數(shù)字圖像處理課程建設(shè)與教學(xué)探索

王偉鵬

（閩南科技學(xué)院光電信息學(xué)院，福建 泉州 362332）

0 引言

《數(shù)字圖像處理》是計(jì)算機(jī)和通信電子類等工科專業(yè)開設(shè)的一門應(yīng)用型課程，其理論與實(shí)踐被廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)學(xué)、地理和影像娛樂等方面。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，圖像處理技術(shù)得到飛速發(fā)展，課程所涉及的眾多技術(shù)一直是計(jì)算機(jī)和機(jī)器視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有覆蓋面廣、交叉性強(qiáng)、更新速度快和實(shí)踐要求高的特點(diǎn)。

《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)內(nèi)容大體上包括圖像增強(qiáng)、圖像去噪、圖像變換、圖像銳化、圖像分割和形態(tài)學(xué)運(yùn)算等。隨著現(xiàn)代科技的日益完善和快速更新，不斷涌現(xiàn)出眾多圖像處理新理論、新方法和新技術(shù)，并且逐漸在實(shí)踐工程中得到應(yīng)用推廣。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐教學(xué)和研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在接收新知識(shí)的過(guò)程中，容易由于理論內(nèi)容的晦澀難懂和復(fù)雜公式的驗(yàn)證推導(dǎo)而出現(xiàn)低迷的學(xué)習(xí)情緒，甚至?xí)袇拰W(xué)、棄學(xué)現(xiàn)象。因此，如何改進(jìn)教學(xué)方式，提高課堂教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，是值得廣大任課教師關(guān)心和探討的問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)課程教學(xué)的局限

本門課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法一般是以應(yīng)用為導(dǎo)向，傾向于解決圖像處理中最基礎(chǔ)、目的性較強(qiáng)的問(wèn)題。在課堂教學(xué)中，教師按照教材順序講授每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)介紹算法原理和演示處理效果。學(xué)生一方面在課堂上掌握理論要點(diǎn)，另一方面在上機(jī)實(shí)驗(yàn)課上通過(guò)驗(yàn)證性編程鞏固知識(shí)點(diǎn)。但在實(shí)際過(guò)程中遇到新問(wèn)題、新項(xiàng)目時(shí)，多數(shù)學(xué)生缺乏分析能力和實(shí)際動(dòng)手能力，難以應(yīng)用所學(xué)知識(shí)靈活解決問(wèn)題?？v觀本門課程的教學(xué)方式與學(xué)習(xí)狀態(tài)，總結(jié)存在的主要問(wèn)題如下。

（1）學(xué)習(xí)積極性有待提高。本門課程需要掌握的理論基礎(chǔ)較多，理解難度較大，涉及領(lǐng)域較廣，并且與幾何代數(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)等課程交叉關(guān)聯(lián)。此外，教學(xué)過(guò)程側(cè)重于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，專業(yè)知識(shí)的講解過(guò)于抽象化，學(xué)生往往需要有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和一定的空間想象能力，才能將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通。因此，學(xué)習(xí)本門課程的難度系數(shù)較高，容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解產(chǎn)生畏懼心理，從而降低學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

（2）教學(xué)內(nèi)容有待更新。當(dāng)前圖像處理技術(shù)日新月異，規(guī)劃教材與參考書中的內(nèi)容體系發(fā)展與國(guó)際前沿相比較為滯后，教師難以全面把握最新研究熱點(diǎn)和動(dòng)態(tài)，學(xué)生無(wú)法接觸到前沿知識(shí)與技術(shù)，因此傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式和教材內(nèi)容很難適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需求。

（3）實(shí)踐能力有待加強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程一般包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，由于課時(shí)數(shù)有限，教師通常僅對(duì)最基礎(chǔ)的經(jīng)典算法進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，比如圖像增強(qiáng)算法中的直方圖均衡和對(duì)比度展寬；圖像去噪算法中的均值濾波器和中值濾波器。這對(duì)學(xué)生理解基礎(chǔ)知識(shí)有較大幫助，但是缺乏關(guān)于工程實(shí)踐和科研項(xiàng)目的考慮，學(xué)生難以觸及課堂以外的新方法、新技術(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用面偏窄、實(shí)踐能力較弱、應(yīng)變能力不足。

（4）考核評(píng)價(jià)體系有待完善?，F(xiàn)有的課程考核評(píng)價(jià)通常以考試成績(jī)?yōu)橹?，以?shí)驗(yàn)成績(jī)和平時(shí)成績(jī)?yōu)檩o對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)定。但是沒有充分考慮學(xué)生的創(chuàng)新能力、開發(fā)能力和方案設(shè)計(jì)能力，同時(shí)忽視了科研項(xiàng)目和工程實(shí)踐方面的評(píng)價(jià)，因此無(wú)法真實(shí)反映學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握和應(yīng)用水平。

2 課程建設(shè)與教學(xué)探索

2.1 優(yōu)化教學(xué)過(guò)程

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程側(cè)重于教師主動(dòng)“講”、學(xué)生被動(dòng)“聽”，隨著內(nèi)容體系的深入，知識(shí)的掌握難度增加，到中后期學(xué)生往往無(wú)法理解透徹，甚至?xí)霈F(xiàn)厭學(xué)心態(tài)。針對(duì)這些弊端，探索“教”“學(xué)”互換、互助互長(zhǎng)的方式，即教師不再一味地單向傳授知識(shí)，而是充分與學(xué)生互換角色，互學(xué)互助，授課期間留出一定的時(shí)間指導(dǎo)學(xué)生嘗試新課程內(nèi)容的備課、講解與提問(wèn)，加強(qiáng)學(xué)生的自主認(rèn)知能力和協(xié)作認(rèn)知能力。例如，講授圖像增強(qiáng)的章節(jié)時(shí)，用于演示效果的測(cè)試圖像可由學(xué)生自主搜集，拍攝低對(duì)比度照片作為素材，分享拍照經(jīng)驗(yàn)，分析成像效果。引導(dǎo)學(xué)生利用圖像增強(qiáng)的課堂知識(shí)改善照片質(zhì)量，提升學(xué)生的認(rèn)知能力和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能和積極性。

2.2 更新教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)有的數(shù)字圖像處理普遍存在教學(xué)內(nèi)容陳舊，缺少與該領(lǐng)域前沿技術(shù)相關(guān)聯(lián)的熱點(diǎn)問(wèn)題探討，因此無(wú)法做到與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)生面臨實(shí)踐項(xiàng)目時(shí)，難以將課堂上的理論知識(shí)應(yīng)用到工程當(dāng)中去，這將限制學(xué)生的思維創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。由此可知，需要對(duì)課程的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，引入該領(lǐng)域的最新研究動(dòng)態(tài)作為擴(kuò)充內(nèi)容。

（1）刪減教材當(dāng)中偏理論、偏陳舊、無(wú)實(shí)際應(yīng)用意義的圖像處理算法，增加當(dāng)前主流、高效、有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的算法作為補(bǔ)充，逐步完善教學(xué)內(nèi)容。以圖像去噪的章節(jié)為例，現(xiàn)有教材大多介紹均值濾波和中值濾波這兩類經(jīng)典的平滑濾波器，但這些方法由于效率低下很難在實(shí)踐中推廣，因此可引入主流的、高效的新算法作為更新補(bǔ)充，比如既能平滑細(xì)節(jié)又能保持邊緣的雙邊濾波器，在工程項(xiàng)目中已實(shí)際應(yīng)用的BM3D算法和非局部均值濾波算法。

（2）構(gòu)建核心專題內(nèi)容，形成以專題基礎(chǔ)和專題擴(kuò)展為兩條主線的課程體系。根據(jù)專業(yè)目標(biāo)、應(yīng)用領(lǐng)域和學(xué)生的知識(shí)掌握程度，對(duì)不同章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分解再整合，深化知識(shí)體系結(jié)構(gòu)。例如，構(gòu)建圖像復(fù)原算法的核心專題，結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)方案將理論性較強(qiáng)的幾何變換、頻域變換和濾波器等章節(jié)分支作為基礎(chǔ)內(nèi)容，將實(shí)踐性較強(qiáng)的工程案例作為擴(kuò)展內(nèi)容，例如與生活相關(guān)的水下、霧天和雨天圖像復(fù)原算法，以加強(qiáng)學(xué)生的興趣與關(guān)注度。

2.3 擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是提高學(xué)生實(shí)踐能力與思維創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教程通常以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生編程復(fù)現(xiàn)算法的處理效果，當(dāng)中往往缺乏設(shè)計(jì)流程和主觀效果的分析，且單一的標(biāo)準(zhǔn)答案容易僵化學(xué)生的思維。因此，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)與內(nèi)容的設(shè)置，可保留小部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充開放性算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。比如針對(duì)圖像分割的問(wèn)題，可指導(dǎo)學(xué)生采用閾值法、邊緣檢測(cè)和區(qū)域生長(zhǎng)等方法，也可通過(guò)調(diào)整參數(shù)獲取不同的分割效果，再引導(dǎo)學(xué)生相互討論和對(duì)比，分析各種方法的優(yōu)勢(shì)與局限，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散思維，提出創(chuàng)新點(diǎn)，挖掘新方法。

2.4 完善考核形式

傳統(tǒng)的課程考核以筆試為主、操作為輔，該模式對(duì)學(xué)生的思維創(chuàng)新意識(shí)與綜合能力培養(yǎng)不足，難免出現(xiàn)生搬照抄、死記硬背的學(xué)習(xí)困境。為了充分發(fā)揮考試價(jià)值，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在潛能，探索構(gòu)建實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力為主導(dǎo)的考核形式。新的課程考核方案包括三個(gè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容：一是平時(shí)考核，將出勤率、課堂互動(dòng)、隨堂測(cè)驗(yàn)與課后習(xí)題的完成情況列入平時(shí)考察范圍，重點(diǎn)圍繞章節(jié)知識(shí)的理解掌握情況進(jìn)行分等級(jí)評(píng)價(jià)；二是實(shí)驗(yàn)考核，具體指上機(jī)實(shí)驗(yàn)的完成情況，包括圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)效果、編程的工作量與語(yǔ)法規(guī)范；三是期末考核，采用提交作品和設(shè)計(jì)報(bào)告相結(jié)合的形式，根據(jù)作品方案的創(chuàng)新性與實(shí)現(xiàn)效果、代碼的編寫與調(diào)試、報(bào)告的邏輯性與文字表述能力綜合評(píng)定成績(jī)，重點(diǎn)考察學(xué)生的設(shè)計(jì)思路、理論分析能力、解決問(wèn)題的工作能力和創(chuàng)新能力。課程總成績(jī)由這三個(gè)環(huán)節(jié)按比例加權(quán)，平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)分別占20%，期末成績(jī)占60%。新考核形式克服了傳統(tǒng)考察的局限，能夠更客觀公正地評(píng)價(jià)學(xué)生的知識(shí)掌握度和綜合應(yīng)用能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字圖像處理技術(shù)具有更新速度快、基礎(chǔ)要求扎實(shí)和理論實(shí)踐相結(jié)合的特征。傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在眾多弊端，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的領(lǐng)悟與應(yīng)用能力有待加強(qiáng)。本文給出了教學(xué)內(nèi)容、授課方式、實(shí)驗(yàn)操作、考核形式等四個(gè)方面的改革策略，旨在優(yōu)化、完善課程建設(shè)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力提供助力。