在教學中對于初學者來講，理論教學是不可或缺的部分；同時，由于工程科目面向應用的特點，實踐教學也是很重要的一個環(huán)節(jié)。采用理論與實踐并重的教學模式對于知識分解及基礎(chǔ)理論側(cè)重于理論教學，保證學生對知識點的理解；同時在理解的基礎(chǔ)上進行實踐教學，隨著教學的深入，由基礎(chǔ)性實驗過渡到綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗，實踐內(nèi)容也不斷加深，使學生最大限度地掌握知識。

2.被動與主動學習

完全填鴨式的被動學習會降低學生學習的積極性，單純依賴學生的主動學習也不現(xiàn)實，因此，在課程群教學模式中，采用被動教學與主動學習相結(jié)合的方式，對于基礎(chǔ)性原理采用被動教學方式，隨著學習的深入，加入實踐環(huán)節(jié)，逐漸加強在教師指導下的主動學習比例。

結(jié)合理論與實踐，被動與主動學習的教學模式如表1所示。

四、實踐教學設(shè)計

實踐教學是教學體系的重要環(huán)節(jié)，圖像工程課程群實踐教學構(gòu)建了三層實驗體系和兩大實驗平臺。

1.分層式實驗體系

整個實驗體系分為三大層：基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗。注重實踐基礎(chǔ)的扎實性、內(nèi)容的漸進性和學生選擇的自主性。

基礎(chǔ)性實驗是實驗體系的底層，針對課程群內(nèi)的各個課程，注重基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，分三小層進行，分別為演示型實驗、基本型設(shè)計實驗和復合型設(shè)計實驗，逐步提高初學者的實踐水平。

綜合性實驗是實驗體系的中層，在課程群內(nèi)課程結(jié)束后，綜合群內(nèi)課程知識，進行綜合性實驗，為培養(yǎng)圖像工程師打下基礎(chǔ)。

創(chuàng)新性實驗是實驗體系的最高層，主要是面向?qū)D像工程感興趣或準備進行深入研究的學生，突出創(chuàng)新性培養(yǎng)。實驗方式主要是學生自主進行的“大學生創(chuàng)新訓練項目”、統(tǒng)一的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)以及部分學生參與到教師的科研項目中去。

2.實驗平臺建設(shè)

針對不同的學習階段，分別構(gòu)建基于軟件編程的基礎(chǔ)性實驗平臺和基于硬件的綜合性實驗平臺?；谲浖幊痰幕A(chǔ)性實驗主要以Matlab和VS為仿真工具，符合圖像工程師工作要求。在此基礎(chǔ)上，基于硬件環(huán)境的綜合實驗平臺采用TMS320C54系列DSP硬件實驗裝置。學生根據(jù)個人愛好或特長選擇。

五、考核方式設(shè)計

考核是教學活動的一個重要環(huán)節(jié)，科學合理、多元化的考核方式對于促進學生的發(fā)展、促進學生潛能、個性、創(chuàng)造性的發(fā)揮具有重要的作用。[9]在圖像工程課程群教學體系中，各課程結(jié)合所采用的教學模式，實現(xiàn)基于過程的多維考核。

1.課程考核

課程考核分三部分：課堂實驗考核、復合型設(shè)計實驗考核、綜合考核。

課堂實驗考核是指對基本型設(shè)計實驗的考核，占整個考核的30%，分三次進行，根據(jù)實驗效果、對教師隨機問題的回答以及實驗報告的規(guī)范性打分。采用這種方式可以綜合考核學生對知識點基本理論的掌握、實際編程的水平以及撰寫規(guī)范化報告的能力。

復合型設(shè)計實驗考核占整個考核的20%，根據(jù)選題的難度、方案的合理性、實驗效果以及實驗報告的規(guī)范性打分。

綜合考核占整個考核的50%，分兩部分考核：程序考核占70%，從選題的難度和綜合性、方案的合理性和完整性、程序設(shè)計的完整性和效果以及工作量幾個方面綜合打分；報告考核占30%，從報告結(jié)構(gòu)合理的完整以及規(guī)范性兩個方面綜合打分。

2.綜合實驗考核

綜合實驗采用團隊合作方式，每組學生3～5名，分工合作完成實驗。實驗完成后，由一名學生對所設(shè)計實驗進行講解，講解后本組的其他學生可以進行適當?shù)难a充，同時回答教師和其他組學生的提問。根據(jù)選題的難度、設(shè)計方案的合理性和完整性、程序設(shè)計的完整性和效果、報告的規(guī)范嚴謹性確定團隊成績。

以上考核方式的實施可以促進大部分學生學習的積極主動性，提高收集材料、語言表達以及團隊合作的能力。

六、結(jié)論

圖像工程課程群教學體系建設(shè)，根據(jù)課程特點，以建設(shè)一體化、系統(tǒng)化教學體系為出發(fā)點，進行了教學內(nèi)容、教學模式、實踐教學和考核方式設(shè)計，有效實現(xiàn)了教學內(nèi)容以“窄”入手，實現(xiàn)“寬”能力的技能培養(yǎng)，實現(xiàn)認識、學習、實踐、驗證的分層遞進教學理念，保證理論知識與實踐知識有效銜接，使教學內(nèi)容組織符合學生認知規(guī)律，教學中突出學生的主體作用，提高學生的學習積極性，提高整體教學效果。

參考文獻：

[1]中國教育新聞網(wǎng)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃[EB/OL].http：//www.jyb.cn/high/tbch/2010/zygcs.

[2]中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的若干意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html.

[3]郭必裕.對高校課程群建設(shè)中課程內(nèi)容融合與分解的探討[J].現(xiàn)代教育科學，2005，（2）：66-68.

[4]付八軍，馮曉玲.高校課程群建設(shè)：熱潮還是趨勢[J].江蘇高教，2007（4）：63-65.

[5]歐陽華，楊忠林，李輝.“信號與信息處理”課程群教學改革研究[J].中國電力教育，2013，（19）：70-71，77.

[6]王艷芬，張劍英，張曉光，等.信號處理課程群實驗教學體系的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2013，32（4）：132-134，139.

[7]王健海，王精明.課程群建設(shè)的質(zhì)量機能展開法研究[J].計算機教育，2012，（2）：9-12.

[8]陳乃金，周鳴爭.“嵌入式系統(tǒng)”課程群的改革與實踐[J].長春大學學報，2013，23（8）：1044-1046.

[9]蔡利梅.多維考核與學生職業(yè)能力培養(yǎng)[J].高等函授學報（自然科學版），2009，22（2）：23-24.

（責任編輯：王祝萍）