具有行業(yè)特色的《數(shù)字圖像處理》教學(xué)改革

梁志貞，江海峰，楊小冬

（中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州　22116）

具有行業(yè)特色的《數(shù)字圖像處理》教學(xué)改革

梁志貞，江海峰，楊小冬

（中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州22116）

0　引言

“卓越計劃”是由教育部2010年推出的一項重要的教育改革試點項目［1-2］，目的在于培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新能力和動手實踐能力的高級工程技術(shù)人才，從而提高我國工程人才培養(yǎng)質(zhì)量?！白吭接媱潯庇腥齻€顯著的特點：一是增強(qiáng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力；二是按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)現(xiàn)代化的工程人才；三是相關(guān)企業(yè)參與培養(yǎng)學(xué)生。這些特點決定了高校在課程教學(xué)中應(yīng)實施學(xué)校和企業(yè)協(xié)同合作，同時注重結(jié)合理論知識與工程應(yīng)用，重點培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、實踐能力和創(chuàng)新精神，為企業(yè)輸送優(yōu)秀工程師。

數(shù)字礦山是以計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，具有明顯的行業(yè)特色和學(xué)科特點。礦山數(shù)字化教育部工程研究中心依賴于中國礦業(yè)大學(xué)計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)、檢測技術(shù)與自動化裝置、控制理論與控制工程等博士點學(xué)科進(jìn)行建設(shè)。該工程中心以礦山數(shù)字化和礦山智能生產(chǎn)為主要目標(biāo)，建立三個重要方向的產(chǎn)業(yè)化平臺：（1）基于智能傳感器的礦山信息的獲??；（2）礦山數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；（3）礦山智能信息處理技術(shù)。建立工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中心、軟件分析測試中心以及成果轉(zhuǎn)化基地，且與國內(nèi)知名礦山企業(yè)聯(lián)合建立4-6個試驗基地。

中國礦業(yè)大學(xué)的計算機(jī)專業(yè)、電子信息專業(yè)、測繪專業(yè)等學(xué)院開設(shè)了《數(shù)字圖像處理》及相關(guān)課程。但是各個學(xué)院開設(shè)這門課側(cè)重點不同，這由于各專業(yè)所強(qiáng)調(diào)的知識點所決定的。針對我院學(xué)科的特點和行業(yè)背景，借助卓越工程計劃的進(jìn)行，強(qiáng)化學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)工程知識解決實際問題的能力，確保提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生一般具有較強(qiáng)的編程能力，《數(shù)字圖像處理》作為培養(yǎng)體系中的一門重要課程，其教學(xué)改革也應(yīng)依據(jù)“卓越計劃”的目標(biāo)及要求來進(jìn)行。

為適應(yīng) “卓越計劃”對培養(yǎng)實踐型和創(chuàng)新型工程人才的要求，擬從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容等方面上對該課程進(jìn)行改革，結(jié)合本院實際情況，在課程教學(xué)中，對課程的相關(guān)理論進(jìn)行實踐性轉(zhuǎn)化，對每個章節(jié)涉及到的實踐內(nèi)容進(jìn)行編程實現(xiàn)，并通過礦井下獲得的一些圖像來實現(xiàn)數(shù)字圖像處理的一些算法，結(jié)合VC++、OpenCV進(jìn)行講解，使學(xué)生能更好地掌握新知識，滿足目前社會的需求，使學(xué)生具有更好的就業(yè)競爭力。

1　《數(shù)字圖像處理》課程特點

《數(shù)字圖像處理》課程［3-5］內(nèi)容非常多，難度不小，大多數(shù)章節(jié)都能夠單獨(dú)作為一個重要的研究方向。這門課程不僅與其他課程（模式識別、電視技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)物理）聯(lián)系緊密，而且與實際聯(lián)系緊密，如礦井下視頻圖像處理等。因此《數(shù)字圖像處理》課程理論性和實踐性都很強(qiáng)。然而，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生非常難以理解復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式所表示的物理意義，不能很好地將其它相關(guān)課程所學(xué)知識融入到該課程的學(xué)習(xí)中。另外，大多數(shù)學(xué)生不了解圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展，不能很好地掌握煤礦行業(yè)中圖像處理技術(shù)的最新前沿知識和最新動態(tài)。傳統(tǒng)的《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)內(nèi)容有三個主要顯著特點：（1）課程內(nèi)容涉及面過于廣泛。該課程研究內(nèi)容涉及圖像的獲取和存儲、時域和頻域圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像壓縮、彩色圖像變換、圖像分割以及圖像識別等。但是在目前我院教學(xué)中，該課程的教學(xué)時數(shù)為32學(xué)時，所以很難在有限的課時內(nèi)詳細(xì)講解每一個章節(jié)的內(nèi)容；（2）課程內(nèi)容的理論性偏強(qiáng)。數(shù)字圖像處理的每種方法都依賴于相關(guān)的數(shù)學(xué)理論，例如傅立葉變換、圖像壓縮等。這些數(shù)學(xué)概念和知識對一些我院校的卓越班學(xué)生，可能存在理解不透徹或者從未學(xué)習(xí)的情況；（3）課程內(nèi)容更新快。數(shù)字圖像處理是一門融和多學(xué)科的課程，其涉及的理論和知識點不斷得到更新，所以如何將最新圖像處理方法融入到我們當(dāng)前教學(xué)中是該課程改革的一個重要環(huán)節(jié)。

2　教學(xué)改革措施

2.1課程內(nèi)容的優(yōu)化

我院信息科學(xué)系卓越班的學(xué)生是原班級中學(xué)習(xí)成績相對比較好的學(xué)生，有較好的基礎(chǔ)。而且他們畢業(yè)后樂意選擇從事工程技術(shù)工作。學(xué)生自身特點對教師優(yōu)化課堂教學(xué)大有好處。針對我院的特色和卓越班的特點，我們對《數(shù)字圖像處理》課程［6-7］部分教學(xué)內(nèi)容需進(jìn)行了調(diào)整。既然礦井下獲得的圖像一般是模糊不清的，我們重點講解了圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原這部分內(nèi)容，并介紹了最近幾圖像增強(qiáng)算法和圖像復(fù)原算法和選擇一些內(nèi)容新穎的相關(guān)書籍、專題性的資料作為輔助性教材。在教學(xué)改革過程中，結(jié)合本專業(yè)和學(xué)生的特點，強(qiáng)化知識的運(yùn)用情況和知識結(jié)構(gòu)的完整性講解，把教學(xué)的重點放在對知識理解和實踐能力的培養(yǎng)上。

2.2教學(xué)方法的改進(jìn)

數(shù)字圖像處理課程涉及的知識點非常多，把所有書本的知識點都講解清楚是不可能的，而且從我院學(xué)生的學(xué)習(xí)效果來看，學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)知識不牢固和自學(xué)能力較差等問題。因此對教學(xué)方法的改革必須進(jìn)行。如何提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)這門課能力，以及改善教學(xué)效果是非常關(guān)鍵的。針對卓越班的學(xué)生的實際情況，我們對重點的知識點進(jìn)行詳細(xì)講解，且讓學(xué)生自學(xué)一些章節(jié)，同時將具有礦業(yè)相關(guān)圖像的前沿性和交叉性的內(nèi)容聯(lián)系到各個章節(jié)中進(jìn)行講解，這不僅鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力，同時也讓學(xué)生了解了煤礦下數(shù)字圖像處理技術(shù)的當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。課堂上，也充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性，讓學(xué)生了解如何運(yùn)用知識解決實際問題，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)要勝過講述理論本身。在課堂上主要以啟發(fā)式教學(xué)法為主，多提問一些數(shù)字圖像處理問題，多引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生積極思考，參與互動過程。學(xué)生主動參與到教學(xué)過程才能有效提高教學(xué)質(zhì)量和效果。由于多媒體教學(xué)的優(yōu)勢，充分利用圖像、動畫、聲音、視頻等多媒體手段進(jìn)行輔助教學(xué)，從而提高教學(xué)效果。為幫助學(xué)生充分理解圖像處理的基礎(chǔ)知識，結(jié)合C++、OpenCV等工具，以直觀的方式向?qū)W生展示數(shù)字圖像處理一般的過程和結(jié)果。這不僅加深了學(xué)生對理論知識和相關(guān)算法的理解，也讓學(xué)生了解到算法的在實際情況下的具體應(yīng)用。

2.3課程教學(xué)中培養(yǎng)團(tuán)隊意識

由于我院卓越班的學(xué)生畢業(yè)后大多數(shù)從事工程技術(shù)工作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識是相當(dāng)關(guān)鍵的。學(xué)院信科系的學(xué)生有30人，在實際教學(xué)中將學(xué)生分成6個學(xué)習(xí)小組，每個小組完成一個數(shù)字圖像處理的相關(guān)的課題。每位組長負(fù)責(zé)組內(nèi)成員的課題的分工。他們自由選擇課題的題目。但是最后要實現(xiàn)相應(yīng)的算法。每個小組課后網(wǎng)上和圖書館查閱相關(guān)的算法的資料。小組組長可以根據(jù)學(xué)生的能力安排組內(nèi)成員分別負(fù)責(zé)一種圖像處理算法，寫出具體算法詳細(xì)報告，并在小組內(nèi)進(jìn)行充分的討論。根據(jù)交流討論的結(jié)果和報告內(nèi)容，各個小組設(shè)計算法實現(xiàn)方案，并驗證和比較多種算法。小組成員完成算法設(shè)計流程及算法驗證等，最后做PPT。由小組長在課堂上根據(jù)PPT匯報結(jié)果。匯報完完畢后，由教師和其他組同學(xué)進(jìn)行評價，最終評價結(jié)果作為該組成員的項目成績。

2.4考核評價體系改革

我院的原有學(xué)生這門課學(xué)習(xí)成績通常由兩部分組成：平時成績和期末考試，一般期末考試在總成績中占的比重達(dá)70%，很顯然這種評價方法已經(jīng)不適合卓越班的學(xué)生。卓越班的學(xué)生重點培養(yǎng)他們的實踐能力，因此我們增加了項目完成情況作為成績的一個重要組成部分，它所占的比重達(dá)到30%，其他的比重占70%。項目成績是這樣的得到的：在項目匯報時由各小組之間相互評分，作為小組學(xué)生的項目成績，最后綜合得到各位學(xué)生的成績。期末考試雖然采用筆試閉卷方式，但是考卷中增加了應(yīng)用題的比重，重點放在學(xué)生分析和解決煤礦環(huán)境下數(shù)字圖像問題的能力。

3　結(jié)語

根據(jù)卓越計劃的具體要求，充分考慮到我院專業(yè)具有較強(qiáng)的煤礦背景且課程的建設(shè)依托國家級工程中心來進(jìn)行，讓學(xué)生直接參與到項目實施中。把項目模式等引入《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)過程，增強(qiáng)學(xué)生的實踐動手能力，強(qiáng)化學(xué)生的煤礦背景下工程實踐能力和創(chuàng)新能力，才能夠把握未來煤礦人才市場的實際需求，真正解決學(xué)生就業(yè)的問題，從而實現(xiàn)高校、煤礦企業(yè)和學(xué)生共贏的局面。以“緊跟學(xué)科發(fā)展、適應(yīng)社會需求、增強(qiáng)實踐能力、發(fā)揮工程技能、培養(yǎng)團(tuán)隊精神、提高創(chuàng)新能力”為卓越工程師培養(yǎng)的教學(xué)理念為基礎(chǔ)，積極開展數(shù)字圖像處理教學(xué)改革研究與實踐，開發(fā)出針對礦業(yè)行業(yè)的數(shù)字圖像處理軟件，充分發(fā)揮煤礦行業(yè)背景和相應(yīng)的學(xué)科優(yōu)勢，在煤礦下工程應(yīng)用的背景下，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等多方面進(jìn)行該門課程改革落實，為培養(yǎng)優(yōu)秀的卓越工程師打下基礎(chǔ)。

［1］林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革［J］.高等工程教育研究，2011:1-9.

［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［Z］.教高［2011］1號，2011.

［3］魏晗，陳剛，唐永旺等.《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)改革與實踐［J］.中國信息技術(shù)教育，2014:12-13.

［4］寧紀(jì)鋒.數(shù)字圖像處理教學(xué)改革研究與探索［J］.中國電力教育.2013:122-123.

［5］阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué)（第二版）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］楊淑瑩，張樺.《數(shù)字圖像處理》理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式［J］.計算機(jī)教育，2009:84-86.

［7］潘建軍，李紅蓮，周金和.數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革與實踐［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2007（15）：102-104.

Talented Engineers；Curriculum Reform；Innovative Ability；Digital Image Processing

Teaching Reformation of Digital Image Processing with Industry Characteristics

LIANG Zhi-zheng，JIANG Hai-feng，YANG Xiao-dong

（China University of Mining and Technology，Jiangsu 221116）

1007-1423（2015）34-0022-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.006

梁志貞（1976-），男，山東莒縣人，博士，副教授，研究方向為 數(shù)字圖像處理和模式識別

江海峰（1978-）男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

楊小東（1972-）男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

2015-11-03

2015-11-30

根據(jù)卓越計劃下人才培養(yǎng)的目標(biāo)，修改原有數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)目標(biāo)，在新的課程建設(shè)中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、培養(yǎng)團(tuán)隊意識、考核方面等方面論述煤礦行業(yè)下計算機(jī)專業(yè)的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革過程。實踐表明這一系列的教學(xué)改革對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果有明顯作用，為培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力打下較好的基礎(chǔ)。

卓越工程師；課程改革；創(chuàng)新能力；數(shù)字圖像處理

2015年中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革工程項目（No.2015YB25）

According to the goal of talent cultivation，modifies the teaching objectives of the original Digital Image Processing course，and discusses the teaching reformation process of Digital Image Processing in terms of teaching contents，teaching methods，cultivating team sprits and evaluating grades in the coal mining industry.It has proved that this series of teaching reformation programs can improve students'learning interest and obtain remarkable learning effects so that it provides a good foundation for cultivating students'practical ability and innovative ability.