《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)改革與實(shí)踐

魏晗等

摘 要：針對(duì)《數(shù)字圖像處理》課程的特點(diǎn)，應(yīng)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，適當(dāng)整合教學(xué)內(nèi)容，注重基礎(chǔ)理論和科技前沿的有機(jī)結(jié)合，在理論中滲透實(shí)踐，在實(shí)踐中穿插理論；并采用講授法、研究法、討論法、實(shí)驗(yàn)法等靈活多樣的教學(xué)方法，通過(guò)板書(shū)、多媒體課件、輔助教學(xué)軟件以及教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等豐富的教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐動(dòng)手能力，獲得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 教學(xué)改革 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-2117（2014）08-0012-02

1 前言

數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)滲透到計(jì)算機(jī)、通信、交通、物理、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、軍事、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，與人們的生活密切相關(guān)?！稊?shù)字圖像處理》是信息技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展較快的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，是模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等學(xué)科的基礎(chǔ)，也是一門(mén)涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。

該課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，要求學(xué)生在掌握?qǐng)D像處理的基本概念、基礎(chǔ)理論、典型算法的基礎(chǔ)上，掌握一定的編程實(shí)踐能力，能夠利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的各種處理，如圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像重建、圖像分割、圖像編碼和圖像識(shí)別等，在學(xué)習(xí)圖像專業(yè)知識(shí)的過(guò)程中增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取知識(shí)和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，為其今后深入地進(jìn)行科學(xué)研究和獨(dú)立工作奠定良好的基礎(chǔ)。

2 創(chuàng)新教學(xué)理念

在《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)中，努力貫徹素質(zhì)教育的先進(jìn)理念，注重教與學(xué)的有機(jī)結(jié)合，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，將培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)思維，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)作為教學(xué)的重要目標(biāo)之一。

對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，以圖像處理算法的理論作為授課的重點(diǎn)，以算法的產(chǎn)生、應(yīng)用、改進(jìn)為主線，突出知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，揭示數(shù)字圖像處理發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律（要求學(xué)生重點(diǎn)理解）。

掌握數(shù)字圖像的基本概念和基本算法，關(guān)注圖像應(yīng)用的前沿動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，并根據(jù)課程需要，適當(dāng)將數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中最新的技術(shù)手段，研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢(shì)納入教學(xué)，并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)新知識(shí)、新領(lǐng)域進(jìn)行積極地探索。

在教學(xué)過(guò)程中，努力將復(fù)雜抽象的理論融入到形象直觀的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)中，將算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的重難點(diǎn)問(wèn)題分解細(xì)化為可展現(xiàn)的圖像處理效果，在理論中滲透實(shí)踐，在實(shí)踐中穿插理論，注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，真正使學(xué)生樂(lè)學(xué)、易學(xué)并會(huì)學(xué)。

3 改革教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字圖像處理技術(shù)在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事技術(shù)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。圖像技術(shù)的快速發(fā)展決定了《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)內(nèi)容也需要不斷更新，教材原則上選用專業(yè)內(nèi)容全面新穎的教材，即圖像專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)穩(wěn)定，并能夠緊跟數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于輔助性教材，可以根據(jù)圖像課程的系統(tǒng)性和實(shí)用性，并考慮到擴(kuò)充學(xué)生的視野，可以選一些國(guó)際上經(jīng)典書(shū)籍如外文經(jīng)典專著。目前我們以2012年清華大學(xué)出版社出版的，章毓晉編寫(xiě)的《圖像工程（上冊(cè)）——圖像處理（第三版）》教材為主線，以美國(guó)Rafael C.Gonzalez 等編著的Digital Image Processing，阮秋琦編著的《數(shù)字圖像處理學(xué)》等教材和中外科技期刊發(fā)表的最新圖像技術(shù)為參考資料，并適當(dāng)補(bǔ)充本領(lǐng)域中的一些新技術(shù)、新方法及新成果。

對(duì)圖像處理教材內(nèi)容進(jìn)行整合，課內(nèi)圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)分為九大模塊：圖像與視覺(jué)基礎(chǔ)、圖像運(yùn)算與變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像重建、圖像編碼、圖像分割、圖像目標(biāo)表達(dá)與描述、圖像識(shí)別等內(nèi)容。

在授課過(guò)程中，一般知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自學(xué)，系統(tǒng)講解重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，如直方圖均衡等，而對(duì)于教材中未寫(xiě)進(jìn)或無(wú)系統(tǒng)介紹的前沿性、創(chuàng)新性或跨學(xué)科的內(nèi)容，則滲透到各個(gè)章節(jié)中。例如，將水果識(shí)別系統(tǒng)、車(chē)牌圖像的自動(dòng)識(shí)別、基于內(nèi)容的圖像檢索等新技術(shù)滲透到圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像目標(biāo)表達(dá)與描述和圖像識(shí)別等各個(gè)章節(jié)中，授課內(nèi)容完成，那么自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)模型建立，學(xué)生就完成了水果、車(chē)牌等圖像的自動(dòng)識(shí)別。通過(guò)這種方法強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)，跟蹤前沿，將基礎(chǔ)理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生不僅能夠?qū)W到課程的基礎(chǔ)知識(shí)，了解科學(xué)前沿的最新成果，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，而且與時(shí)俱進(jìn)，增強(qiáng)了學(xué)生的好奇心，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4 改進(jìn)教學(xué)方法

在數(shù)字圖像處理教學(xué)中，綜合運(yùn)用課堂講授法、研究法、討論法和實(shí)驗(yàn)法等教學(xué)方法，發(fā)揮各種教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與教學(xué)。

對(duì)于一般的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容，例如，圖像增強(qiáng)中的直方圖增強(qiáng)等模塊，同時(shí)以課堂講授和實(shí)驗(yàn)法為主，在講解圖像增強(qiáng)理論的同時(shí)進(jìn)行圖像直方圖增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，在圖像增強(qiáng)原理講完之后直接出現(xiàn)直方圖增強(qiáng)的前后對(duì)比圖，可以激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)手能力。

對(duì)于圖像邊緣檢測(cè)等一些難度相對(duì)較小的內(nèi)容，首先以講授法系統(tǒng)地講解其中一種邊緣檢測(cè)算法，其他與之原理相似的算法則運(yùn)用討論法，以學(xué)生討論、交流為主，教師引導(dǎo)、點(diǎn)評(píng)為輔進(jìn)行。

對(duì)于課堂難度較大的內(nèi)容如圖像恢復(fù)與重建，則采取研究法為主，其他方法為輔。促使學(xué)生主動(dòng)思維，成為真正的學(xué)習(xí)主體，教師根據(jù)學(xué)生反饋的信息及時(shí)把握學(xué)生思維過(guò)程，成為真正的主導(dǎo)。

另外，對(duì)于圖像某一知識(shí)模塊的引入，可以適當(dāng)設(shè)置一些懸念或疑問(wèn)，再引出講授的主要內(nèi)容，即將教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)成一個(gè)“產(chǎn)生疑問(wèn)—尋求解決方法—解決疑問(wèn)—再產(chǎn)生疑問(wèn)—再尋求解決方法一再解決疑問(wèn)……”的過(guò)程。這樣不僅有利于增強(qiáng)授課內(nèi)容的邏輯性，還有利于啟發(fā)學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的興趣及創(chuàng)新能力。

5 豐富教學(xué)手段

鑒于數(shù)字圖像理論知識(shí)比較豐富，實(shí)踐性比較強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域比較廣的特點(diǎn)，以及現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備、教學(xué)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改善，《數(shù)字圖像處理》課程采用板書(shū)、多媒體課件、輔助教學(xué)軟件以及教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等多元化的教學(xué)手段。充分活躍課堂氣氛，提高教學(xué)效果，促進(jìn)教學(xué)改革，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，獲得了良好的教學(xué)效果。

對(duì)于數(shù)字圖像處理中典型算法的原理與推導(dǎo)等難度較大的內(nèi)容，以板書(shū)為主，通過(guò)對(duì)公式的推理計(jì)算，體現(xiàn)出知識(shí)的邏輯性和嚴(yán)謹(jǐn)性。同時(shí)適當(dāng)輔以多媒體課件對(duì)圖像處理的結(jié)果進(jìn)行演示，以加速學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的直觀性、生動(dòng)性和趣味性。

針對(duì)本課程的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了輔助教學(xué)軟件，利用該軟件在課堂教學(xué)中將圖像處理算法的實(shí)際效果進(jìn)行隨堂演示，從而將枯燥的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為立竿見(jiàn)影的實(shí)際操作。讓學(xué)生充分感受到數(shù)字圖像處理技術(shù)的巨大魅力，從而降低了理論知識(shí)學(xué)習(xí)的難度，增加了課堂的信息量、激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)了化靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，化抽象為直觀，化復(fù)雜為簡(jiǎn)潔，使課堂教學(xué)的效率大大提高。此外，又鍛煉了學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

根據(jù)課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步改革教學(xué)實(shí)踐，安排了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容劃分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理、基本操作處理和簡(jiǎn)單的典型算法編程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂上理論知識(shí)的學(xué)習(xí)鞏固，增強(qiáng)了學(xué)生的編程能力和基本的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生對(duì)源代碼進(jìn)行分析研究、修改或補(bǔ)充，動(dòng)手設(shè)計(jì)一些綜合性或創(chuàng)新性的算法，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告或論文。既培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，又提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

利用大學(xué)提供的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，把圖像處理課程的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、授課教案、教學(xué)課件、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)以及相關(guān)參考資料都上傳到此教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上積極討論關(guān)于圖像處理方面的一些最新研究等話題，激發(fā)學(xué)生討論及思考。另外，學(xué)生對(duì)于未消化的難點(diǎn)，也可以在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上提出，教師及時(shí)通過(guò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行回復(fù)，實(shí)現(xiàn)課后數(shù)字圖像處理教學(xué)的互動(dòng)，從而作為課堂學(xué)習(xí)的補(bǔ)充。教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享，課后教學(xué)的互動(dòng)，豐富了教學(xué)手段，為開(kāi)展多種形式的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

6 改革考核方法

課程考核對(duì)于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握、實(shí)驗(yàn)技能的提高、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有很大的促進(jìn)作用。然而，傳統(tǒng)的閉卷考試，主要考核學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，容易使得學(xué)生將注意力放在背記考點(diǎn)及研究考試技巧上?！稊?shù)字圖像處理》課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，僅采用這種評(píng)價(jià)方式將難以調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)不到良好的效果。

在考核方法的改革上，對(duì)《數(shù)字圖像處理》課程采用了綜合性的考核方法。期末考試采用筆試開(kāi)卷方式，主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)理論的宏觀掌握。在考試題目設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生知道如何去尋找解決問(wèn)題的方案，考核學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；同時(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的比重，根據(jù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成情況，以及創(chuàng)造性解決圖像處理問(wèn)題的能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行評(píng)分。另外，還將平時(shí)的聽(tīng)講，回答問(wèn)題，作業(yè)的情況列入平時(shí)成績(jī)。因此《數(shù)字圖像處理》課程最終的考核成績(jī)包括三個(gè)部分：期末考試成績(jī)（占50%），實(shí)驗(yàn)成績(jī)（占30%）和平時(shí)成績(jī)（占20%）。

通過(guò)課程考核方法的改革，不僅有效地檢驗(yàn)了學(xué)生對(duì)《數(shù)字圖像處理》課程的綜合掌握程度，而且還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，提高了實(shí)踐創(chuàng)新能力。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展和完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)也在不斷發(fā)展，并且越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，相應(yīng)地，數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革和實(shí)踐也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外科研和教學(xué)成果，不斷吸收新知識(shí)，豐富教學(xué)內(nèi)容；根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活運(yùn)用各種教學(xué)方法，使學(xué)生在掌握數(shù)字圖像處理基本理論和方法的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，創(chuàng)新意識(shí)與綜合設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生的信息綜合設(shè)計(jì)能力和科學(xué)研究能力有明顯地提高。激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平，真正培養(yǎng)出具有開(kāi)拓精神和創(chuàng)新意識(shí)的現(xiàn)代化新人。

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