《數(shù)字圖像處理》研究生雙語(yǔ)課教學(xué)思路與實(shí)踐

蘆碧波　皇甫珍珍　鄭艷梅

【摘 要】本文以河南理工大學(xué)《數(shù)字圖像處理》研究生雙語(yǔ)課為例，討論了該課程在教學(xué)目的、教學(xué)方法、教學(xué)組織、實(shí)踐能力培養(yǎng)等方面的特點(diǎn)，并根據(jù)這這些特點(diǎn)，開展面向問(wèn)題解決的課堂教學(xué)、以提供英語(yǔ)能力為目的的文獻(xiàn)閱讀教學(xué)、以培養(yǎng)實(shí)踐能力為目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高研究生的科學(xué)思維能力、科技論文撰寫能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。雙語(yǔ)課在教學(xué)內(nèi)容安排、課堂設(shè)計(jì)、英文文獻(xiàn)閱讀、實(shí)驗(yàn)安排、學(xué)生匯報(bào)等方面的建設(shè)方法與實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】雙語(yǔ)教學(xué);數(shù)字圖像處理;研究生課程

中圖分類號(hào)： TP391.41-4;G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0111-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.052

The Construction and Practice of Digital Image Processing Bilingual Course for Graduate Student

LU Bi-bo HuangFu Zhenzhen ZHENG Yan-mei

（School of Computer Science And Technology， Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454003， China）

【Abstract】Taking the bilingual course of Digital Image Processing of Henan University of Technology as an example， this paper discusses the characters on teaching aim， teaching method， teaching organization and practice ability training. Based on these characters， the class teaching aim to problem solving， the literature reading aim to improve English ability and the lab teaching aim to improve practice ability are conducted. These activities help to improve graduate students abilities on thinking in science research， science paper writing and cooperation each other in a team.

【Key words】Bilingual teaching; Digital image processing; Graduate course

0 引言

為提高高素質(zhì)創(chuàng)新人才質(zhì)量，各高校在研究生人才培養(yǎng)期間根據(jù)單位的實(shí)際情況開設(shè)了研究生雙語(yǔ)課程。開始研究生雙語(yǔ)課，不僅可提高研究生的國(guó)際視野和進(jìn)行國(guó)際學(xué)術(shù)交流能力，也可使研究生更好的了解國(guó)際科技發(fā)展的最新動(dòng)向[1]。

我校開設(shè)了《數(shù)字圖像處理》雙語(yǔ)課。此課程為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)碩、計(jì)算機(jī)技術(shù)專碩等類型研究生的選修課。由于數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺、人工智能等學(xué)科在近年中發(fā)展迅速，研究生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的興趣不斷增加，學(xué)習(xí)主動(dòng)性逐漸增強(qiáng)趣。本課程的基本目的是使學(xué)生了解數(shù)字圖像處理的基本概念、原理、方法及應(yīng)用，培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生數(shù)字圖像處理技能的創(chuàng)新意識(shí)，提高實(shí)際動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題能力。本文在借鑒和學(xué)習(xí)前人教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[2]，根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐，介紹該雙語(yǔ)課的開設(shè)情況和課程建設(shè)情況。

1 授課內(nèi)容與教學(xué)思路

1.1 授課內(nèi)容

課程授課內(nèi)容包括圖像的點(diǎn)操作（包括圖像增強(qiáng)、直方圖變換）、圖像濾波、邊緣檢測(cè)、多尺度分析、角點(diǎn)檢測(cè)、圖像匹配等。其中部分內(nèi)容較為新穎，如在圖像濾波部分介紹了非線性擴(kuò)散濾波、雙邊濾波、引導(dǎo)濾波等較主流算法。

課程采用“全英文展示，英文講解為主，中文講解為輔”的教學(xué)模式。以英文原版著作為教材、課件內(nèi)容為英文;在講解過(guò)程中對(duì)主要內(nèi)容用英文講解，而對(duì)于復(fù)雜的內(nèi)容在英文講解的基礎(chǔ)上稍加中文解釋。為順利完成雙語(yǔ)課的課堂教學(xué)，在每次授課前，通過(guò)網(wǎng)站將英文課件等內(nèi)容提前發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)，熟悉教學(xué)內(nèi)容和對(duì)應(yīng)的英文專業(yè)詞匯，并在課堂上對(duì)學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)提問(wèn)，檢查其預(yù)習(xí)情況。

1.2 教學(xué)思路

在目前的研究生教學(xué)中，容易沿襲本科生教學(xué)的思路進(jìn)行教學(xué)。但研究生在教學(xué)目的、教學(xué)方法、教學(xué)組織、實(shí)踐能力培養(yǎng)方面具有自己的特點(diǎn)，需要根據(jù)這些特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)組織和安排。

（1）《數(shù)字圖像處理》作為一門研究生專業(yè)課，不僅與本科生課程一樣具有傳授知識(shí)、提高能力的功能，更重要的是還要為學(xué)生打開進(jìn)行科學(xué)研究的大門、啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)一定的示范和引領(lǐng)作用。

（2）數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，特別是隨著深度學(xué)習(xí)等新一代人工智能技術(shù)的興起，很多問(wèn)題都被重新定義和解決。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能適應(yīng)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，也很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。為此，在教學(xué)方法要以學(xué)生為中心，教師要完成從教學(xué)者到引導(dǎo)者的轉(zhuǎn)變，在講授基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生大量閱讀最新文獻(xiàn)，引領(lǐng)學(xué)生了解最前沿的技術(shù)進(jìn)展。

（3）在大多數(shù)高校中，研究生教育目前還屬于精英教育。與本科生課程相比，研究生專業(yè)課的學(xué)習(xí)人數(shù)相對(duì)較少，較低的生師比使得更加靈活的教學(xué)組織成為可能。在課堂上可以通過(guò)師生之間的頻繁互動(dòng)、組織學(xué)生開展分組討論、安排學(xué)生進(jìn)行專題匯報(bào)等形式，提高學(xué)生參與課堂教學(xué)的程度，并培養(yǎng)其良好的思辨意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（4）與本科生課程不同，很多高校的研究生課程不安排獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，這也是目前研究生教育中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。對(duì)于《數(shù)字圖像處理》課程而言，需要學(xué)生進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)基本的算法，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)生對(duì)相關(guān)概念、知識(shí)和算法的理解，并為后續(xù)的算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

2 教學(xué)方法與實(shí)踐

2.1 以問(wèn)題解決為驅(qū)動(dòng)的課程教學(xué)

在教學(xué)中，以實(shí)際問(wèn)題的解決作為教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，以“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)思想、算法設(shè)計(jì)、方案效果”為主線進(jìn)行講授，使學(xué)生能夠在課堂上感受到技術(shù)發(fā)展的全過(guò)程，了解和熟悉解決問(wèn)題、研究創(chuàng)新的思路和方法。如在圖像濾波中，以噪聲去除為待解決的問(wèn)題、以加權(quán)平均為算法設(shè)計(jì)的思想、以高斯函數(shù)加權(quán)作為算法設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)、以濾波后的圖像作為效果進(jìn)行展示。為了提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力，還根據(jù)高斯函數(shù)的性質(zhì)，討論了在離散情形下如何合理選區(qū)模板大小以控制誤差。此部分的教學(xué)安排遵循“循序漸進(jìn)、由淺入深、由簡(jiǎn)到繁”的原則，使學(xué)生一步一步的了解算法設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、參數(shù)設(shè)置等問(wèn)題。

在具體的教學(xué)設(shè)計(jì)上，注意將課堂教學(xué)內(nèi)容與科研論文撰寫中的“引言、算法設(shè)計(jì)、算法流程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果”的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，使學(xué)生逐漸熟悉研究科學(xué)問(wèn)題的思路和方法，并潛移默化的將科技論文撰寫的方法傳授給學(xué)生。

通過(guò)以問(wèn)題解決為目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)，可以將學(xué)生快速的從課本上的基本問(wèn)題帶到相關(guān)問(wèn)題研究的前沿，同時(shí)熟悉科學(xué)研究的思路和方法，為今后碩士研究生階段的學(xué)習(xí)打下較好的基礎(chǔ)。

2.2 面向國(guó)際化的文獻(xiàn)閱讀教學(xué)

提高英文文獻(xiàn)閱讀能力、提高學(xué)生的國(guó)際交流能力是雙語(yǔ)課開設(shè)的目的之一。在授課過(guò)程中，授課教師結(jié)合課程內(nèi)容和相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，為學(xué)生提供大量文獻(xiàn)以供閱讀。對(duì)于課程相關(guān)內(nèi)容，在課堂上講授相關(guān)算法，在課下要求學(xué)生閱讀原始的英文文獻(xiàn)。為使學(xué)生掌握最新的技術(shù)進(jìn)展，要求學(xué)生查閱Siggraph、Siggraph Asia、CVPR等世界頂級(jí)會(huì)議的相關(guān)網(wǎng)站，根據(jù)個(gè)人興趣選取部分文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀。通過(guò)文獻(xiàn)閱讀，學(xué)生不僅加深了課堂內(nèi)容的理解，也掌握了最新的技術(shù)進(jìn)展。

為了提高學(xué)生的國(guó)際交流能力并體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教育理念，要求每個(gè)學(xué)生將自己選擇的頂級(jí)期刊和會(huì)議的文獻(xiàn)在閱讀后進(jìn)行匯報(bào)，匯報(bào)內(nèi)容包括問(wèn)題背景、算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)、結(jié)果演示等內(nèi)容，每次匯報(bào)20-30分鐘。通過(guò)學(xué)生匯報(bào)、學(xué)生互評(píng)、教師總結(jié)點(diǎn)評(píng)的方式，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題、解決問(wèn)題和國(guó)際交流能力，還活躍了課堂氣氛、提高了雙語(yǔ)課的教學(xué)效果。

2.3 面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

由于研究生課程大部分未安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，而《數(shù)字圖像處理》還是一門實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的課程，因此在課程學(xué)習(xí)中，安排學(xué)生在課下進(jìn)行編程驗(yàn)證基本理論并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而實(shí)用的算法，并在課堂上進(jìn)行講授，以檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果。

為了讓學(xué)生深刻了解高斯濾波和LoG算子的內(nèi)容，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)高斯函數(shù)、高斯函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)、高斯函數(shù)二階導(dǎo)數(shù)的圖形繪制，建立學(xué)生在理論推導(dǎo)與直觀圖形之間的聯(lián)系。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)Photoshop中的“色階、曲線、通道混合器、反相、閾值、色調(diào)均化、色調(diào)分離、查找邊緣、最大值、最小值、中間值、添加雜色、浮雕效果、自定義”等十多種功能進(jìn)行演示，然后提示這些功能與教學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，并要求學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在實(shí)現(xiàn)這些功能的過(guò)程中可以不僅有效提高了動(dòng)手能力，還獲得了很好的滿足感，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

考慮到學(xué)生學(xué)生能力的差異，要求學(xué)生分組討論進(jìn)行算法設(shè)計(jì)并使用Python、Matlab、C等語(yǔ)言編程進(jìn)行代碼的設(shè)計(jì)、測(cè)試和展示。每組包含2-3人，其中1-2人負(fù)責(zé)算法實(shí)現(xiàn)，1人負(fù)責(zé)使用英語(yǔ)匯報(bào)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程、展示算法結(jié)果，每次匯報(bào)5-10分鐘。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)《數(shù)字圖像處理》研究生雙語(yǔ)課建設(shè)，利用多種手段增加研究生的英文文獻(xiàn)閱讀數(shù)量、提高查找和閱讀英文文獻(xiàn)能力、加強(qiáng)其使用英語(yǔ)進(jìn)行交流的能力。但是在實(shí)際教學(xué)中，還是存在學(xué)生英語(yǔ)基礎(chǔ)較為薄弱、英語(yǔ)使用環(huán)境較差、參加國(guó)際學(xué)生交流機(jī)會(huì)較少等實(shí)際問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫斌，陳小惠，喻春雨.數(shù)字圖像處理雙語(yǔ)教學(xué)中的現(xiàn)代工程能力培養(yǎng)[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（07）：31-33+37.

[2]鄭愛華，涂錚錚，羅斌.計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)字圖像處理雙語(yǔ)課程的“主題式”教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（02）：159-162.