基于“卓越計(jì)劃”的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革實(shí)踐*

梁志貞　江海峰　楊小冬（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)　計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇　徐州　221116）

基于“卓越計(jì)劃”的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革實(shí)踐*

梁志貞江海峰楊小冬
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116）

摘要：針對(duì)《數(shù)字圖像處理》課程的特點(diǎn)，結(jié)合卓越計(jì)劃的具體要求，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)際應(yīng)用、考核方式等方面探討了卓越計(jì)劃下的教學(xué)設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐表明了這一系列的教學(xué)改革對(duì)提高卓越班學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有明顯的作用，使得卓越班學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到顯著的提升。

關(guān)鍵詞：卓越計(jì)劃；數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力

*項(xiàng)目：2015年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2015YB25）

Abstract:In view of the characteristics of "digital image processing" course and the specific requirements of ex-cellence plan, the teaching design in the excellence plan scheme is explored from the teaching content, teaching methods, practical application, assessment methods and other aspects. The practice shows that this series of teaching reform has obvious effect on improving the learning effect, practically ability, and innovative ability of the students.

Keywords:excellence plan; digital image processing; teaching reform; innovative capability

《數(shù)字圖像處理》這門課程主要介紹數(shù)字圖像的基本概念、相關(guān)理論和實(shí)現(xiàn)算法。通過(guò)探討數(shù)字圖像處理中的許多問(wèn)題，給出解決這些問(wèn)題的所遵循的原則和相應(yīng)的算法步驟，并讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)課程中的許多算法，從而幫助學(xué)生提高他們解決圖像中問(wèn)題的能力。《數(shù)字圖像處理》這門課程包括數(shù)字圖像基礎(chǔ)、時(shí)域和頻域圖像增強(qiáng)技術(shù)、圖像恢復(fù)、圖像分割技術(shù)、圖像編碼、彩色圖像處理等方面的內(nèi)容[1]。通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生不僅掌握數(shù)字圖像的基本概念、理論和實(shí)現(xiàn)方法,而且提高他們已有的編程能力，這是因?yàn)樗麄儽仨毥柚鶎W(xué)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理中的許多算法。這門課程也將為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理的相關(guān)課程（計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別）提供基礎(chǔ)。

2010年，教育部制定了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）[2]，其主要目標(biāo)是學(xué)校和企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)合格的工程師并期望他們畢業(yè)后在企業(yè)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。因此，《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革也應(yīng)該圍繞“卓越計(jì)劃”的目標(biāo)及要求來(lái)執(zhí)行。根據(jù)“卓越計(jì)劃”相關(guān)要求，擬從教學(xué)內(nèi)容組織、考核方式等幾個(gè)方面對(duì)該門課程嘗試改革。

一、課程教學(xué)中一些問(wèn)題

（一）《數(shù)字圖像處理》課程有理論性較強(qiáng)和難度較大等顯著特點(diǎn)[3]

面對(duì)教材中的許多數(shù)學(xué)公式和相關(guān)理論推導(dǎo)，學(xué)生常常不了解這些公式的具體含義和所起的作用，從而很難理解數(shù)字圖像算法的精髓。非卓越班的教學(xué)方式通常采用理論介紹和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)為主，由于學(xué)時(shí)的限制，教師幾乎很難拿出足夠的時(shí)間在課堂上演示相關(guān)算法。學(xué)生課后也基本不主動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的算法。然而，對(duì)于卓越班同學(xué)，這些問(wèn)題需要亟待解決。實(shí)際上，數(shù)字圖像處理各種算法需要借助軟件和硬件（數(shù)字處理芯片）來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于這門課程處理的對(duì)象是圖像，不同于文字信息，圖像所表達(dá)的信息更容易被學(xué)生所感知，且圖像帶來(lái)的視覺(jué)沖擊更大。如果在PPT課件中僅僅列出數(shù)學(xué)公式且不給出相應(yīng)的中間處理結(jié)果和最后的處理結(jié)果，學(xué)生很難有學(xué)習(xí)圖像處理的興趣。

（二）《數(shù)字圖像處理》屬于多門學(xué)科交叉且學(xué)科之間滲透性較強(qiáng)的課程

圖像處理涉及到多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，如高等數(shù)學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、工程數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。由于這門課程處于多門學(xué)科之間的交叉點(diǎn)，所以該課程內(nèi)容涉及面比較廣，內(nèi)容更新速度相對(duì)來(lái)說(shuō)也較快，并且要求學(xué)生了解本領(lǐng)域最新發(fā)展方向，這對(duì)教與學(xué)都提出了非常高的要求。

（三）課程學(xué)時(shí)短與內(nèi)容多的矛盾

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2012版《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)只有32學(xué)時(shí)。在講授這門課程中，既要復(fù)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，又要講授數(shù)字圖像處理的內(nèi)容，還需要適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一部分內(nèi)容。此外，也要介紹數(shù)字圖像處理的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，這對(duì)選擇教學(xué)內(nèi)容提出了挑戰(zhàn)。因此教師必須對(duì)以前的教案作重要的調(diào)整。

（四）學(xué)生學(xué)習(xí)水平的差異比較大

有的學(xué)生編程能力強(qiáng)，有的學(xué)生欠缺編程能力。部分學(xué)生只注重圖像處理的效果，對(duì)算法的原理不求甚解。

二、課程教學(xué)改革

（一）教學(xué)內(nèi)容的組織

根據(jù)這門課程的特點(diǎn)，目前我們?nèi)圆捎妹绹?guó)Rafaelc.Gonza-lez等著的《Digital Image Processing》等教材為主線，同時(shí)參考其它數(shù)字圖像處理的教學(xué)內(nèi)容。這門課程講授內(nèi)容包括數(shù)字圖像基礎(chǔ)、圖像增強(qiáng)技術(shù)、彩色圖像變換、圖像分割及圖像編碼等方面。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)卓越計(jì)劃的具體要求，我們對(duì)教材中的許多內(nèi)容進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)新的需要，同時(shí)將一些內(nèi)容留給學(xué)生課后自學(xué)，這樣能在某種程度上解決課時(shí)少的問(wèn)題。

（二）教學(xué)方法的多樣性

為了達(dá)到好的教學(xué)效果，在課堂教學(xué)的過(guò)程中適當(dāng)采用了多種教學(xué)方法。在課堂上，我們雖然以講授為主線，但是對(duì)相關(guān)問(wèn)題采用了啟發(fā)性或討論法教學(xué)法。這樣將基本內(nèi)容講解給學(xué)生，以便讓學(xué)生能理解講授的內(nèi)容，同時(shí)通過(guò)啟發(fā)性或討論法教學(xué)，也培養(yǎng)他們對(duì)所學(xué)知識(shí)的興趣和積極參與課堂教學(xué)的習(xí)慣。具體來(lái)說(shuō)，在講解圖象增強(qiáng)技術(shù)時(shí)，我們給出在煤礦下獲取的一些模糊的圖像，讓同學(xué)提出自己的解決方案，從而讓學(xué)生感覺(jué)圖像增強(qiáng)是非常有意義的。

（三）結(jié)合理論與實(shí)踐的教學(xué)模式

以前的《數(shù)字圖像處理》課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)分離。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2012版的《數(shù)字圖像處理》由于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)，所以應(yīng)當(dāng)開(kāi)展理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。課堂教學(xué)中先進(jìn)行理論講解，然后給出具體的演示效果，最后作小結(jié)。理論講解要做到透徹，重視基本概念的詳細(xì)講解，減少對(duì)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)；同時(shí)結(jié)合OpenCV相關(guān)軟件包演示一些具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而讓學(xué)生觀察到具體算法在圖像上的實(shí)際處理效果。這樣通過(guò)給出具體的一些實(shí)例演示,激發(fā)卓越班學(xué)生學(xué)習(xí)圖像處理的興趣，并布置一些算法讓他們課后編程實(shí)現(xiàn)。

（四）在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是目前許多高校學(xué)生的大四必做課題。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過(guò)利用本科期間所學(xué)知識(shí)，提高他們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)能力和開(kāi)發(fā)他們的研究潛力,這對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和接受新知識(shí)的能力有明顯的作用。在我們指導(dǎo)的卓越班學(xué)生中，他們的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目大多數(shù)來(lái)源于數(shù)字圖像處理內(nèi)容，這樣鞏固了他們對(duì)數(shù)字圖像處理的基本概念的理解。通常在課堂上講授數(shù)字圖像處理內(nèi)容時(shí),我們給出這一章與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的研究題目，課后讓他們?cè)趫D書(shū)館查找相關(guān)的內(nèi)容，這對(duì)于提高學(xué)生處理實(shí)際問(wèn)題的能力非常有幫助。

（五）改革考核方式

傳統(tǒng)上這門課程的主要考查學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，而不是考查學(xué)生如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，很顯然這不利于卓越班學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[4]。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中常?？记巴粨魪?fù)習(xí)且把主要時(shí)間放在背誦書(shū)本考察點(diǎn)上，這通常不利于知識(shí)點(diǎn)的掌握。為了加強(qiáng)綜合知識(shí)能力的培養(yǎng)，我們對(duì)考核方法的進(jìn)行了改革，建立了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程全程化的評(píng)價(jià)制度，總成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（20%）、項(xiàng)目成績(jī)（30%）和期末考試成績(jī)(50%)組成。將平時(shí)參與課堂的程度、回答問(wèn)題情況、作業(yè)等記入平時(shí)成績(jī)。在整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生要想得到一個(gè)理想的分?jǐn)?shù)，必須重視學(xué)習(xí)過(guò)程中的每一個(gè)具體環(huán)節(jié)。

三、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，結(jié)合卓越計(jì)劃的具體要求，文章從教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)方式多樣化、實(shí)際應(yīng)用、考核等方面進(jìn)行了論述。實(shí)踐效果表明了這些改革嘗試能夠激發(fā)卓越班學(xué)生的學(xué)習(xí)該課程興趣，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。但是該課教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，我們將結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)，繼續(xù)考慮《數(shù)字圖像處理》課程改革的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]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.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的若干意見(jiàn)[Z].教高[2011]1號(hào)，2011.

[3]楊淑瑩，張樺.“數(shù)字圖像處理”理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（24）：84-86.

[4]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(shí)踐[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2007（15）.

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）03-0146-02

作者簡(jiǎn)介：梁志貞（1976-），男，山東莒縣人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，副教授。