基于ARCS模型的“數(shù)字圖像處理”綜合設(shè)計(jì)

□劉艷 李慶武 周妍 霍冠英

基于ARCS模型的“數(shù)字圖像處理”綜合設(shè)計(jì)

□劉艷 李慶武 周妍 霍冠英

為提高實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情、維持學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，課題組結(jié)合國家“卓越計(jì)劃”項(xiàng)目實(shí)施，開展了“數(shù)字圖像處理”實(shí)踐課程教學(xué)改革。改革后的教學(xué)設(shè)計(jì)基于ARCS模型構(gòu)建，在課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)的教學(xué)中，以任務(wù)單形式引起學(xué)生注意，引發(fā)學(xué)生的關(guān)聯(lián)思考，組織有效學(xué)習(xí)和討論，維持學(xué)生信心，并及時反饋與評價，使學(xué)生獲得滿足感。該教學(xué)方式能讓學(xué)生主動承擔(dān)學(xué)習(xí)責(zé)任，提高實(shí)踐能力。

實(shí)踐教學(xué)；數(shù)字圖像處理；ARCS模型

數(shù)字圖像處理技術(shù)將計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像輸入輸出硬件、圖像處理軟件等相結(jié)合組成圖像處理系統(tǒng)，并對所捕獲的圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換、存儲、編輯、傳送和使用。隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，農(nóng)林牧業(yè)、軍事、工業(yè)、公共安全和醫(yī)學(xué)等應(yīng)用方面的需求，該技術(shù)激發(fā)了廣大工程人員的學(xué)習(xí)熱情，在教學(xué)中愈受重視?！皵?shù)字圖像處理”是河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”通信工程專業(yè)的工程基礎(chǔ)教育課程，包括圖像變換、圖像編碼于壓縮、圖像增強(qiáng)與復(fù)原、圖像分割、圖像描述、圖像識別等內(nèi)容，同時具備較強(qiáng)的理論性與應(yīng)用性，其實(shí)踐教學(xué)要求學(xué)生具備相應(yīng)理論知識與一定的實(shí)踐能力。

實(shí)踐教學(xué)作為本科生培養(yǎng)過程中的重要組成部分，應(yīng)以能力為導(dǎo)向，并結(jié)合相關(guān)理論課程，以實(shí)踐項(xiàng)目為載體，分別在基礎(chǔ)性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對知識的理解能力、理論聯(lián)系實(shí)際的動手能力、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的創(chuàng)新能力。“數(shù)字圖像處理”課程通常會在理論教學(xué)的同時，開設(shè)基于Matlab的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，或進(jìn)行教學(xué)方式的改革，如可視化教學(xué)。由于課時的限制，學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會不多，實(shí)踐能力得不到提高，因此課題組將實(shí)踐課程單獨(dú)開設(shè)，以基于ARCS模型的綜合設(shè)計(jì)形式進(jìn)行教學(xué)。

一、ARCS模型的適用性

ARCS模型由美國佛羅里達(dá)大學(xué)的約翰.M.凱勒1983年提出，該模型關(guān)注如何通過教學(xué)設(shè)計(jì)來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)問題。該動機(jī)模型中具備4類要素：A（Attention)為注意，包括無意或有意的注意，是個體進(jìn)行學(xué)習(xí)的先決條件；R（Relevance)為關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)新知識與已有知識和生活經(jīng)驗(yàn)之間的關(guān)系，以及新知識可以用來解決生活中的實(shí)際問題；C（Confidence)為信心，根據(jù)學(xué)生的需要在學(xué)習(xí)的不同階段，持續(xù)的給予支持和維護(hù)并讓學(xué)生對成功擁有更高的期望，相信自己能獲得成功；S（Satisfaction)為滿足，它作為內(nèi)部動機(jī)，讓學(xué)生感到所學(xué)知識有用，自己做得還不錯，受到的評價很公平。

國內(nèi)諸多學(xué)者已開展了基于ARCS模型的教學(xué)研究。陳立春研究了美國“ARCS學(xué)習(xí)動機(jī)設(shè)計(jì)模型”原理；孫冬梅分析了該模型在高校課堂中的適用性；廖敏秀、劉惠敏、顏磊等人將該模型應(yīng)用到信息檢索課程、歷史課堂教學(xué)和幸福課中。對基于ARCS模型的實(shí)踐課程教學(xué)，相關(guān)文獻(xiàn)較少。而傳統(tǒng)的實(shí)踐課程教學(xué)存在的諸多問題亟待解決，如作為理論教學(xué)的輔助手段，教學(xué)模式相對固定，教學(xué)過程中教師與學(xué)生的重視程度普遍不高；大部分學(xué)生認(rèn)為實(shí)踐教學(xué)只是形式，對教學(xué)內(nèi)容興趣不高；學(xué)生在參加學(xué)習(xí)前，沒有深入思考課程內(nèi)容及相關(guān)知識點(diǎn)，動手實(shí)踐時常遇到困難；信息化手段的不斷發(fā)展，也讓學(xué)生傾向于找已知答案而不是自己去解答；學(xué)生喜歡避難就易，分析、解決問題的能力得不到鍛煉。

ARCS模型對學(xué)習(xí)動機(jī)的調(diào)動，可以在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中進(jìn)行滲透，解決下面問題：

1.引起注意

將課程豐富的教學(xué)資源展現(xiàn)給學(xué)生，以吸引并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時設(shè)置各層級、各種題型的思考題，要求學(xué)生自己去查閱資料、學(xué)習(xí)并解答。圍繞教師提供的信息和課程任務(wù)，學(xué)生自行查閱、收集資料、擬定實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)自主獨(dú)立、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)和自主探究學(xué)習(xí)。

2.切身關(guān)聯(lián)

教學(xué)資源中，可結(jié)合示例說明學(xué)習(xí)任務(wù)的價值及其與學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)、未來發(fā)展的聯(lián)系；聯(lián)系生活實(shí)際喚醒學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)或常識，與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系；結(jié)合數(shù)字圖像處理相關(guān)應(yīng)用背景，引導(dǎo)學(xué)生在理論知識與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)想；在課堂教學(xué)中鼓勵學(xué)生提出問題，結(jié)合教師拋出的新問題，組織學(xué)生討論。

3.維持信心

保持交流答疑的暢通，如開設(shè)線上討論區(qū)，提供及時的幫助與支持，引導(dǎo)學(xué)生積極面對學(xué)習(xí)困難，并相信自己能夠很好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)；組織小組學(xué)習(xí)、討論與探究，施行同伴教學(xué)法，培養(yǎng)學(xué)生的人際交往、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；給予學(xué)生發(fā)言與上臺講解的機(jī)會，進(jìn)行個人展現(xiàn)，提升學(xué)生的自信。

4.獲得滿足

教學(xué)過程中不斷進(jìn)行反饋與評價，使學(xué)生感受到教師的關(guān)注，鼓勵、贊揚(yáng)、批評、單獨(dú)指導(dǎo)等方式均可讓學(xué)生在心理上產(chǎn)生愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；教師遵循學(xué)生個體差異的教學(xué)，能夠使學(xué)生得到理解和尊重，更加積極地投入學(xué)習(xí)中。

二、基于ARCS模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

課題組借助翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，將數(shù)字圖像處理綜合設(shè)計(jì)的教學(xué)活動分為3個階段，包括課前任務(wù)、課堂教學(xué)和課后反思。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基于ARCS模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.課前任務(wù)

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)仿真和硬件各1個綜合項(xiàng)目，仿真項(xiàng)目要求學(xué)生借助Matlab軟件實(shí)現(xiàn)，硬件項(xiàng)目借助數(shù)字圖像處理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成。目標(biāo)的深淺、層次和結(jié)構(gòu)關(guān)系到學(xué)習(xí)效果，因此將項(xiàng)目任務(wù)的詳細(xì)要求分基本要求和提高要求。仿真項(xiàng)目“數(shù)字圖像處理軟件”的基本要求為實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的基本操作、灰度圖像的去噪與增強(qiáng)、幾何變換及邊緣檢測；硬件項(xiàng)目“視頻圖像的去噪及邊緣檢測”的基本要求為分別實(shí)現(xiàn)視頻圖像的實(shí)時去噪和邊緣檢測。

借助網(wǎng)絡(luò)平臺，在綜合設(shè)計(jì)課程開始前一周，教師發(fā)放相關(guān)教學(xué)資源，包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、項(xiàng)目內(nèi)容、原理及要求、參考資料和學(xué)習(xí)任務(wù)單等，表現(xiàn)方式為文檔、課件、視頻等。精干短小的視頻包括項(xiàng)目示例和結(jié)合科研的應(yīng)用范例，中間穿插少量習(xí)題，吸引學(xué)生長期注意的同時利于教師了解學(xué)生的掌握情況，實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)。學(xué)生的興趣被調(diào)動起來后，自行查閱資料、學(xué)習(xí)并設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案。期間利用網(wǎng)絡(luò)平臺與同學(xué)、老師相互交流，維持互動。

2.課堂教學(xué)

學(xué)生帶著方案來到課堂，教師按照“三步法”進(jìn)行教學(xué)：

第一步，檢測學(xué)生的課前學(xué)習(xí)成效，將項(xiàng)目方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，即“實(shí)踐階段”。該階段學(xué)生將基本要求完成即可。教師及時指導(dǎo)并不斷肯定學(xué)生的成功，維持學(xué)生的信心。

第二步為“協(xié)作階段”?？紤]到學(xué)生的個體差異，對學(xué)生尚未完成的提高部分內(nèi)容，如個人可以完成，可繼續(xù)開展個人實(shí)踐；若不能完成，可分組進(jìn)行，小組成員可以相互協(xié)作，并就最佳方案和實(shí)現(xiàn)方式（算法)達(dá)成共識。

第三步非常重要，是對課前自學(xué)和課堂學(xué)習(xí)的進(jìn)一步探究，為“總結(jié)階段”。這一階段學(xué)生可以對個人或小組的方案設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡釋，其他小組或個人可以對其進(jìn)行質(zhì)疑?？刹捎眯〗M代表做總結(jié)的形式。此時教師要及時反饋，以贊揚(yáng)為主，維持學(xué)生的信心并使學(xué)生獲得滿足。

3.課后反思

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)幾乎沒有課后教學(xué)。基于ARCS模型、參考了翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)可將課堂進(jìn)行無限延伸，即課后反思。課后反思包括學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)的反思和教師的教學(xué)反思。

教師的課后反思包括對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、教學(xué)策略的反思。這一過程是教師借助教學(xué)實(shí)踐行動、探究和解決教學(xué)中的實(shí)際問題，不斷追求教學(xué)實(shí)踐合理性，發(fā)展教師個人教學(xué)水平、提高教學(xué)設(shè)計(jì)和過程有效性的全面發(fā)展過程。

學(xué)生完成課堂活動后，需要提交設(shè)計(jì)報告。撰寫報告的過程本身就是反思的過程，學(xué)生回憶和聯(lián)想已經(jīng)掌握的知識并寫入報告，對未解決的問題和教師的課堂反饋也進(jìn)行課后反思。若學(xué)生個人仍不能解決，可借助網(wǎng)絡(luò)平臺的討論區(qū)與教師、同學(xué)進(jìn)行討論、對話、協(xié)商、合作，幫助自己進(jìn)一步理解所學(xué)的知識、解決更深層次的問題。完成并在線提交報告后，學(xué)生還需要根據(jù)教師提供的互評標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行報告互評與互評，促進(jìn)學(xué)生對知識進(jìn)行深加工，并進(jìn)一步思考問題和現(xiàn)象的本質(zhì)。

采用ARCS模型的“數(shù)字圖像處理”綜合設(shè)計(jì)的教學(xué)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)流程、教學(xué)方式上與傳統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)或課程設(shè)計(jì)均有較大的改變。誠然，開展此種教學(xué)方式加大了教師的工作量、課堂上的教學(xué)強(qiáng)度，也對教師的業(yè)務(wù)水平和教學(xué)水平提出了更高的要求。但在這種教學(xué)模式下，學(xué)生獲得的不僅是學(xué)完一門課，拿到了相應(yīng)的實(shí)踐學(xué)分，更多的是在整個學(xué)習(xí)過程中主動投入熱情與注意力，結(jié)合切身性開展自學(xué)與實(shí)踐，并在與同學(xué)、教師的交流中獲得維持信心的反饋，獲取學(xué)習(xí)的滿足感，提高自身的實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

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（編輯：秦俊嫄）

本文系江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項(xiàng)目（編號：PPZY2015B141）和河海大學(xué)高等教育科學(xué)研究2015年度立項(xiàng)課題“翻轉(zhuǎn)課堂模式下的電類課程實(shí)踐教學(xué)模式研究與實(shí)踐”（編號：20151212）的研究成果。

G642.4

A

1671-0568（2016)26-0035-03

劉艷，碩士，河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。研究方向：電子技術(shù)、信息獲取與處理；李慶武，博士，河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：數(shù)字圖像處理、信息獲取與智能感知；周妍，博士，河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院講師。研究方向：數(shù)字圖像處理、多尺度幾何分析及其應(yīng)用；霍冠英，博士，河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：聲吶圖像處理、信息感知與智能系統(tǒng)。