《數(shù)字圖像處理》立體式教學(xué)方法改革與實(shí)踐

孟祥超 符冉迪 邵楓 陳懇

摘? 要：《數(shù)字圖像處理》是眾多理工類或綜合類院校信息類等專業(yè)開設(shè)的一門重要基礎(chǔ)課程，然而，該課程在教學(xué)過(guò)程中普遍存在以教師為中心、以教材為中心，教學(xué)方法單一、教學(xué)氣氛單調(diào)的“平面化”教學(xué)問題。針對(duì)該問題，文章提出針對(duì)性的數(shù)字圖像處理課程的“立體式”教學(xué)模式，在“學(xué)-導(dǎo)互促”立體化教學(xué)、“理論-實(shí)踐-創(chuàng)新”三位一體立體化教學(xué)、融入專業(yè)能力競(jìng)爭(zhēng)的立體化評(píng)價(jià)機(jī)制三個(gè)方面進(jìn)行探索與實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和項(xiàng)目實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;教學(xué)方法改革;立體式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2019）23-0136-03

Abstract： Digital Image Processing is an important and basic course offered by many science and engineering universities or comprehensive universities; however， the problem of "planarization teaching" is commonly existed in the teaching process of the digital image processing course. such as the "planarization teaching" problem of teacher-centered， the problem of material-centered， the problem of single teaching method， and the problem of monotonous teaching atmosphere. This paper proposed "stereometric teaching" method for teaching of the digital image processing course. We make the exploration and practice in three aspects： the stereometric teaching of the mutual help of learning and teaching， the three-dimensional stereometric teaching of "theory-practice-innovation"， and the stereometric evaluation mechanism by integrating the professional ability， to foster the ability of the students' innovation and practice.

Keywords： Digital Image Processing; teaching method revolution; stereometric teaching

2018年教育部發(fā)布《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》，明確提出：“要辦好我國(guó)高校，辦出世界一流大學(xué)，人才培養(yǎng)是本，本科教育是根?！逼渲校稊?shù)字圖像處理》[1，2]是目前大多數(shù)理工類或綜合類院校信息類本科專業(yè)等的重要基礎(chǔ)專業(yè)課程，同時(shí)其也是一門新興交叉學(xué)科，涉及通信、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、軍事、遙感等眾多領(lǐng)域，理論性和實(shí)踐性均很強(qiáng)，具有發(fā)展速度快、內(nèi)容覆蓋面廣、理論難度大、實(shí)踐要求高的特點(diǎn)[3-5]。

基于筆者在《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)中的實(shí)踐與思考，以及對(duì)數(shù)字圖像處理相關(guān)教學(xué)現(xiàn)狀的深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)數(shù)字圖像處理相關(guān)課程在教學(xué)過(guò)程中往往存在：以教師為中心、以教材為中心，教學(xué)方法單一、教學(xué)氣氛單調(diào)的“平面化教學(xué)”問題[6]，難以充分滿足教育部在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2011-2020年）》中提出的“全面實(shí)施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程，探索建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)新模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性”的要求，同時(shí)也與現(xiàn)今工程專業(yè)教育認(rèn)證以學(xué)生為中心的核心教育理念不相符合。盡管，目前已有部分學(xué)者針對(duì)數(shù)字圖像處理教學(xué)過(guò)程中存在的問題提出了相應(yīng)的對(duì)策，如張芝華等[7]提出現(xiàn)代教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，以及利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)工具的改進(jìn)措施，李婕等[8]提出增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的教學(xué)策略等，但數(shù)字圖像處理相關(guān)教學(xué)過(guò)程中存在的平面化教學(xué)問題仍普遍存在。

因此，針對(duì)數(shù)字圖像處理相關(guān)課程教學(xué)中存在的平面化教學(xué)問題，本文以筆者擔(dān)任的《數(shù)字圖像處理》課程為例，提出《數(shù)字圖像處理》立體式教學(xué)理論與方法，并進(jìn)行《數(shù)字圖像處理》課程立體式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

一、數(shù)字圖像處理教學(xué)過(guò)程中存在的問題

本文基于筆者在數(shù)字圖像處理相關(guān)課程中的教學(xué)實(shí)踐和深入調(diào)查[9-11]，發(fā)現(xiàn)該課程在教學(xué)過(guò)程中存在以下問題。

（一） 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能有待進(jìn)一步激發(fā)

數(shù)字圖像處理涉及領(lǐng)域廣泛，專業(yè)知識(shí)中數(shù)學(xué)公式多而復(fù)雜、晦澀難懂，而教學(xué)過(guò)程中過(guò)于側(cè)重傳統(tǒng)理論公式的講解，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)抽象，并將其單向的灌輸給學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)原理內(nèi)涵的理解產(chǎn)生畏難心理，學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性不高。

（二）實(shí)踐和創(chuàng)新能力有待進(jìn)一步提升

以往數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)重理論講解和簡(jiǎn)單任務(wù)式語(yǔ)言編程實(shí)驗(yàn)，對(duì)本科生科研項(xiàng)目實(shí)踐和社會(huì)實(shí)踐考慮不足;另外，數(shù)字圖像處理涉及領(lǐng)域廣，知識(shí)更新快，而現(xiàn)有教學(xué)模式往往指定規(guī)定教材，教學(xué)內(nèi)容和學(xué)科發(fā)展與國(guó)際前沿更新相對(duì)滯后，未與最新科研成果進(jìn)行良好銜接。

（三）評(píng)價(jià)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制有待進(jìn)一步改善

現(xiàn)有教學(xué)通常以考試成績(jī)?yōu)橹黧w，并結(jié)合平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)課成績(jī)對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)定，忽略了學(xué)生的學(xué)科競(jìng)賽專業(yè)創(chuàng)新能力，并且對(duì)項(xiàng)目實(shí)踐和社會(huì)實(shí)踐等專業(yè)實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)考慮不足。

二、數(shù)字圖像處理立體式教學(xué)方法

本文以《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)為切入點(diǎn)，研究并實(shí)踐行之有效的“立體化”教學(xué)理論與方法，主要包括：“學(xué)-導(dǎo)互促”立體化教學(xué)、“理論-實(shí)踐-創(chuàng)新”三位一體立體化教學(xué)，以及融入專業(yè)能力競(jìng)爭(zhēng)的立體化評(píng)價(jià)機(jī)制。以學(xué)-導(dǎo)互促互長(zhǎng)、學(xué)科競(jìng)賽、最新科研成果反哺等方式，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。具體內(nèi)容如下：

（一）“學(xué)-導(dǎo)互促”立體化教學(xué)

針對(duì)以往教學(xué)過(guò)程中存在以教材為中心、以教師為中心，學(xué)生“學(xué)”和教師“導(dǎo)”相互分離的問題，探索并實(shí)踐學(xué)-導(dǎo)互促互長(zhǎng)的立體化教學(xué)方法。做好“引路人”的角色，通過(guò)學(xué)-導(dǎo)互促互長(zhǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能。在教學(xué)過(guò)程中摒棄單向的知識(shí)灌輸?shù)慕虒W(xué)方法，實(shí)施教師“導(dǎo)”和學(xué)生“學(xué)”的互促互長(zhǎng)，如在課堂教學(xué)中留出充足時(shí)間和學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)講學(xué)、角色互換，不僅自己作為老師的角色，也作為學(xué)生的角色，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行提問，以及讓學(xué)生嘗試進(jìn)行部分課程知識(shí)的講解，激發(fā)學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)理論的大膽質(zhì)疑和創(chuàng)新突破。通過(guò)學(xué)-導(dǎo)互促教學(xué)，提升學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

如在《數(shù)字圖像處理》課程第一章的基礎(chǔ)知識(shí)講解中，一方面通過(guò)案例講解引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知數(shù)字圖像處理知識(shí)領(lǐng)域的廣泛性和實(shí)用性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;另一方面鼓勵(lì)同學(xué)們以教師的角色，讓同學(xué)們主動(dòng)分享在平時(shí)生活中天氣好與不良天氣下的手機(jī)拍照經(jīng)驗(yàn)，并分析霧天和雨天手機(jī)拍照的缺陷;以及生活中醫(yī)院診療CT成像、核磁共振成像等方面的體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析CT成像、核磁共振成像的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn);此外，可借鑒商業(yè)公司在圖像處理與質(zhì)量改善方面的成功產(chǎn)品，通過(guò)視頻等形式展示，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知圖像處理技術(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的改善作用，激發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣和潛能。

如圖1 所示，在圖像增強(qiáng)相關(guān)章節(jié)中，可通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)生活中的案例進(jìn)行引導(dǎo)性講解，如水體照片的增強(qiáng)處理，雨、雪、霧等惡劣天氣條件成像圖像的處理等，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）“理論-實(shí)踐-創(chuàng)新”三位一體立體化教學(xué)

針對(duì)以往教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力考慮不足的問題，探索并實(shí)踐“理論-實(shí)踐-創(chuàng)新”三位一體立體化教學(xué)方法，不僅讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解更加透徹，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。如在理論教學(xué)過(guò)程中，將抽象理論公式進(jìn)行具體化、形象化;在實(shí)踐課程中，培養(yǎng)學(xué)生編程動(dòng)手能力的同時(shí)，通過(guò)學(xué)科競(jìng)賽，并以科研項(xiàng)目為引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用和轉(zhuǎn)化能力;在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中，一方面多讓學(xué)生找“錯(cuò)”，另一方面讓學(xué)生及時(shí)跟進(jìn)各章節(jié)內(nèi)容的國(guó)內(nèi)外前沿科技，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和國(guó)際視野。

如在《數(shù)字圖像處理》相關(guān)課程頻率域?yàn)V波章節(jié)的教學(xué)過(guò)程中，由于傅里葉變換公式多而復(fù)雜，且晦澀難懂，學(xué)生往往覺得枯燥乏味，易產(chǎn)生畏難心理，在其講解中可將傅里葉變換抽象理論與音樂等生活中的實(shí)例進(jìn)行結(jié)合和類比進(jìn)行講解，更容易讓學(xué)生理解傅里葉變換的原理和內(nèi)涵;在實(shí)踐課程中，鼓勵(lì)學(xué)生參加圖像融合、圖像分類等方面的國(guó)際國(guó)內(nèi)學(xué)科競(jìng)賽，并引導(dǎo)學(xué)生參與老師的實(shí)踐項(xiàng)目;在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，一方面在教學(xué)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)課本中的錯(cuò)誤，大膽質(zhì)疑;另一方面，定期給學(xué)生推薦圖像處理方面的國(guó)際前沿文章和技術(shù)，并讓班級(jí)同學(xué)進(jìn)行分組討論和實(shí)踐，讓學(xué)生探索并應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)創(chuàng)新性解決實(shí)際工程問題，使學(xué)生進(jìn)一步夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)其創(chuàng)新與實(shí)踐能力。此外，利用網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)（http：//study.nbu.edu.cn/portal），提升學(xué)生參與的積極性。

（三）融入專業(yè)能力競(jìng)爭(zhēng)的立體化評(píng)價(jià)機(jī)制

針對(duì)以往教學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)定對(duì)學(xué)生專業(yè)活動(dòng)能力考慮不足的問題，擬建立科學(xué)合理的立體化評(píng)價(jià)體系，融入學(xué)科競(jìng)賽和項(xiàng)目實(shí)踐等專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐能力測(cè)評(píng)，提升學(xué)生的專業(yè)能力。一方面，完善學(xué)生導(dǎo)師制，鼓勵(lì)并組織學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽實(shí)踐活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和積極性，指導(dǎo)教師對(duì)參賽學(xué)生選題進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，營(yíng)造比賽氛圍，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。另一方面，在學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定中，將科研競(jìng)賽和項(xiàng)目實(shí)踐融入學(xué)生綜合測(cè)評(píng)中，提升學(xué)生的專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

在數(shù)字圖像處理相關(guān)課程教學(xué)中，提高學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽、項(xiàng)目實(shí)踐和創(chuàng)新能力在成績(jī)綜合評(píng)定中的比重，如根據(jù)學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)、獨(dú)立完成一項(xiàng)專業(yè)項(xiàng)目實(shí)踐，并取得導(dǎo)師認(rèn)可，以及對(duì)圖像處理技術(shù)的創(chuàng)新性改進(jìn)等作為專業(yè)活動(dòng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合學(xué)生的考試成績(jī)、實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)以及平時(shí)成績(jī)等對(duì)學(xué)生綜合評(píng)定。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文基于筆者在《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)中的實(shí)踐與調(diào)查，探討了數(shù)字圖像處理相關(guān)課程在教學(xué)過(guò)程中存在的平面化教學(xué)問題，并有針對(duì)性的提出數(shù)字圖像處理課程的立體式教學(xué)方法與策略，即“學(xué)-導(dǎo)互促”立體化教學(xué)、“理論-實(shí)踐-創(chuàng)新”三位一體立體化教學(xué)、融入專業(yè)能力競(jìng)爭(zhēng)的立體化評(píng)價(jià)機(jī)制。此外，筆者將在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中針對(duì)具體問題進(jìn)一步改進(jìn)與實(shí)踐，提升數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)質(zhì)量。

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