案例教學(xué)在《數(shù)字圖像處理與應(yīng)用》課程中的探索研究

劉海英 郭俊美 趙紅梅

【摘 要】本文針對(duì)信號(hào)分析與處理本科教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，將案例教學(xué)法引入到課堂教學(xué)中，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)際問(wèn)題的能力，教學(xué)效果良好。

【關(guān)鍵詞】案例教學(xué)法；數(shù)字圖像處理；課程教學(xué)

中圖分類號(hào)： G642.4；TP317.4-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）32-0133-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.061

【Abstract】This paper is aimed at the existing problems during the teaching of“Digital Image Processing and Application”.The case teaching method is introduced into the classroom and get the efficiency teaching results after several terms of practice；besides this，it also greatly improves students interest in learning and their ability using computers to deal with practical problems，all of these achieved better results.

【Key words】Case Teaching；Digital Image Processing；Course Teaching

《數(shù)字圖像處理與應(yīng)用》是一門理論實(shí)踐結(jié)合緊密且側(cè)重于應(yīng)用的一門課程，在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開(kāi)拓性成就，如航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人視覺(jué)、公安司法、軍事制導(dǎo)等，這使得數(shù)字圖像處理與應(yīng)用迅速發(fā)展為一門引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。同時(shí)，它也是機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別、信息處理以及通信與信息系統(tǒng)等學(xué)科的重要本科專業(yè)課程，所以如何在課堂教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐，能夠利用掌握的理論知識(shí)解決企業(yè)工程項(xiàng)目中存在的實(shí)際問(wèn)題，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)教學(xué)方式均為教師在課堂上教授理論知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)接受過(guò)于抽象的內(nèi)容，如此大篇幅理論知識(shí)的講解，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致學(xué)生感覺(jué)過(guò)于枯燥乏味，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。鑒于上述傳統(tǒng)課堂中的現(xiàn)象及存在的問(wèn)題，將案例教學(xué)法引入課堂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，讓學(xué)生理論實(shí)踐相結(jié)合，加深對(duì)理論知識(shí)的深刻理解與掌握。

1 案例教學(xué)法

20世紀(jì)20年代，作為一種全新的教育改革方式，美國(guó)哈佛大學(xué)商學(xué)院開(kāi)始倡導(dǎo)案例教學(xué)法，根據(jù)不同課程教學(xué)大綱的授課內(nèi)容，結(jié)合不同的專業(yè)側(cè)重點(diǎn)方向以及當(dāng)前專業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)方向，打破傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的限制，選擇課堂對(duì)應(yīng)的具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)案例，結(jié)合授課中的理論知識(shí)，解決問(wèn)題，使學(xué)生真正體會(huì)到數(shù)字圖像處理與應(yīng)用在實(shí)際中的應(yīng)用效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性，能夠帶著問(wèn)題有針對(duì)性的去學(xué)習(xí)理論知識(shí)，加深對(duì)于課堂理論知識(shí)的消化吸收。

2 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題及案例教學(xué)的必要性

傳統(tǒng)的高等院校授課方式主要以教師課堂上講授理論知識(shí)為主，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)固定，學(xué)生填鴨式被動(dòng)接受，學(xué)習(xí)的專業(yè)理論不具有針對(duì)性，課后難以將所學(xué)理論結(jié)合到實(shí)踐中，理論與實(shí)踐相結(jié)合也就更加無(wú)從談起。目前高校中傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題普遍表現(xiàn)為教材更新?lián)Q代慢，非常不利于當(dāng)今學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，相對(duì)比于告訴發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代以及各種電子資源，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)，演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，不利于目前大形勢(shì)下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的培養(yǎng)。

3 數(shù)字圖像處理與應(yīng)用教學(xué)案例的構(gòu)建與實(shí)施

3.1 案例的構(gòu)建原則

數(shù)字圖像處理案例教學(xué)主要是將實(shí)驗(yàn)案例貫穿于研究生教學(xué)活動(dòng)的全過(guò)程中，因此案例教學(xué)法的組織構(gòu)建以及實(shí)現(xiàn)的原則顯得尤為重要。研究生理論授課不能單純枯燥的傳授知識(shí)，也不能拘泥于某本陳舊的教材，應(yīng)該讓學(xué)生既掌握課程的基本理論和研究方法又要接觸到學(xué)科方向發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。因此，教學(xué)中選擇的案例要源于教材且高于教材，如果條件允許，要結(jié)合教師的科研方向以及當(dāng)前本學(xué)科發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)，充分考慮到課程體系的連貫性與完整性，“循序漸進(jìn)，逐步提高”，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)于理論知識(shí)的理解和把握。

數(shù)字圖像處理案例教學(xué)主要是將實(shí)驗(yàn)案例貫穿于研究生教學(xué)活動(dòng)的全過(guò)程中，所以選擇針對(duì)性強(qiáng)、源于教材且高于教材的案例，并能夠緊密結(jié)合當(dāng)前選修課程就顯得尤為重要。作為控制科學(xué)與控制工程領(lǐng)域的研究生，必須緊跟學(xué)科發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)方向，理論結(jié)合實(shí)踐，能夠切實(shí)落實(shí)“學(xué)以致用、循序漸進(jìn)，逐步提高”，在實(shí)際案例訓(xùn)練應(yīng)用過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)于理論知識(shí)的理解和把握。

3.2 案例的具體執(zhí)行措施

就數(shù)字圖像處理與應(yīng)用而言，案例選擇的難度在于涵蓋的內(nèi)容要全面系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)比較繁瑣，不僅涉及到數(shù)字圖像處理的理論知識(shí)，還需要獨(dú)立編程能力。所以在案例教學(xué)法實(shí)施的初期，必須逐步執(zhí)行，不可一蹴而就。從基本的理論出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生在理解掌握基本理論的基礎(chǔ)上，逐步學(xué)習(xí)并實(shí)現(xiàn)獨(dú)立編程，在規(guī)范書寫程序及調(diào)試程序的過(guò)程中，加深對(duì)于數(shù)字圖像的理論知識(shí)認(rèn)知。采取理論實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，以“實(shí)驗(yàn)案例引導(dǎo)教學(xué)”的新理念組織教學(xué)，使學(xué)生真正做到學(xué)以致用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

選擇數(shù)字圖像處理與應(yīng)用中比較經(jīng)典的圖像處理算法，比如，數(shù)字圖像處理在講述了全部的基礎(chǔ)知識(shí)之后，比如讓學(xué)生通過(guò)針對(duì)灰度圖像去噪聲的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題的解決，不同的學(xué)生可以選擇不同解決問(wèn)題的方法，之后組成研究小組進(jìn)行討論分析，各自闡述自己所選解決方案的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多種方案解決同一個(gè)問(wèn)題，通過(guò)研討的方式促進(jìn)學(xué)生對(duì)于問(wèn)題的理解，擴(kuò)展思路。具體實(shí)施過(guò)程如下：

（1）課堂理論教學(xué)

課堂教學(xué)中，改變傳統(tǒng)教學(xué)為引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)，理論知識(shí)的講解占用每次授課時(shí)間的40%，讓學(xué)生掌握基本概念和原理，例題講解使學(xué)生學(xué)會(huì)分析問(wèn)題的方法并深化基本理論，而隨堂仿真實(shí)驗(yàn)則可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生能夠即時(shí)感受數(shù)字圖像處理算法視覺(jué)效果和性能，提高學(xué)習(xí)興趣，寓教于樂(lè)，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

（2）案例選擇

案例實(shí)現(xiàn)基于Matlab軟件仿真平臺(tái)，選擇跟每章節(jié)知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合的案例進(jìn)行分析，使學(xué)生通過(guò)數(shù)字圖像處理與應(yīng)用這門課程的學(xué)習(xí)掌握Matlab語(yǔ)言在數(shù)字圖像及視頻處理領(lǐng)域的基本用法和編程技巧，不斷提高編寫及調(diào)試程序的能力，為今后開(kāi)展工程應(yīng)用以及從事科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。本文選擇崗薩雷斯數(shù)字圖像處理教材中圖像去噪聲部分來(lái)闡述案例教學(xué)法在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用與研究。

（3）案例講解、啟發(fā)和研討結(jié)合的方式

首先講解圖像產(chǎn)生噪聲的原因如圖1所示，引導(dǎo)學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型，將問(wèn)題抽象化，從數(shù)學(xué)理論方面對(duì)問(wèn)題進(jìn)行推導(dǎo)分析，之后將數(shù)學(xué)模型離散化、程序化，讓學(xué)生在循序漸進(jìn)的加強(qiáng)對(duì)于數(shù)字圖像的理解和掌握，知識(shí)銜接連續(xù)、不突兀。根據(jù)數(shù)學(xué)模型，啟發(fā)學(xué)生利用高等數(shù)學(xué)這門基礎(chǔ)學(xué)科中學(xué)習(xí)到知識(shí)，讓學(xué)生自己嘗試著去解決問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐漸鞏固加深對(duì)于理論知識(shí)部分的理解。每個(gè)研究小組根據(jù)自己情況，選擇不同的解決方案，最后進(jìn)行理論研討和仿真結(jié)果對(duì)比，學(xué)生可以在相互學(xué)習(xí)和促進(jìn)中進(jìn)步。圖1如下：

4 結(jié)論

研究生課程實(shí)施案例教學(xué)法的實(shí)踐表明，它不僅可以改變傳統(tǒng)教學(xué)中教師、教材為中心的方式，變學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)的主體，而且激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣，大幅度地提高教學(xué)的效果，使學(xué)生對(duì)各種圖像處理算法有了更深入的認(rèn)知。另外分組研討的方式更加有利于激發(fā)學(xué)生的集體榮譽(yù)感，提高團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。當(dāng)然任何一門成熟的專業(yè)學(xué)科，都有自己即成的完整理論體系，在保持學(xué)科理論的系統(tǒng)性、完整性方面，傳統(tǒng)意義上的教學(xué)法仍然是必不可少的。因此，要把各種教學(xué)方式方法有效結(jié)合起來(lái)，才可能取得更好、更全面的授課效果。

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