科研成果轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)案例的探索與實踐

劉文萍，王忠芝，宋以寧

（北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

2016年《教育部關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》指出，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育的核心任務(wù)，深化教育教學(xué)改革是新時期高等教育發(fā)展的強(qiáng)大動力。大學(xué)教育是培養(yǎng)適應(yīng)社會、能夠為社會服務(wù)的建設(shè)型人才。教育的目的不僅僅停留在知識的傳授上，在學(xué)生獲得知識、技能的同時，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和自我學(xué)習(xí)能力[1]。傳統(tǒng)教學(xué)方法主要是老師講、學(xué)生聽，學(xué)生是否聽課或聽懂多少內(nèi)容，教師只能通過期末考試才能了解，且學(xué)生通過“聽”學(xué)到的只是知識而非能力的提升。作為數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)的教師，如何在本科專業(yè)課教學(xué)過程中既傳授枯燥抽象的理論知識，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是我們在教學(xué)中認(rèn)真思考并不斷探索的問題。高校教師除了教書育人外，也是一名科研工作者。如何將豐碩的研究成果反哺課堂教學(xué)，使得科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合、相輔相成，是專業(yè)課教師關(guān)注的另一個問題。

數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)課程理論性較強(qiáng)，涉及的概念和算法也很多。如果在課堂教學(xué)中照本宣科，勢必會令學(xué)生感到單調(diào)、乏味，教學(xué)效果欠佳。由美國哈佛法學(xué)院院長Langdell首創(chuàng)的案例教學(xué)是一種具有啟發(fā)性、實踐性，能提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的教學(xué)方法，通過對一個具體教育情景（案例）的描述，引導(dǎo)學(xué)生對此特殊情景進(jìn)行討論的一種教學(xué)方法。在分析過程中，學(xué)生根據(jù)教師提出的問題，自己尋找解決問題的途徑和手段，以加深學(xué)生對基本原理和概念的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和處理問題的能力[2]。因此，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，在理論知識教學(xué)環(huán)節(jié)引入相關(guān)的科研成果編寫成案例，并在課堂上以啟發(fā)式和討論的方式與學(xué)生一起分析案例，能夠幫助學(xué)生理解并掌握課程的理論難點。此外，學(xué)生在課程理論內(nèi)容全部講授結(jié)束后，還可以將每一章節(jié)的理論知識與對應(yīng)案例相結(jié)合，達(dá)到理論知識融會貫通的學(xué)習(xí)目的，使學(xué)生扎實掌握課程內(nèi)容，又培養(yǎng)解決實際問題的能力。

1 科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例的意義

本科教學(xué)是大學(xué)教育的基礎(chǔ)，科研工作反映了專業(yè)理論知識的實際應(yīng)用及學(xué)科發(fā)展前沿。從教學(xué)及科研活動的實質(zhì)看，“教”與“研”本身是相輔相成、相互促進(jìn)的關(guān)系。中科院院士錢偉長說過，“你不教課，就不是教師；你不搞科研，就不是好老師。大學(xué)必須拆除教學(xué)與科研之間的高墻，教學(xué)沒有科研做底蘊(yùn)，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”[3]。科研轉(zhuǎn)化成課堂教學(xué)案例的意義主要有以下幾點。

1.1 豐富課程教學(xué)內(nèi)容，拓展教育資源

數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)屬于工科類專業(yè)，專業(yè)課程基本是按教材授課，課程內(nèi)容理論性比較強(qiáng)，如果用灌輸式教學(xué)方法講授，學(xué)生感覺會很抽象乏味，課堂教學(xué)效果欠佳。將科研成果轉(zhuǎn)化為課堂教學(xué)案例，可豐富更新教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)術(shù)性和前沿性，從而增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度。

1.2 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量

在以往的課程教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)常會問學(xué)這門課有什么實用價值。我們將科研成果中與專業(yè)課程相關(guān)的內(nèi)容提煉成教學(xué)案例作為教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，并在撰寫教學(xué)案例時會充分考慮學(xué)生的能力和專業(yè)基礎(chǔ)，案例中的理論知識由淺入深編排，能引起學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)和科研興趣。此外，案例教學(xué)主要采用的啟發(fā)式和互動討論的形式代替了傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)模式，讓學(xué)生由知識的接收者轉(zhuǎn)化為知識的探索者，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，進(jìn)而提高了教學(xué)效果。

1.3 鍛煉學(xué)生的科研思維，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的應(yīng)用型人才

科學(xué)研究主要是重視思考或討論，這些方法對于本科學(xué)生來說都是不可或缺的。大學(xué)生較早地了解專業(yè)的科研方向及科研前沿，甚至參與到教師的科研工作中，能夠極大限度地激發(fā)學(xué)生的科研興趣，拓展學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望，不斷提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維與實踐能力，為步入社會打下堅實的基礎(chǔ)[4]。

2 科研成果轉(zhuǎn)化為理論教學(xué)案例實踐

將科研成果撰寫為教學(xué)案例是將抽象深奧的專業(yè)理論知識以應(yīng)用實例的形式展現(xiàn)出來，讓學(xué)生直接感受到所學(xué)理論知識的功用，可提高學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣。案例教學(xué)師生互動的討論模式能極大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解抽象晦澀的專業(yè)知識。筆者在數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課“數(shù)字媒體技術(shù)基礎(chǔ)”和專業(yè)必修課“數(shù)字視頻技術(shù)及應(yīng)用”的教學(xué)實踐中，積極探索將科研成果轉(zhuǎn)化為理論教學(xué)案例的案例式教學(xué)模式，取得了較好的教學(xué)效果。

在“數(shù)字媒體技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)過程中，數(shù)字圖像的紋理特征及其應(yīng)用是最難理解的內(nèi)容之一，但它又是圖像處理、分析、識別等后續(xù)內(nèi)容的理論基礎(chǔ)。在以往課堂教學(xué)中，教師先介紹圖像紋理及紋理特征的定義（圖像紋理是指在圖像中反復(fù)出現(xiàn)的局部模式和它們的排列規(guī)則；紋理特征是對區(qū)域內(nèi)部灰度級變化的特征進(jìn)行量化），然后介紹兩種常用的圖像紋理特征——分形維數(shù)和縫隙量（分形維數(shù)FD通常表征紋理的粗糙程度，圖像紋理越粗糙，F(xiàn)D值越大；縫隙量Lacu則表示了紋理的疏密程度，紋理密（疏）時Lacu值?。ù螅Ｓ捎谶@些概念較為抽象，在課堂講授這部分內(nèi)容時，教學(xué)雙方都感到很困難。為了幫助學(xué)生理解和掌握圖像紋理特征及其應(yīng)用，筆者將國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“重大森林蟲災(zāi)監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)研究”（201404401）中與圖像紋理特征相關(guān)的科研成果及應(yīng)用轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例“圖像紋理特征及其在林業(yè)病蟲害監(jiān)測中的應(yīng)用”。首先，展示幾種不同的紋理圖像及其FD、Lacu值，讓學(xué)生對圖像紋理及紋理特征有感性認(rèn)識，然后再展示受災(zāi)油松和健康油松圖像，并對比它們之間的差異和特征值大?。ㄈ鐖D1、2所示），幫助學(xué)生理解圖像紋理及紋理特征值的概念和應(yīng)用。由于在案例中首先展示了不同飛行高度無人機(jī)拍攝的林區(qū)鳥瞰和正射圖像及視頻，吸引了學(xué)生的注意力，然后再介紹利用紋理特征對受災(zāi)油松圖像進(jìn)行分析，并結(jié)合地面失葉率調(diào)查結(jié)果，最終得出單株油松圖像的分形維數(shù)可有效判定其受災(zāi)等級的結(jié)論，讓學(xué)生理解抽象的圖像紋理概念及其應(yīng)用，同時了解到本課程學(xué)習(xí)的實用性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在對“數(shù)字視頻技術(shù)及應(yīng)用”第3章視頻結(jié)構(gòu)分析及視頻分割技術(shù)的教學(xué)過程中，筆者將北京市教委面上項目“基于高層語義的新聞視頻檢索技術(shù)應(yīng)用研究”（KM200710009005）的部分科研成果分解成“新聞視頻結(jié)構(gòu)分析”和“新聞字幕定位及分割”2個教學(xué)案例。在講授完視頻結(jié)構(gòu)分析中的鏡頭邊緣檢測算法后，給出了“新聞視頻結(jié)構(gòu)分析”案例，其中使用的“字幕事件檢測”幫助學(xué)生理解和掌握該章的重點和難點——鏡頭邊緣檢測技術(shù)。新聞結(jié)構(gòu)分析后如何檢測用戶需要的新聞？提出一個問題，答案在下次課“視頻幀內(nèi)分割”的教學(xué)內(nèi)容中。此次課主要采用案例“新聞字幕定位及分割”進(jìn)行教學(xué)，將上次課的“新聞視頻結(jié)構(gòu)分析”案例中檢測到的字幕幀經(jīng)過灰度化、邊緣檢測、連通區(qū)域標(biāo)記等定位出字幕區(qū)，然后利用圖像閾值分割方法提取字幕并識別，最后用戶只需輸入關(guān)鍵詞即可對新聞進(jìn)行檢索。這一系列處理都與視頻幀內(nèi)分割技術(shù)相關(guān)，通過這個案例教學(xué)，可以夯實學(xué)生這部分的理論知識，并能將課程內(nèi)容與“數(shù)字圖像處理技術(shù)”的相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系起來，增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。

圖2 圖像紋理及其縫隙量Lacu

講授“數(shù)字視頻技術(shù)及應(yīng)用”第5章運(yùn)動目標(biāo)檢測技術(shù)時，首先播放一段用于安防的視頻監(jiān)控系統(tǒng)錄像，并向?qū)W生提出“該系統(tǒng)是如何自動檢測出非法入侵者的？”，以啟發(fā)學(xué)生積極思考并帶著問題聽課，通過講授基于圖像幀間差的運(yùn)動目標(biāo)檢測的思想和常用方法后，學(xué)生就能基本掌握非法入侵檢測技術(shù)，最后以某公司委托筆者研發(fā)的油田抽油機(jī)異常運(yùn)行狀態(tài)檢測系統(tǒng)為案例，與學(xué)生一起結(jié)合本節(jié)課學(xué)習(xí)的“運(yùn)動目標(biāo)檢測算法”分析應(yīng)該如何對抽油機(jī)異常運(yùn)行（停機(jī)、速度異常）狀態(tài)進(jìn)行檢測，學(xué)生主動思考并積極發(fā)言，提出各自的技術(shù)方案，結(jié)合技術(shù)應(yīng)用的具體場景，給出項目所采用的具體方法和技術(shù)路線。通過這個案例教學(xué)，加深了學(xué)生對本課堂教學(xué)內(nèi)容的理解。同時，通過挖掘一些方案存在的可行性及實用性等問題，引導(dǎo)學(xué)生要注重理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)他們分析問題和解決實際問題的能力。課程的教學(xué)評價結(jié)果（見表1）表明：在課堂教學(xué)中實施基于科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例的案例式教學(xué)模式，在一定程度上提高了教學(xué)效果。

表1 “數(shù)字視頻技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)評價

3 結(jié) 語

針對數(shù)字媒體技術(shù)本科生專業(yè)課程實踐性強(qiáng)、時效性強(qiáng)的特點，結(jié)合科研中的實際問題，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，更新教學(xué)內(nèi)容，突出課程內(nèi)容的專業(yè)性和實用性，這種教學(xué)方式對“教”“學(xué)”雙方都起到了一定的促進(jìn)作用。一方面，學(xué)生了解了專業(yè)知識的實用性，引起其課堂學(xué)習(xí)的興趣，又培養(yǎng)了本科生的創(chuàng)新能力及科學(xué)素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生求真學(xué)問、練真本領(lǐng)。由于案例中是基于應(yīng)用場景提出問題，學(xué)生必須首先理解所學(xué)的理論知識，經(jīng)過縝密地思考，融會貫通才能提出可行有效的解決方案，這應(yīng)視為能力上的升華。另一方面，學(xué)生提出的方案要求教師對其中存在的問題予以校正，這也促使教師深入思考，并根據(jù)不同學(xué)生提出的解決方案了解他們對課堂知識掌握的程度及存在的問題，補(bǔ)充完善教學(xué)內(nèi)容，對教師教學(xué)也提出了更高的要求，促使教師熱愛教學(xué)、傾心教學(xué)、研究教學(xué)。

國以才立、業(yè)以才興，高教大計、本科為本。教師在開展科研工作取得高水平研究成果的同時，應(yīng)注重及時將研究成果、國內(nèi)外研究動向以及科學(xué)方法融入本科專業(yè)課課堂教學(xué)，不斷豐富、充實和提升教學(xué)資源。同時，在將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例的過程中，教師會無形中將科學(xué)精神、人文素質(zhì)、創(chuàng)新意識等傳授給學(xué)生，學(xué)生不但學(xué)到了理論知識、擴(kuò)大了知識面、改善了知識結(jié)構(gòu)，而且還能促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、思考、探索與創(chuàng)新，從而有利于培養(yǎng)出具有一定競爭力的綜合性應(yīng)用人才，為我國高等教育強(qiáng)基固本，加快建設(shè)高等教育強(qiáng)國。