基于實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理教學改革研究

王圓妹，李永全（長江大學電子信息學院，荊州　434023）

基于實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理教學改革研究

王圓妹，李永全
（長江大學電子信息學院，荊州434023）

0　引言

數(shù)字圖像處理是信息科學中發(fā)展最快的一個研究方向，高等學校中信號與信息處理專業(yè)的核心專業(yè)課程，是一門涉及多領域的交叉學科，在科學教育、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事科學、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域有著廣泛的應用［1］。在普通的本科院校中，電子信息工程、通信工程、信息科學等專業(yè)都開設了數(shù)字圖像處理這門程，并作為專業(yè)主干課列入本科人才培養(yǎng)計劃，是一門理論與實踐、原理與應用結(jié)合緊密的課程。

教育部于2009年提出的一項重大教育改革試點項目，旨在培養(yǎng)造就一大批具有創(chuàng)新能力、動手實踐能力的高質(zhì)量工程技術人才，以促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高我國工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量。數(shù)字圖像處理課程是一門實踐性很強的學科，以往的教學過程中存在著一些問題：（1）教材中有許多理論和算法演繹過程，這樣學生學習起來比較費勁；（2）隨著科學技術的發(fā)展，新技術機及新知識應運而生，傳統(tǒng)的教學手段無法滿足學生對其的渴望。（3）沒有系統(tǒng)性的實驗指導書，學生自己動手學習的興趣不高，所以實驗目的很難達到；（4）沒有典型的實例作為訓練的項目，學生學習的理論知識和時間脫節(jié)，沒法激發(fā)學生學習的主動性和求知的欲望。傳統(tǒng)的教學過程過于強調(diào)理論，不注重具體實踐操作，已經(jīng)不能適應“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專業(yè)人才”的根本要求，也遠遠不能滿足學生在就業(yè)時的技能需求［2］。為適應 “卓越計劃”對培養(yǎng)實踐型、創(chuàng)新型人才的要求，在本院“國家卓越工程師培養(yǎng)計劃——電子信息工程專業(yè)”的項目支撐的背景下，結(jié)合多年對圖像處理的教學積累和經(jīng)驗，筆者從教材的選用、教學內(nèi)容、教學方法、教學手段、實驗教學及考核方式等五方面對該課程的教學模式進行積極探索研究，旨在教學過程中注重培養(yǎng)學生的實踐能力，不斷提高學生的科技創(chuàng)新能力。

1　選用最新的優(yōu)秀教材，優(yōu)化教學內(nèi)容

結(jié)合時代的進步，教學內(nèi)容要作相應的調(diào)整，結(jié)合國內(nèi)外科研和教學成果適當介紹學科發(fā)展的前沿知識，同時還應及時將本領域的新技術、新方法、新動態(tài)引入到課程中進一步完善教材［3］。數(shù)字圖像處理課程的基本內(nèi)容包括圖像處理的基礎知識、圖像變換、圖像增強、圖像恢復、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像特征提取與選取以及圖像分類識別等知識。近年來隨著計算機多媒體技術及通信技術的飛速發(fā)展，一些新的技術和新的算法應運而生。例如小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡，信息安全等新方法在早期的教材中都沒有涉及到。為了適應時代的發(fā)展，對教材的選用要注意對學科前沿知識的囊括，這樣便于學生對新知識的了解及應用。通過對教學內(nèi)容的深入研究，依據(jù)課程教學大綱，要求教師對授課的內(nèi)容以基礎理論知識為基礎，教學過程中穿插相關的科研項目或?qū)嶋H項目。將一些新的知識如信息熵、小波變換、形態(tài)學等概念滲透到相關章節(jié)中，給學生展示這些新知識運用的應用，不斷提高學生學習新理論、新知識的興趣。

培養(yǎng)學生的自學能力。在講述理論基礎知識的同時，我們可以適當?shù)乩孟嚓P的計算機軟件MATLAB 或Visual C++對相關算法進行結(jié)果演示，加強對理論算法的理解；學生通過網(wǎng)絡資源中相關的期刊數(shù)據(jù)庫的了解，可以查詢最新的科研成果，提高學生積極的主我學習的意識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新—科研能力。

2　運用任務驅(qū)動教學方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和綜合運用能力

在素質(zhì)教育不斷推進的時代，教學過程中更注重發(fā)揮學生的能動性、主體性和創(chuàng)造性，同時也強調(diào)對學生情商的提高，已成為目前高等教育的根本目的。借鑒近年來國際工程教育改的的最新成果——CDIO工程教育模式［4］，在課程的教學改革過程中，要堅持利于學生發(fā)展的教學理念——學生為主體，教師為主導，采用項目為導向、任務為驅(qū)動、邊學邊做的教學模式。

所謂任務驅(qū)動法，就是以任務驅(qū)動和項目教學的形式組織內(nèi)容［5］，通過漸進的多個任務實現(xiàn)對相關知識的綜合運用，同時講授設計的思路、方法、過程，激發(fā)學生學習激情，鼓勵學生們通過努力自己解決了一個個問題。學生在學習過程要進行較色的轉(zhuǎn)變，從被動學習的學習狀態(tài)變成主動學習的學習狀態(tài)，真正融入課程，使學生成為課堂的真正主體。教師可以把具體的任務分成基礎部分和提高部分。教師對實現(xiàn)的方法不作限定，這樣學生有很大的想象空間進行發(fā)揮 ，并不斷養(yǎng)成探究完成任務方法的學習習慣。例如，教師在講授圖像處理基礎知識的時候，可以結(jié)合實際例子來理解圖像處理過程，可以將車牌識別、指紋識別、人臉識別、數(shù)字水印等實際項目滲透到圖像增強、圖像分割、圖像變換及特征提取中。在這樣的授課模式下，學生按照教師布置的任務運用自己所掌握的知識和積累的經(jīng)驗，通過參考資料或者網(wǎng)上資料搜索，將任務完成。“授人以魚，不如授人以漁”，授人知識固然重要的，授人方法更為重要。鼓勵每個學生用創(chuàng)新的思維方式去完成任務，不斷培養(yǎng)學生們分析問題和解決問題的能力、創(chuàng)新能力。通過這樣一個過程的訓練，學生的創(chuàng)新能力、獨立解決問題的能力及實踐能力都得到提高

3　提升教學手段

概念多、理論性強、枯燥乏味是圖像處理這門課程的特點，為提高學生的學習興趣，應提升教學手段，可以采用現(xiàn)代網(wǎng)絡多媒體的教學手段。結(jié)合對教學內(nèi)容的組合優(yōu)化和對教學方法的豐富，制作現(xiàn)代多媒體教學課件，按照“由淺入深，少而精，圖文并茂”的原則，結(jié)合Matlab和Visual C++軟件編程的實例教學，在課堂中引入熱點的的圖例分析和編程處理，引導學生學習。教學手段多樣化，可以是PPT課件、單元設計、整體設計、啟發(fā)引導、教案、板書、演示、項目驅(qū)動、分組討論等形式。教師按照課程的具體要求，組織貼近學生的教學活動，在制作課件 PPT時，清晰地體現(xiàn)出該課程的重點與難點，基于多媒體的多種教學手段能使課程內(nèi)容更加豐富。

利用互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建網(wǎng)絡的教學資源，提供形式多樣的數(shù)字化教學資源，為自主學習的學生提供便捷，教學資料的難易程度也兼顧不同層次的學生，這樣的一個平臺，尤其能滿足思維敏捷、學習主動的學生的需求，網(wǎng)絡的教學資源作為課堂教學的外延，非常利于培養(yǎng)學生的主動的創(chuàng)新能力和自我學習能力。

4　改革實驗教學

長期以來，數(shù)字圖像處理的實驗教學主要以教師為主，教師講解分析實驗原理并演示實驗步驟，學生簡單地進行復制和粘貼相應的實驗內(nèi)容，在這種傳統(tǒng)的實驗教學模式下，學生只會被束縛在這種模仿式的學習中，不會主動地進行獨立思考和創(chuàng)新。因此，迫切需要對實驗的教學方法進行改革。在改進的實驗教學過程中，以學生為主體，教師為輔，教師主要介紹一些驗證性的實驗，學生自己操作實現(xiàn)。而后，教師可以從科研項目中適當?shù)剡x擇一些與實驗相關的題目，讓學生進行思考，從理論上引導學生理解相關的概念知識。在此基礎上，教師可以適當壓縮講授的時間，采用啟發(fā)式的教學方法引導學生分析問題，能夠提出解決問題的基本思路。與教師交流后獨立完成。同時，我們也在嘗試開放式實驗的教學，在對理論知識理解和具備實驗操作的基礎上，教師可將一些典型的數(shù)字圖像處理相關的科研項目設計為實驗項目。在課程教學中，鼓勵和引導學生進行課外的創(chuàng)新活動，例如申請省級或校級的大學生科技創(chuàng)新活動，參加一些相關的學科競賽等，通過這樣的課外實踐模式，學生在這個過程中可以反饋課本或查閱資料不斷地鞏固、完善理論知識體系，開闊視野，還可以調(diào)動學生學習的主動性和創(chuàng)造性，鍛煉學生的動手能力［5］，豐富實踐知識。

5　改革考核方式

該課程傳統(tǒng)的考核方式多半采用閉卷或半開卷，期末考試占比例為70%，平時成績占比例為30%。學生只需要對一些基本的概念、定義、公式、例題等進行強化記憶，根據(jù)課程內(nèi)容的側(cè)重點 進行復習，基本上都能考得較好的成績。結(jié)合任務驅(qū)動的教學方法，需要建立與此相對應的考核評價模式。在項目引導、任務驅(qū)動的教學過程中，課程教學主要是由教師、學生共同參與、共同完成，誠然學生是主角。因此，評價學生對該課程的掌握情況要充分考慮學生在任務驅(qū)動教學中的作用，同時將工作能力素養(yǎng)和創(chuàng)新意識納入課程評價中去［6-7］。因此，課程評價的內(nèi)容主要包括三部分構(gòu)成：學習能力（40%）、工作能力評價（30%）、創(chuàng)新意識評價（30%）評價主體是教師，通過現(xiàn)場工作匯報來評價學生的學習能力、工作能力及創(chuàng)新意識。這樣能夠激發(fā)學生的思維；也可以提高學生的科研能力和實踐創(chuàng)新能力，更能夠強化科研在人才培養(yǎng)中的作用。

6　結(jié)語

通過對數(shù)字圖像處理課程的教學改革，激發(fā)學生的學習興趣，在強調(diào)基礎理論的學習同時，不斷豐富課堂教學和實踐教學，把專業(yè)理論知識和工程實踐相結(jié)合，掌握實現(xiàn)的算法，用于科研項目的開發(fā)，逐漸培養(yǎng)學生的科學思維能力、科技創(chuàng)新能力及綜合運用能力，提高學生的專業(yè)技術水平，以適應當今社會對卓越型工程人才的迫切需求。

［1］李金萍等，數(shù)字圖像處理課程實驗教學改革探索——在實驗教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力.科技視界［J］，2012.03（7）-23：25.

［2］楊莉.數(shù)字圖像處理的教學改革淺談.科教導刊［J］，2011.33（3）：49-50.

［3］魏廣芬等.“數(shù)字圖像處理”課程教學改革的嘗試［J］.電氣電子教學學報，2009，31（6）：24-25.

［4］吳恭興等.基于CDIO模式的卓越工程師培養(yǎng)方案的探索與實踐研究［J］.大學教育，2013.（9）：7-10.

［5］劉文禮等.面向創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理教學改革［J］，高師理科學刊，2013，33（1）：93-95.

［6］湯敏.醫(yī)學圖像處理與分析課程教學改革的探索［J］.中國教育技術裝備，2013（3）：106-107.

［7］賈永紅等.“數(shù)字圖像處理技巧”通識課程的建設與改革［J］.地理信息世界，2011，12（6）：42-44.

Teaching Reformation；Task-Driven；Practice and Innovation Ability；Digital Image Processing

Research on Teaching Reformation of Digital Image Processing for Cultivating Innovation and Practice Ability

WANG Yuan-mei，LI Yong-quan
（School of Electronic and Information Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023）

1007-1423（2015）27-0031-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.009

王圓妹（1976-），女，福建浦城人，碩士研究生，副教授，教師，研究方向為數(shù)字圖像處理、計算機應用技術

2015-08-18

2015-09-25

針對傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程教學中存在的問題進行詳細闡述，主要從數(shù)字圖像處理課程的教學內(nèi)容、教學方法、教學手段、實驗教學、考核形式等五面對該課程教學進行改革和探索，并將任務驅(qū)動的教學方法引入教學過程。結(jié)果表明，提出的教學改革方法貫穿該課程的教學過程，培養(yǎng)和增強學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

教學改革；任務驅(qū)動；實踐和創(chuàng)新能力；數(shù)字圖像處理

2014年湖北省教育廳高校省級教學研究項目（No.2014260）

李永全（1965-），男，湖北武漢人，本科，副教授，研究方向為信號與信息處理、多媒體通信與處理

Describes some problems in traditional teaching of Digital Image Processing in details，realizes teaching reformation from five aspects，such as teaching content，teaching methods，teaching measure，practical teaching and assessment way，introduces task-driven teaching method in the teaching process.The results show that the proposed method of teaching runs through the teaching course of digital image processing，and it can cultivate and strengthen the practice ability and innovation ability of the students.