基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式探索

摘要：本文針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的將理論與實(shí)踐相結(jié)合的特點(diǎn)，探索基于深度學(xué)習(xí)路線的數(shù)字圖像課程教學(xué)新模式，提升學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動(dòng)性、創(chuàng)造性和積極性，幫助學(xué)生建立知識(shí)的深層次理解，同時(shí)也提升學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);數(shù)字圖像;圖像處理;教學(xué)模式;研究分析

數(shù)字圖像處理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等專業(yè)高年級(jí)開設(shè)的一門重要專業(yè)課程，融合了多媒體技術(shù)、信號(hào)處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等多學(xué)科知識(shí)，講授的理論復(fù)雜，要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是一門教學(xué)難度較高的課程。而目前數(shù)字圖像處理作為人工智能技術(shù)應(yīng)用最為成熟的領(lǐng)域，各種新應(yīng)用、新技術(shù)層出不窮，如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、車輛識(shí)別等，紛紛進(jìn)入人們的生活。如何激發(fā)學(xué)生的興趣，讓其理解并掌握?qǐng)D像處理中艱深的理論知識(shí)，并聯(lián)系生活實(shí)際，分析、決策、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力，一直是教學(xué)工作的難點(diǎn)。這種能力的培養(yǎng)依靠單一的傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式難以奏效，需要在完備的教育教學(xué)理論指導(dǎo)下，在理論和實(shí)踐環(huán)境中系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的高水平思維，進(jìn)而獲得綜合運(yùn)用能力。

深度學(xué)習(xí)是近幾年國(guó)內(nèi)教育界倡導(dǎo)的一種學(xué)習(xí)方式，這種學(xué)習(xí)方式的目標(biāo)就是達(dá)到知識(shí)的廣度、深度和關(guān)聯(lián)度，全面提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，獲得綜合運(yùn)用能力。本文嘗試在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)過(guò)程基于深度學(xué)習(xí)路線建立知識(shí)體系，探索數(shù)字圖像處理教學(xué)新模式，以挖掘?qū)W生作為學(xué)習(xí)主體的主動(dòng)性、創(chuàng)造性和積極性，幫助學(xué)生建立知識(shí)的深層次理解，同時(shí)也提升學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。

一數(shù)字圖像處理課程教學(xué)特點(diǎn)

作者所在學(xué)院的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)中，存在以下幾個(gè)問題：

一是覆蓋知識(shí)點(diǎn)多，教學(xué)難度大。數(shù)字圖像處理課程主要講授圖像生成基礎(chǔ)知識(shí)和圖像處理技術(shù)基本原理，涵蓋圖像去噪、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像特征提取和圖像識(shí)別等多模塊內(nèi)容，涉及知識(shí)面廣。大多數(shù)知識(shí)點(diǎn)以線性代數(shù)、概率論為基礎(chǔ)，同時(shí)與信號(hào)處理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形學(xué)等課程內(nèi)容交叉，知識(shí)艱澀，學(xué)生理解和掌握難度大。

二是存在授課方式傳統(tǒng)單一的問題。目前授課方式以傳統(tǒng)的課堂教授為主，采用多媒體資源進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生采用被動(dòng)方式學(xué)習(xí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)容易理解、案例豐富的如圖像平滑、灰度提升等知識(shí)點(diǎn)時(shí)興趣較濃，但是面對(duì)需要演算、推導(dǎo)的練習(xí)部分時(shí)表現(xiàn)淡漠，接受速度慢，教學(xué)效果不盡如人意。

三是實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱的缺點(diǎn)也比較突出。數(shù)字圖像處理課程是一門非常注重理論性和應(yīng)用相結(jié)合的課程，目前課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)包括實(shí)驗(yàn)課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，設(shè)置的內(nèi)容覆蓋知識(shí)范圍小，難以鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力。同時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容往往與本學(xué)科前沿知識(shí)脫軌，無(wú)法反映新技術(shù)的發(fā)展。

二基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式初探

（一）數(shù)字圖像處理課程的深度學(xué)習(xí)路線

深度學(xué)習(xí)指學(xué)習(xí)者通過(guò)批判學(xué)習(xí)新知識(shí)，與已有知識(shí)進(jìn)行整合，形成對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，建立單一知識(shí)與整體框架的聯(lián)系，并能夠運(yùn)用所學(xué)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析和決策進(jìn)而解決實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化，從而超越較低的思維能力，獲得高階思維能力的學(xué)習(xí)。數(shù)字圖像課程深度學(xué)習(xí)路線如圖1所示。

作為深度學(xué)習(xí)的準(zhǔn)備工作，教師必須首先充分了解課程目標(biāo)與課程內(nèi)容之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容;而后通過(guò)預(yù)評(píng)估了解學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)、已具備的操作技能、需求和預(yù)期效果;根據(jù)預(yù)評(píng)估結(jié)果，教師補(bǔ)充先期知識(shí)或用于建立聯(lián)系的背景舊知識(shí)，學(xué)生進(jìn)行新舊知識(shí)的整合，獲得理解;最后學(xué)生對(duì)于知識(shí)進(jìn)行深度加工，不僅能闡述、解釋知識(shí)，并完成知識(shí)的應(yīng)用和遷移。在此過(guò)程中，一直貫穿評(píng)價(jià)和反饋，以便學(xué)生修正學(xué)習(xí)方法，完成深入學(xué)習(xí)。

（二）基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理課程課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)中，可以根據(jù)“課前準(zhǔn)備-新舊知識(shí)整合-深度加工-評(píng)價(jià)”這樣的路線開展教學(xué)活動(dòng)，擬制訂深度課堂教學(xué)框架如圖2所示。

1 課前準(zhǔn)備階段包括設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)和內(nèi)容，預(yù)評(píng)估和營(yíng)造積極學(xué)習(xí)氣氛三方面內(nèi)容。

教師梳理完數(shù)字圖像處理課程知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)主題劃分為圖像增強(qiáng)、圖像變換、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像識(shí)別等單元模塊，形成清晰的框架。在每個(gè)模快開始教學(xué)前，將其要解決的關(guān)鍵問題、教學(xué)目標(biāo)、學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行發(fā)布，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)任務(wù)和目的。同時(shí)發(fā)放調(diào)查問卷，通過(guò)學(xué)生的反饋摸清學(xué)生已有的先期知識(shí)和學(xué)習(xí)風(fēng)格。

此外，為了促進(jìn)學(xué)生間團(tuán)結(jié)協(xié)作，營(yíng)造積極向上的氛圍，將學(xué)生劃分為學(xué)習(xí)小組或課題小組，使學(xué)生間相互督促，共同學(xué)習(xí)。

2 新舊知識(shí)整合階段用于預(yù)備與激活先期知識(shí)，獲取新知。根據(jù)學(xué)生的調(diào)差反饋，教師課前事先發(fā)布補(bǔ)充先期知識(shí)或用于建立聯(lián)系的背景舊知識(shí)，提醒學(xué)生做好預(yù)習(xí)。課堂教學(xué)時(shí)盡量采用啟發(fā)式教學(xué)或者案例式教學(xué)，以激活舊知，講授新知。學(xué)生通過(guò)課堂學(xué)習(xí)，課后復(fù)習(xí)，進(jìn)行新舊知識(shí)的整合，并通過(guò)練習(xí)與測(cè)試的方式深化認(rèn)識(shí)，獲得初步理解。

比如在學(xué)習(xí)直方圖變換方法前，補(bǔ)充直方圖在圖像質(zhì)量判斷中的作用，并利用發(fā)布Photoshop演示其自動(dòng)色階和替換顏色的功能，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，及對(duì)直方圖均衡化的思考。

3 深度加工階段要求教師發(fā)布案例，要求學(xué)生運(yùn)用已習(xí)得的理論知識(shí)進(jìn)行分析、判斷，并將這些知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際案例的處理。學(xué)生以小組合作的形式完成任務(wù)，形成最終作品，并在課堂上展示作品，匯報(bào)完成過(guò)程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。此過(guò)程中學(xué)生通過(guò)分析、交流、合作完成綜合應(yīng)用，進(jìn)一步建立起知識(shí)之間的聯(lián)系，逐步完善自我知識(shí)體系。

此階段一般在實(shí)踐環(huán)節(jié)中完成。比如在圖像增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課中發(fā)布一系列質(zhì)量退化的圖片，要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析質(zhì)量退化原因，選擇最適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行調(diào)整?；蛘咴诰C合實(shí)驗(yàn)中布置二維碼識(shí)別、車牌分割、人臉識(shí)別這樣緊跟時(shí)代應(yīng)用潮流，容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望，并有一定科研價(jià)值的課題，在某種程度上也鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力。

4 評(píng)價(jià)階段中，教師在課堂上對(duì)學(xué)生作品及時(shí)進(jìn)行等級(jí)評(píng)估，并給出反饋意見。其他學(xué)生也可進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生通過(guò)教師和他人的點(diǎn)評(píng)誘發(fā)反思，修正學(xué)習(xí)方法，完成記憶、思考、理解、應(yīng)用和遷移的整個(gè)深度學(xué)習(xí)過(guò)程。

實(shí)踐教學(xué)是數(shù)字圖像處理課程的重要環(huán)節(jié)，由上述可知，它已經(jīng)作為課堂教學(xué)的一部分，充分融入深度教學(xué)框架中。學(xué)生在理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)中，能夠不斷提升實(shí)際運(yùn)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，數(shù)字圖像處理課程的深度教學(xué)模式存在很多的改進(jìn)空間，例如可以利用線上環(huán)境建立發(fā)布知識(shí)的平臺(tái)，研究學(xué)習(xí)小組公平、高效的合作方式等，在后續(xù)的工作當(dāng)中，需要進(jìn)一步做到優(yōu)化和完善，使得基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理教育模式能夠發(fā)揮其應(yīng)有的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣斌，張秋聞，黃立勛. 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式研究與探索[J].河南教育（高校版），2018（11）：68-71.

[2] 王云峰. 基于C-CDIO模式的"數(shù)字圖像處理"課程教學(xué)改革與探討[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（8）：99-100+103.

[3] 史彩娟，黃曉紅. 基于創(chuàng)新型研究生培養(yǎng)模式的數(shù)字圖像處理與分析課程教學(xué)改革初探[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（19）：93-94+105.

作者簡(jiǎn)介：柴樺（1978.12—），女，湖南長(zhǎng)沙人，土家族，碩士學(xué)歷，講師職稱，研究方向：圖像處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。