“圖像分析”課程教學(xué)改革探討

明德烈等

摘 要： 研究了“圖像分析”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，提出理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和相關(guān)科研三級(jí)聯(lián)合，層層推進(jìn)的教學(xué)改革措施。同時(shí)提出采用課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，通過(guò)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將科研引入教學(xué)環(huán)節(jié)，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型實(shí)踐型人才的目的。

關(guān)鍵詞： 圖像分析； 教學(xué)模式； 教學(xué)改革； 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP3-0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）05-59-03

Abstract： The teaching content and teaching mode for course of digital image analysis are researched in the paper， education reform measures is implemented from three aspects， the theory teaching， the practice teaching and the related scientific research. Project driven teaching is proposed to cultivate innovative and practice talents， the practice teaching is strengthened and the scientific research is introduced into the teaching process.

Key words： image analysis； teaching mode； teaching reform； project driven

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，圖像分析日益廣泛地應(yīng)用于軍事目標(biāo)識(shí)別控制、智能交通、醫(yī)學(xué)圖像重建、社會(huì)事務(wù)管理、生物特征識(shí)別，以及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域，越來(lái)越多的研究者更加關(guān)注圖像分析領(lǐng)域的研究工作[1-2]。而高等教育要與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系，“圖像分析”這門(mén)課程在高校電子信息類專業(yè)也有了越來(lái)越重要的地位。

圖像分析是用模式識(shí)別和人工智能方法對(duì)景物進(jìn)行分析、描述、分類和解釋的技術(shù)，又稱景物分析或圖像理解。一般利用數(shù)學(xué)模型并結(jié)合圖像處理的技術(shù)來(lái)分析底層特征和上層結(jié)構(gòu)，從而提取具有一定智能性的信息。圖像分析側(cè)重于研究圖像的內(nèi)容，包括但不局限于使用圖像處理的各種技術(shù)，它更傾向于對(duì)圖像內(nèi)容的分析、解釋和識(shí)別。

“圖像分析”的教學(xué)目的是使學(xué)生了解和掌握數(shù)字圖像分析的基本概念與主要內(nèi)容，為今后的深入研究和開(kāi)發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。其基本教學(xué)內(nèi)容包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像復(fù)原、圖像描述、圖像識(shí)別等理論和方法。該課程主要闡述數(shù)字圖像分析中的基本概念、基礎(chǔ)理論和常用算法，介紹數(shù)字圖像分析研究中的基本問(wèn)題以及解決這些問(wèn)題的原理和實(shí)現(xiàn)方法，使學(xué)生能夠編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖像處理算法，能夠逐漸解決數(shù)字圖像分析領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。

“圖像分析”課程屬交叉學(xué)科，其起點(diǎn)高、難度大，既有較強(qiáng)的理論性，又與實(shí)踐緊密結(jié)合，目前的教學(xué)現(xiàn)狀表明，學(xué)生對(duì)本課程往往入門(mén)時(shí)就心存畏懼，深入學(xué)習(xí)困難，不管是考試成績(jī)還是實(shí)踐動(dòng)手能力都不理想，教學(xué)上存在許多問(wèn)題。如何引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的、轉(zhuǎn)變思想觀念，如何在教學(xué)過(guò)程中合理利用多重教學(xué)手段、靈活采用教學(xué)相長(zhǎng)的方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成為教學(xué)中必須解決的難題。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多所高校的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的教學(xué)模式存在嚴(yán)重的弊端。在目前的圖像分析課程教學(xué)中，教師只是按部就班地按照教學(xué)大綱進(jìn)行講授，而對(duì)于程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)及實(shí)際應(yīng)用部分大綱中并沒(méi)有嚴(yán)格的要求，所以多數(shù)教師也就只講解理論，對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)則省略掉或是一帶而過(guò)。而學(xué)生也只是按部就班地對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，沒(méi)有結(jié)合相關(guān)的應(yīng)用，所以隨著課程內(nèi)容的深人，學(xué)生會(huì)感覺(jué)到枯燥乏味，對(duì)該課程逐漸失去了興趣。即便是認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生，也是一直處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。至于考試，只需要按照教師的授課內(nèi)容認(rèn)真復(fù)習(xí)就可以拿到優(yōu)異的成績(jī)。很多學(xué)生直到他們學(xué)完了該門(mén)課程，也沒(méi)弄清楚這些圖像處理的方法該如何具體實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)于如何應(yīng)用到實(shí)際生活和研究當(dāng)中，也是一無(wú)所知，更談不上創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和綜合能力了。該課程目前的教學(xué)方法大大影響了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。長(zhǎng)此以往，高分低能的現(xiàn)象將會(huì)日趨嚴(yán)重。因此，圖像分析課程教學(xué)改革迫在眉睫。

2 課程教學(xué)改革措施

2.1 教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

圖像分析本身為交叉學(xué)科，與圖像處理、模式識(shí)別、信號(hào)分析多領(lǐng)域存在密切聯(lián)系，而課程內(nèi)在耦合性并不強(qiáng)，目前還沒(méi)有一個(gè)完備的課程體系，許多教學(xué)實(shí)踐難以組織。一般除了圖像分析課程的基本內(nèi)容，根據(jù)教材豐富程度的不同，可能還包括圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖像重建、圖像識(shí)別、圖像的小波分析，以及圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分析。其內(nèi)容龐雜，難度也偏大，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)往往難以將全部?jī)?nèi)容講透，傳統(tǒng)的教學(xué)模式只能以理論介紹為主，忽視實(shí)現(xiàn)步驟，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到過(guò)于抽象。故有必要優(yōu)化教學(xué)課程設(shè)置，精簡(jiǎn)課程教學(xué)內(nèi)容。課堂講授中，要抓住重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行講解，鼓勵(lì)學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，有疑問(wèn)主動(dòng)討論求教，以此來(lái)提高教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)內(nèi)容中不能只有理論知識(shí)，還要與圖像分析相關(guān)應(yīng)用軟件結(jié)合起來(lái)，如Matlab、Opencv、Image Analyzer等，必要的時(shí)候也可以用目前較流行的Photoshop軟件舉例。這樣和軟件結(jié)合起來(lái)講解，學(xué)生可以看到實(shí)實(shí)在在的圖像變化過(guò)程，學(xué)習(xí)興趣自然就提高了。而且學(xué)生也比較容易理解圖像分析的基本原理，聽(tīng)起來(lái)也不會(huì)覺(jué)得枯燥，無(wú)形中提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時(shí)學(xué)生學(xué)會(huì)了一門(mén)語(yǔ)言，用以實(shí)現(xiàn)各種圖像處理過(guò)程，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)教學(xué)中理論學(xué)時(shí)與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的分配比例一般為3：1，高校普遍偏重理論教學(xué)，而忽視了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。理論教學(xué)是一種被動(dòng)的單向的學(xué)習(xí)模式；而主動(dòng)性的、互動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，有利于學(xué)生自主的去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題分析解決問(wèn)題。因此，要優(yōu)化理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)比例，加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論基礎(chǔ)的理解。

2.2 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

選擇圖像分析中最重要的算法作為實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的主要內(nèi)容，覆蓋圖像分析中圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理、圖像特征描述等各個(gè)重要部分。圖像的讀取和顯示、圖像的直方圖均衡化、圖像的平滑濾波和銳化濾波、快速傅里葉變換、頻域上的高通和低通濾波、Hough 變換、圖像的閾值化、圖像的膨脹、腐蝕和開(kāi)閉操作、細(xì)化算法等實(shí)驗(yàn)完全能包含圖像分析領(lǐng)域理論。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]要求學(xué)生提前閱讀課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)分析，自己編寫(xiě)核心代碼，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試用例，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)課上認(rèn)真演示圖像處理的效果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果相比較，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題耐心分析和總結(jié)，按要求撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，從而加深對(duì)數(shù)字圖像分析概念和方法的理解。引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)到的知識(shí)，來(lái)解決圖像分析領(lǐng)域簡(jiǎn)單的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，要把課堂上講授的理論知識(shí)和現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用的具體例子相結(jié)合，將最新的科研前沿動(dòng)態(tài)和信息反饋給學(xué)生。

2.3 將科研引入教學(xué)

科研中的圖像分析相關(guān)部分要進(jìn)人到教學(xué)中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，了解該方向的前沿技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，這對(duì)以后的工作有重要的引導(dǎo)作用，也能夠激發(fā)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新靈感，達(dá)到真正的學(xué)以致用。同時(shí)形成科研帶動(dòng)教學(xué)，教學(xué)促進(jìn)科研的良性循環(huán)[4]。

將科研引入教學(xué)，開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)，讓學(xué)生接觸一些具體的項(xiàng)目，在做這些項(xiàng)目時(shí)要用到哪些知識(shí)點(diǎn)，如何綜合運(yùn)用它們，都是項(xiàng)目中必須解決的問(wèn)題。通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的方式，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力將得到進(jìn)一步提高。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的關(guān)鍵是項(xiàng)目的選擇和設(shè)計(jì)，它的好壞直接影響到教學(xué)的開(kāi)展。圖像分析項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的示意圖如圖1所示。由圖1可知，這一互動(dòng)式的教學(xué)模式重點(diǎn)在于師生的交流反饋，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是項(xiàng)目的承擔(dān)者 、實(shí)施者，老師在項(xiàng)目中主要起組織引導(dǎo)的作用。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)實(shí)施中，教師不是直接把知識(shí)技能傳遞給學(xué)生，而是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下去選擇“項(xiàng)目”，分析“項(xiàng)目”，并最終完成“項(xiàng)目”。學(xué)生不再盲目的把學(xué)習(xí)當(dāng)任務(wù)，而是以項(xiàng)目需求驅(qū)動(dòng)，有目的、有針對(duì)性的學(xué)習(xí)，變被動(dòng)地接受知識(shí)為主動(dòng)地尋求知識(shí)。學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)在項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中不斷強(qiáng)化。

根據(jù)課程的知識(shí)層次和內(nèi)容體系把理論學(xué)習(xí)與科研項(xiàng)目相結(jié)合。譬如設(shè)計(jì)“車牌識(shí)別系統(tǒng)研究[5]”來(lái)展開(kāi)課堂教學(xué)，如圖2所示。由圖2可知，“圖像分析”的大部分教學(xué)內(nèi)容都可通過(guò)“車牌識(shí)別系統(tǒng)研究”這一項(xiàng)目組織起來(lái)。以“實(shí)施項(xiàng)目”的方式引入有關(guān)概念和主題，展開(kāi)教學(xué)內(nèi)容深入學(xué)習(xí)，將學(xué)生的“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)換為“興趣驅(qū)動(dòng)”，從而提高教學(xué)效率。

另外，根據(jù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件，還可設(shè)計(jì)“腦部CT圖像處理”、“運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)研究”、“人臉識(shí)別系統(tǒng)”等項(xiàng)目，從而融合圖像分析各方面的知識(shí)點(diǎn)。

整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施分為兩個(gè)階段：理論學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)施。在理論學(xué)習(xí)階段，可以引入大量應(yīng)用實(shí)例，授課時(shí)重點(diǎn)闡述諸如醫(yī)學(xué)圖像處理、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征提取、智能視頻監(jiān)控、基于圖像的工業(yè)檢測(cè)、圖像壓縮在3G通信技術(shù)中的應(yīng)用等實(shí)例。通過(guò)對(duì)具體項(xiàng)目的講解，讓學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的理論基礎(chǔ)有初步的了解，而這種將深?yuàn)W的理論實(shí)例化，使學(xué)生易于接受，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)項(xiàng)目的探索激情。在第二階段的項(xiàng)目實(shí)施中，將項(xiàng)目分成若干個(gè)小組，在教師的指導(dǎo)下，各小組召開(kāi)會(huì)議，分析項(xiàng)目需求，明確項(xiàng)目任務(wù)，進(jìn)行成員分工，確定各分工的職責(zé)及項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，在此階段，教師扮演項(xiàng)目顧問(wèn)的角色，解答小組成員項(xiàng)目實(shí)施中遇到的各種問(wèn)題。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成對(duì)項(xiàng)目的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、測(cè)試部署的整個(gè)過(guò)程，達(dá)到學(xué)生在完成項(xiàng)目的過(guò)程中理解學(xué)科知識(shí)、掌握綜合技能的目的。

項(xiàng)目完成之后，需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)和反饋。各小組提交項(xiàng)目結(jié)題材料，以論文答辯的形式在班上演示各小組項(xiàng)目成果，介紹項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程、成果、優(yōu)勢(shì)及不足，總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施階段的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，回答現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)。在聽(tīng)取其他小組報(bào)告的基礎(chǔ)上自我總結(jié)，找出自己的不足，查缺補(bǔ)漏，提高專業(yè)理論基礎(chǔ)及定向分析解決問(wèn)題的能力。最后，以學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)成員互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)的方式來(lái)確定每位學(xué)生的最終成績(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

高校素質(zhì)教育的重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，以適應(yīng)新形勢(shì)的要求[6]，所以專業(yè)課程需要根據(jù)不斷變化的發(fā)展形勢(shì)進(jìn)行合理的改革。而教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的、多方位的、不斷探索的逐步完善的過(guò)程，需要教學(xué)工作者打破固定傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限，科學(xué)地改善教學(xué)方法，并合理運(yùn)用到教學(xué)課程中，真正培養(yǎng)出具有綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才。實(shí)踐表明，本文提出的教學(xué)改革方法是可行的、有效的，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及動(dòng)手能力，從而鍛煉學(xué)生解決專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的能力，提高教學(xué)水平，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于擴(kuò)大學(xué)生的就業(yè)率。

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