“數(shù)字圖像處理”小組課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法探索

王旭初

摘要：將小組合作分工法與課題驅(qū)動(dòng)法有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于光電信息類(lèi)《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生以小組學(xué)習(xí)方式來(lái)解決與課程密切相關(guān)的課題任務(wù)，并貫穿于理論教學(xué)與上機(jī)實(shí)踐應(yīng)用之中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生團(tuán)體合作能力，幫助學(xué)生加深對(duì)課程理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用的理解。教學(xué)實(shí)踐表明將小組分工合作和課題驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)方法能提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，強(qiáng)化學(xué)生分析問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)合作和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：小組合作；課題驅(qū)動(dòng)；數(shù)字圖像處理；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0119-02

《數(shù)字圖像處理》課程是光電信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生重要的專(zhuān)業(yè)課，要求學(xué)生掌握?qǐng)D像處理的基本理論、基本方法和實(shí)踐應(yīng)用。該課程學(xué)科交叉性較強(qiáng)，涉及學(xué)科領(lǐng)域較多，例如為了獲取圖像需了解光傳感器的結(jié)構(gòu)和成像機(jī)理，光學(xué)和電子學(xué)方面的基礎(chǔ)；為了表示圖像要用到矩陣論[13]、數(shù)學(xué)分析和隨機(jī)過(guò)程；為了壓縮對(duì)圖像需要了解信息論與編碼的基本理論；為了增強(qiáng)圖像需要熟悉人類(lèi)視覺(jué)的生理和心理特點(diǎn) ，這給學(xué)生掌握本門(mén)課程增加了難度。而且，數(shù)字圖像處理課程的理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)，課程教學(xué)中存在著大量的數(shù)學(xué)公式及相關(guān)數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，需要學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)理論知識(shí)還需要學(xué)生上機(jī)編程實(shí)踐才能更好地透徹理解理論知識(shí)，這對(duì)學(xué)生的編程能力又提出了要求。這些都給學(xué)生更好的掌握和學(xué)習(xí)本門(mén)課程帶來(lái)了不小的難度。

目前，傳統(tǒng)的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)模式以課堂教學(xué)為主、實(shí)驗(yàn)為輔，學(xué)生對(duì)課堂上的大量公式和數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)感到枯燥和缺乏興趣，對(duì)部分抽象課程內(nèi)容難以理解。學(xué)生對(duì)理論實(shí)踐比較感興趣，然而僅僅學(xué)習(xí)過(guò)C、C++等通用型基礎(chǔ)性程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，對(duì)MATLAB等高級(jí)編程語(yǔ)言接觸較少，很難編程實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)性的算法理論。造成學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)點(diǎn)理解不充分，進(jìn)而對(duì)降低課程學(xué)習(xí)熱情，課后不能主動(dòng)預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)課程知識(shí)，導(dǎo)致最終學(xué)習(xí)效果差，與課堂教學(xué)目的相偏離。為此，不少學(xué)者積極探索新的教學(xué)實(shí)踐方式[9-11，14，16，19，20]來(lái)提高數(shù)字圖像處理的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課題驅(qū)動(dòng)[1]是一種引人注目的教學(xué)方式，在教學(xué)中的應(yīng)用很多。[2-8，12]課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)[15]的教學(xué)方式將科研項(xiàng)目與理論教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生能具體了解到《數(shù)字圖像處理》在生活實(shí)踐中的應(yīng)用。

然而，上述教學(xué)方式以一種課題驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)使學(xué)生學(xué)習(xí)，未充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性，且缺乏同學(xué)之間在學(xué)習(xí)過(guò)程中的溝通交流與幫助，不利于發(fā)揮團(tuán)體在學(xué)習(xí)過(guò)程中的作用。為此，本文將課題驅(qū)動(dòng)與小組分工合作的教學(xué)方式相融合，該方法按照“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以課題任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以小組合作的方式”的教學(xué)思路，利用實(shí)踐和小組相互幫助協(xié)調(diào)共同學(xué)習(xí)的方式鞏固和加深學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生的綜合能力。

1 “課題驅(qū)動(dòng)”與“小組合作”的內(nèi)涵

“課題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法源于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，將以傳授知識(shí)為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q課題任務(wù)為主的多維互動(dòng)式教學(xué)理念，調(diào)動(dòng)學(xué)生處于學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生根據(jù)對(duì)課題的理解，運(yùn)用既有知識(shí)和特有經(jīng)驗(yàn)提出方案、解決問(wèn)題。它尤其適用于以實(shí)驗(yàn)性、實(shí)踐性、操作性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，把與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的科研課題作為載體，使學(xué)生通過(guò)完成特定任務(wù)來(lái)獲得知識(shí)與技能?！靶〗M合作”學(xué)習(xí)是以合作學(xué)習(xí)小組為基本形式而進(jìn)行的一種教學(xué)活動(dòng)，它強(qiáng)調(diào)人際交流對(duì)認(rèn)知發(fā)展的促進(jìn)功能，利用教學(xué)中動(dòng)態(tài)因素之間的互動(dòng)合作來(lái)共同達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)活動(dòng)。這種教學(xué)法將班組授課制下個(gè)體間的學(xué)習(xí)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系轉(zhuǎn)變成“組內(nèi)合作”、“組際競(jìng)爭(zhēng)”的關(guān)系，將傳統(tǒng)教學(xué)中師生的單向或雙向交流轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞蚪涣?，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的同時(shí)，能促進(jìn)學(xué)生間合作關(guān)系和社會(huì)適應(yīng)性的發(fā)展，增強(qiáng)了學(xué)生心理品質(zhì)，推動(dòng)了職業(yè)素養(yǎng)技能的培育。

上述兩種教學(xué)方法各有優(yōu)點(diǎn)，但也有一些不足之處，比如，“課題驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法并未考慮學(xué)習(xí)者個(gè)體差異，而小組合作學(xué)習(xí)教學(xué)法則沒(méi)有考慮所依托的學(xué)習(xí)內(nèi)容。為此，可將兩者結(jié)合起來(lái)實(shí)施教學(xué)，教師通過(guò)布置課題任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生采用小組合作學(xué)習(xí)的形式完成學(xué)習(xí)任務(wù)。這種教學(xué)方法融合了“合作探究”與“課題驅(qū)動(dòng)”兩種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在一些教學(xué)實(shí)踐中引起注意。在這種教學(xué)方式中，教師不僅僅擔(dān)任傳統(tǒng)知識(shí)傳授中的單向傳播者，而是要更多地發(fā)揮學(xué)生的積極性、能動(dòng)性、合作性，以“課題驅(qū)動(dòng)”幫助學(xué)生理解枯燥乏味的理論知識(shí)，以“小組合作”為手段，從而幫助學(xué)生更深層次地理解課程內(nèi)容，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)等職業(yè)技能。

2 課題驅(qū)動(dòng)—小組合作教學(xué)方法的實(shí)踐應(yīng)用

我們將上述課題驅(qū)動(dòng)-小組合作分工的教學(xué)思想融和于光電信息類(lèi)《數(shù)字圖像處理》教學(xué)過(guò)程，探索出一種較為實(shí)用的教學(xué)方法，主要包括以下四個(gè)實(shí)施部分：

1） 用于教學(xué)任務(wù)的課題設(shè)置。由于《數(shù)字圖像處理》涉及知識(shí)點(diǎn)繁多，而且與專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)、專(zhuān)業(yè)實(shí)踐緊密結(jié)合，在課題任務(wù)設(shè)置中，注意考察課題的難度和特點(diǎn)，既要與教學(xué)大綱緊密結(jié)合，又要激發(fā)學(xué)生興趣，還應(yīng)有一定挑戰(zhàn)性。在課題來(lái)源選擇上，主要來(lái)源于最新研究領(lǐng)域及熱點(diǎn)和教師科研項(xiàng)目成果，比如人臉識(shí)別、人臉檢測(cè)、校門(mén)車(chē)牌識(shí)別，基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理等。教師將最新的科研成果和研究熱點(diǎn)及時(shí)引入課堂教學(xué)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，促進(jìn)學(xué)生較早地參與科學(xué)研究，鍛煉他們的科學(xué)研究能力與創(chuàng)造能力。在第一次課上就對(duì)課題任務(wù)進(jìn)行介紹，并指出預(yù)期目標(biāo)，由易到難，讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)每個(gè)任務(wù)所涉及的圖像處理領(lǐng)域，要求學(xué)生圍繞課題任務(wù)開(kāi)展自主學(xué)習(xí)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。

2） 學(xué)習(xí)主體——合作學(xué)習(xí)小組的分工與職責(zé)。在本教學(xué)法中，合作學(xué)習(xí)不僅僅是一種個(gè)人的學(xué)習(xí)行為，更多表現(xiàn)為一種集體行為，需要學(xué)生有足夠的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和積極的參與感。為了在公平基礎(chǔ)上兼顧學(xué)生間的差異，要在自愿基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的合作小組，這決定著小組合作學(xué)習(xí)能否順利高效開(kāi)展?？傮w而言，教學(xué)中遵循“各組實(shí)力盡量均衡，自愿組隊(duì)性格搭配”的原則，依據(jù)學(xué)生個(gè)人意愿，自主學(xué)習(xí)效果、性格特點(diǎn)、組織協(xié)調(diào)、口頭表達(dá)、編程能力等具體情況進(jìn)行分組，學(xué)生之間先自由搭配，接著進(jìn)行分組確認(rèn)，按照學(xué)生總?cè)藬?shù)對(duì)每組人數(shù)限定為5～6人，對(duì)于少數(shù)基礎(chǔ)較好、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的同學(xué)可允許4人組隊(duì)。同時(shí)，每組指定一名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)小組的工作，每個(gè)學(xué)生均需承擔(dān)分解任務(wù)，不能存在僥幸心理，杜絕成員之間無(wú)所事事的現(xiàn)象。最終任務(wù)完成情況及小組分工等安排將在課堂上代表小組進(jìn)行階段匯報(bào)并接受同學(xué)提問(wèn)評(píng)價(jià)。

3） 結(jié)合課題的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。將課題內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，課程的教學(xué)內(nèi)容的組織與課堂設(shè)計(jì)應(yīng)該圍繞具體任務(wù)來(lái)進(jìn)行，注重針對(duì)課題的基本原理和基本流程來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性思考和知識(shí)拓展。對(duì)于教學(xué)大綱及課題中涉及的共同重點(diǎn)、難點(diǎn)等問(wèn)題應(yīng)采用子專(zhuān)題的方式授課。在每個(gè)子專(zhuān)題授課前，應(yīng)布置學(xué)生收集資料，自學(xué)相關(guān)的背景介紹，啟發(fā)學(xué)生在學(xué)科發(fā)展視角來(lái)對(duì)某一項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)開(kāi)展思考。在課堂討論中，引導(dǎo)學(xué)生形成意識(shí)問(wèn)題-梳理問(wèn)題-凝煉問(wèn)題-解決問(wèn)題的基本思路。課后，要求學(xué)生消化整理課堂討論的結(jié)果，積累解決問(wèn)題必需的基礎(chǔ)知識(shí)，獲取解決問(wèn)題的方法和手段并編程實(shí)現(xiàn)，最后對(duì)專(zhuān)題涉及的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和歸納。實(shí)踐環(huán)節(jié)的編程工具選擇方面，應(yīng)該注意課程性質(zhì)特點(diǎn)，不應(yīng)意味求難或求容易，可推薦學(xué)生選擇MATLAB平臺(tái)或Python等語(yǔ)言，要提醒學(xué)生在學(xué)習(xí)Basic，Java， C#等語(yǔ)言方面的預(yù)期困難和長(zhǎng)遠(yuǎn)回報(bào)。與Microsoft Visual C++等復(fù)雜的編程環(huán)境相比，MATLAB平臺(tái)簡(jiǎn)單，自帶的圖像處理工具箱集成了圖像處理函數(shù)，能幫助學(xué)生方便地實(shí)現(xiàn)如圖像讀取、圖像格式分析、圖像直方圖查看、灰度增強(qiáng)、直方圖均衡化、分水嶺分割等經(jīng)典的圖像處理算法，有利于學(xué)生快速上手，讓學(xué)生將主要精力放在對(duì)算法思想的理解上，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。在課程核心知識(shí)點(diǎn)的算法方面，例如圖像空域增強(qiáng)、圖像頻域增強(qiáng)、圖像邊緣檢測(cè)等，不允許學(xué)生直接調(diào)用系統(tǒng)自帶函數(shù)，而要求學(xué)生自行編寫(xiě)，以達(dá)到透徹理解的程度。

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)注重激發(fā)學(xué)生的積極參與感。成員的積極參與性是小組合作任務(wù)順利進(jìn)行的關(guān)鍵和任務(wù)完成質(zhì)量的保證。課堂理論內(nèi)容盡量“精且少”，講解方式應(yīng)該在教師講解基礎(chǔ)上強(qiáng)化學(xué)生自學(xué)討論，避免過(guò)深、過(guò)泛的內(nèi)容講解，注重引入最新的研究成果和國(guó)內(nèi)外前沿知識(shí)，拓展本課程學(xué)習(xí)的深度與廣度，激發(fā)學(xué)生的積極參與性與學(xué)習(xí)成就感，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本學(xué)科的認(rèn)識(shí)和了解。通過(guò)投票評(píng)選表現(xiàn)最佳組員等多種方式，使學(xué)生在小組合作教學(xué)過(guò)程中獲得成就感，增加自信心。與此同時(shí)，對(duì)小組成員的分工和個(gè)人任務(wù)完成情況進(jìn)行了解，保證各盡其才，小組任務(wù)高質(zhì)量完成，避免學(xué)生之間在任務(wù)分配和調(diào)度方面會(huì)存在的一些問(wèn)題和沖突，這對(duì)后續(xù)的小組任務(wù)進(jìn)行是極為不利的。

4） 課程評(píng)價(jià)方式的設(shè)置。為了在考核中體現(xiàn)學(xué)生參與小組合作任務(wù)的主動(dòng)性與積極性，本文教學(xué)法可以采用課外作業(yè)、實(shí)驗(yàn)作業(yè)、理論考試等相結(jié)合的形式來(lái)考核學(xué)生對(duì)課程的掌握情況，也可以把平時(shí)完成項(xiàng)目情況作為基本依據(jù)計(jì)入學(xué)生總成績(jī)；亦可增加上機(jī)操作，進(jìn)一步考查學(xué)生對(duì)MATLAB等語(yǔ)言的掌握情況。此時(shí)需要設(shè)定平時(shí)成績(jī)和理論考試成績(jī)的比例。為保證學(xué)生過(guò)程性學(xué)習(xí)的重要性，以項(xiàng)目完成情況作為依據(jù)的部分成績(jī)所占比例不宜太低。為進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性，還可以建立多樣化的考評(píng)機(jī)制，為此，在教學(xué)實(shí)踐中采取自我評(píng)價(jià)和小組相互評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行，在匯報(bào)小組任務(wù)的時(shí)候，要求小組長(zhǎng)及小組成員自我評(píng)分自我匯總得出統(tǒng)一權(quán)重的成績(jī)，接著，由開(kāi)展了類(lèi)似課題學(xué)習(xí)的其他小組對(duì)該組的情況進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，最后由老師對(duì)最終成績(jī)進(jìn)行匯總判定。和老師單獨(dú)評(píng)價(jià)的方式相比較，采取小組自評(píng)和互評(píng)的方式更能激發(fā)學(xué)生參與意識(shí)，促進(jìn)評(píng)分成績(jī)的公平和公正，也有利于小組之間的借鑒學(xué)習(xí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)本組的不足之處，更好地進(jìn)行后續(xù)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)和任務(wù)的推進(jìn)。這種考核方式能夠充分檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容的掌握程度，切實(shí)激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性和提高他們的動(dòng)手實(shí)踐能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)學(xué)科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，通過(guò)分析《數(shù)字圖像處理》教學(xué)中目前存在的部分典型問(wèn)題，結(jié)合本學(xué)科的研究熱點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景以及授課教師的科研項(xiàng)目，將課題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法與小組合作學(xué)習(xí)法有機(jī)相結(jié)合，應(yīng)用于光電信息類(lèi)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)實(shí)踐中，鞏固了學(xué)生對(duì)課堂理論的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的分析問(wèn)題、自主學(xué)習(xí)、編程實(shí)現(xiàn)、總結(jié)表達(dá)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，讓學(xué)生真正地學(xué)以致用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。通過(guò)課后調(diào)查學(xué)生對(duì)課程教學(xué)的真實(shí)感受，大部分學(xué)生反映課題任務(wù)設(shè)置合適，有助于深入理解課程知識(shí)點(diǎn)，所有學(xué)生認(rèn)為采用小組合作方式學(xué)習(xí)效率更高，能更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，遇到問(wèn)題同學(xué)之間的及時(shí)交流可以幫助解決。部分學(xué)生表示對(duì)于學(xué)習(xí)目的以及學(xué)以致用的理解更深。教學(xué)效果表明，該教學(xué)方法克服傳統(tǒng)教學(xué)方法所存在的弊端，較好地提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生較好地掌握數(shù)字圖像處理的核心內(nèi)容，了解當(dāng)代圖像處理的代表性成果和前沿趨勢(shì)，綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新素養(yǎng)明顯增強(qiáng)，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)適應(yīng)能力的應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，適應(yīng)了新世紀(jì)對(duì)信息技術(shù)人才的培養(yǎng)要求。 （下轉(zhuǎn)第123頁(yè)）

（上接第120頁(yè)）

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