翻轉(zhuǎn)課堂在數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)中的應(yīng)用分析

張儼娜 周珂

摘 ?要： 傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)中，存在教學(xué)方式、教學(xué)手段與教學(xué)目標(biāo)不匹配的現(xiàn)象，在協(xié)同育人模式探索過程中，翻轉(zhuǎn)課堂作為“以學(xué)生為中心”的一種新型的教學(xué)方式，在解決學(xué)用結(jié)合方面有獨特的優(yōu)勢。翻轉(zhuǎn)課堂重新設(shè)計了教學(xué)流程和內(nèi)容，能夠充分發(fā)揮教與學(xué)兩個方面的優(yōu)勢，有助于學(xué)生對數(shù)字圖像知識的理解和領(lǐng)會，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，使其在知識的探索過程中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，主動構(gòu)建并擴展自身知識體系，培養(yǎng)思辨和創(chuàng)新能力，做到學(xué)用結(jié)合。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字圖像處理; 協(xié)同育人; 翻轉(zhuǎn)課堂; 實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.423 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2020）03-53-04

Research on application of flipped classroom in experiment teaching of digital image processing

Zhang Yanna1， Zhou Ke2

（1. Department of Laboratory and Equipment Management， Henan University， Kaifeng， Henan 475004， China;

2. School of Computer and Information Engineering， Henan University）

Abstract： In the traditional experimental teaching of digital image processing， there is a phenomenon that the teaching methods， teaching means and teaching objectives do not match. In the process of exploring the collaborative education model， flipped classroom， as a new teaching method of "student-centered"， has a unique advantage in solving the problem of combination of learning and application. The flipped classroom redesigns the teaching process and content， which can give full play to the advantages of teaching and learning， help students to understand and comprehend the digital image knowledge， change passive learning into active learning， make them complete the learning task in the process of knowledge exploration， actively construct and expand their own knowledge system， cultivate the ability of thinking and innovation， and achieve the combination of learning and application.

Key words： digital image processing; collaborative education; flipped classroom; experiment teaching

0 引言

數(shù)字圖像處理是一門抽象性和工程性都很強的課程，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、編程與抽象思維要求較高[1]。該課程的基本原理和技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、公共安全、航天和航空、無人駕駛、通信工程、生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域。

在教學(xué)過程中，若突出強調(diào)數(shù)學(xué)要求，勢必影響到實踐訓(xùn)練，與應(yīng)用的銜接不夠順暢，難以調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性;若僅限于把概念、定理和證明機械地傳授給學(xué)生，更加難以激發(fā)學(xué)生對課程的興趣。所以在具體實施時，容易導(dǎo)致一方面未能很好地將學(xué)以致用的教學(xué)思想貫穿于教學(xué)過程，另一方面鑒于課程的實際難度，若沒有好的教學(xué)方法相配合，一般學(xué)生接受知識困難，特別是當(dāng)看不到應(yīng)用價值時，極易埋沒這門課程的價值。

當(dāng)前常用的教學(xué)手段中，教學(xué)內(nèi)容多以文字、圖片等方式呈現(xiàn)，視頻動畫等因要求有較多儲備資源而應(yīng)用較少。新的教學(xué)手段，需要教師對教學(xué)材料進行收集、整理、制作，付出工作量較多。在實驗教學(xué)中，要求更高，難度更大，工作量也成倍增長。同時因為評價機制未及時跟進等諸多因素，影響了教師變革教學(xué)手段的積極性。

近年來，諸多老師將源于美國的翻轉(zhuǎn)課堂理念引進高校[8-11]，其最初的目的是要努力保證缺課的同學(xué)不會落下課程，之后在協(xié)同育人模式探索過程中，作為一種新型的以“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，得到了諸多專家、學(xué)者的積極響應(yīng)，并在不同課程領(lǐng)域中進行了深入探討和實踐。實踐表明“翻轉(zhuǎn)課堂”能夠充分發(fā)揮教與學(xué)兩個方面的優(yōu)勢，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程是在知識探索的過程中完成的;教師成為知識學(xué)習(xí)的“路由器”，協(xié)助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并探索新知。因此通過翻轉(zhuǎn)課堂改革數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)兼具理論和應(yīng)用價值。

1 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模型（如圖1傳統(tǒng)課堂教學(xué)模型所示）中，教師居于核心位置，首先是教師對課程及相關(guān)學(xué)科知識體系的認(rèn)識和理解的程度如何，然后是教師對學(xué)生進行知識傳播的手段和方法怎么樣，最后才是學(xué)生的學(xué)習(xí);學(xué)生處在被動接受的位置。這種教學(xué)模式容易發(fā)生課程與課程之間的斷裂，難于形成有效的學(xué)科知識體系架構(gòu)，增加了學(xué)生對知識掌握的難度。

“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Classroom）以信息技術(shù)為手段，通過課前預(yù)習(xí)、課中交流和課后總結(jié)三段組織，教學(xué)可根據(jù)學(xué)生的狀況進行動態(tài)調(diào)整，是主動學(xué)習(xí)的課堂，個性化學(xué)習(xí)的課堂。這種教學(xué)組織模式重新調(diào)整了學(xué)習(xí)參與者的權(quán)利分配，將學(xué)習(xí)決定權(quán)讓渡給了學(xué)生[8]。教師從主導(dǎo)轉(zhuǎn)為參與，學(xué)生從參與轉(zhuǎn)為主導(dǎo)，因此在面授時，學(xué)生能夠更專注于其發(fā)現(xiàn)問題的解決，更能夠激發(fā)和強化學(xué)生對知識的理解掌握，保障教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)[9];同時，由于是主動學(xué)，學(xué)生就能夠通過看視頻、閱讀電子書和網(wǎng)絡(luò)討論、查資料等多種學(xué)習(xí)和交流方式進行學(xué)習(xí)，切實激發(fā)學(xué)習(xí)的原動力。

通過對傳統(tǒng)的教學(xué)的變革性改造，形成翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模型（如圖2翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型）。從學(xué)生學(xué)習(xí)知識的角度看，教師與學(xué)生地位同等，但又有不同，教師需要在開展教學(xué)之前具有對教學(xué)內(nèi)容的宏觀把控能力，確保教學(xué)內(nèi)容符合要求。教師的主導(dǎo)作用被弱化，從主導(dǎo)教學(xué)變成了教學(xué)過程設(shè)計者，協(xié)助學(xué)生完成學(xué)習(xí)過程。學(xué)生主動性要求提升，需要開展主動學(xué)習(xí)，按照自身的情況并結(jié)合教師提供的指導(dǎo)進行學(xué)習(xí)。讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體，自主完成個人知識體系架構(gòu)的構(gòu)建[11]。

在具體實施過程中，需要結(jié)合課程實踐，對翻轉(zhuǎn)課堂各教學(xué)環(huán)節(jié)進一步完善，設(shè)計出更加合理、可行、完備的教學(xué)過程。其中，信息技術(shù)的支撐和學(xué)習(xí)活動的設(shè)計是創(chuàng)設(shè)翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)，也是保證翻轉(zhuǎn)課堂有效實施的關(guān)鍵。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程一般可按照時間次序劃分，分為課前、課中以及課后三階段[12]。

1.1 課前環(huán)節(jié)

課前環(huán)節(jié)工作內(nèi)容包括兩項，一是教師準(zhǔn)備教學(xué)素材;二是學(xué)生課前預(yù)習(xí)。

傳統(tǒng)教學(xué)方式中教學(xué)素材載體以板書為主;在翻轉(zhuǎn)課堂中，載體多為音頻、視頻等多媒體。素材來源可以是開放教育資源，也可由相關(guān)教師制作。開放教育資源的利用，一方面節(jié)省了新技術(shù)、新方法、新知識引入課程時人力、物力成本，另一方面也使學(xué)生與國內(nèi)外最新教學(xué)內(nèi)容直接接觸，促使學(xué)生掌握領(lǐng)域知識的最新動態(tài)或進展，是協(xié)同育人理念在教學(xué)過程中的應(yīng)用。課程教師可根據(jù)學(xué)生的具體情況對教學(xué)內(nèi)容進行優(yōu)化調(diào)整和針對性講解，甚至自制視頻等多媒體素材。

對比傳統(tǒng)的教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂更加需要課前預(yù)習(xí)。對此，教師可以考慮通過郵件、微信、QQ等提供網(wǎng)絡(luò)交流支持。學(xué)生可以通過微信群、QQ群等，與同學(xué)進行溝通交流。學(xué)生與學(xué)生、教師和學(xué)生、教師與教師之間能夠進行互動交流以確認(rèn)教學(xué)效果。

1.2 課中環(huán)節(jié)

翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢在于觸發(fā)學(xué)習(xí)事件的角色發(fā)生變換。學(xué)習(xí)效率提高的一種有效途徑就在于如何縮短學(xué)生原有知識體系與新知識的銜接過程。知識的獲得應(yīng)該是學(xué)生在場景中借助于交流來實現(xiàn)知識體系建構(gòu)的過程。教師在設(shè)計課堂內(nèi)容時，要充分利用布設(shè)場景、密切交互、開放協(xié)同等方法充分激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，協(xié)助學(xué)生完成自身知識體系的生長。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，以更高的效率學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂的課中階段還需要考慮的內(nèi)容有：明確目標(biāo)、自主協(xié)同、成果交流、反饋與評價。

1.3 課后環(huán)節(jié)

翻轉(zhuǎn)課堂的課后環(huán)節(jié)，主要是教師對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗和教學(xué)組織的回頭看，發(fā)現(xiàn)學(xué)生表現(xiàn)的共性問題、優(yōu)點，收集材料再加工等。通過課后環(huán)節(jié)的梳理和評估檢驗，強化對學(xué)生知識體系構(gòu)建過程的跟蹤，及時發(fā)現(xiàn)采集學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)，形成教學(xué)數(shù)據(jù)集，還為后續(xù)教育教學(xué)改進提供一手材料。

2 翻轉(zhuǎn)課堂在數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)

“數(shù)字圖像處理”的課程教學(xué)目標(biāo)是：①提高圖像的質(zhì)量;②特征或信息提取;③圖像變換。其內(nèi)容包括了數(shù)字圖像的基礎(chǔ)表達、濾波與變換、編碼與處理、圖像分割與信息提取等[13]?！皵?shù)字圖像處理實驗教學(xué)” 是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，預(yù)設(shè)目標(biāo)和既定的工作步驟，通過對圖像數(shù)據(jù)施加各種影響，引起圖像數(shù)據(jù)的變化，從這些現(xiàn)象的變化中獲取圖像數(shù)據(jù)處理知識的教學(xué)組織方法。

2.2 數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)設(shè)計

⑴ 教學(xué)體系設(shè)計要注重“應(yīng)用導(dǎo)向，教研結(jié)合”。

教學(xué)內(nèi)容從解決問題出發(fā)，突出應(yīng)用需求，特別重視圖像處理相關(guān)概念的提出及其對應(yīng)處理過程與方法的建模，從典型問題解決到共性問題模式化處理，實現(xiàn)共性與特性相結(jié)合，教學(xué)和科研、應(yīng)用相結(jié)合。在教學(xué)方法上采用問題導(dǎo)入、需求導(dǎo)向、循序漸進的方法，課堂答疑與線上資源相融合，教材與拓展材料搭配。

⑵ 教學(xué)手段要多樣化，展示方式媒體化。

借助現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建微視頻教學(xué)的演示平臺，提煉授課當(dāng)中的難點，通過演示系統(tǒng)形象的展示，輔助學(xué)生理解和消化。基于校園網(wǎng)或現(xiàn)有的即時通信環(huán)境，讓學(xué)生能夠結(jié)合課程教學(xué)要求在網(wǎng)上自主選擇所需要的學(xué)習(xí)內(nèi)容。要同時注重多媒體與線上資源建設(shè)。

⑶ 實驗內(nèi)容要注重計算思維的培養(yǎng)

數(shù)字圖像處理實驗內(nèi)容在實現(xiàn)圖像基本處理操作的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用問題，啟發(fā)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)，自主設(shè)計綜合創(chuàng)新性實驗，強化實踐要求。通過問題的解決加深對計算思維的理解，強化學(xué)生對問題的抽象，分析，解決等能力的全方位訓(xùn)練，促進創(chuàng)新意識的養(yǎng)成。

3 翻轉(zhuǎn)課堂在數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)中的應(yīng)用分析

3.1 教師角色分析

翻轉(zhuǎn)課堂意味著教與學(xué)角色的切換。教師以輔助角色對教學(xué)活動進行規(guī)劃。學(xué)生按需請求教師的指導(dǎo)。教師真正成為學(xué)生成長的人梯，成為學(xué)生收集、整編、利用、挖掘、應(yīng)用資源與知識到真實場景中的培訓(xùn)師和工具箱。

在這個教學(xué)過程中，教師需要使用新的教學(xué)方法，提高教學(xué)組織技能，積極適應(yīng)教師核心職能的轉(zhuǎn)變。在完成每個教學(xué)單元的學(xué)習(xí)之后，需要教師通過多種手段和方式，及時地了解學(xué)生知識的掌握情況。同時還要注意完善教學(xué)評測方式，做出及時優(yōu)化，更好地促進學(xué)習(xí)質(zhì)量提高。

3.2 學(xué)生角色分析

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)是充滿互動交流的，需要學(xué)生發(fā)揮主觀能動性、創(chuàng)造性，并高度參與。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)支持下構(gòu)建的開放學(xué)習(xí)環(huán)境中，根據(jù)教師提供的教學(xué)資源來自學(xué)，反復(fù)地與同學(xué)、教師進行交互以理解、掌握、擴展自我的知識體系。因此，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程是一個由學(xué)生主動構(gòu)建并擴展自身知識體系的過程，其能力的發(fā)揮的程度是衡量翻轉(zhuǎn)課堂實施成敗的主要因素之一。

3.3 翻轉(zhuǎn)課堂實施的建議

翻轉(zhuǎn)課堂的成功實施是一項系統(tǒng)工程，其涉及到教學(xué)，教輔，管理等多個環(huán)節(jié)，通過前述分析，對數(shù)字圖像處理實驗課程實施翻轉(zhuǎn)課堂提出以下建議。

⑴ 翻轉(zhuǎn)課堂需作為現(xiàn)行育人模式的重要組成。由于信息技術(shù)跨領(lǐng)域大范圍的應(yīng)用，高校的信息學(xué)科知識教育難以滿足社會對最新技術(shù)的教學(xué)需求。而翻轉(zhuǎn)課堂在教育領(lǐng)域就是一個“好工具”，可以很好地幫助我們解決許多問題。數(shù)字圖像處理實驗課程完全可以利用“翻轉(zhuǎn)課堂”來鍛煉學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力、團隊協(xié)作能力等，為學(xué)生后續(xù)工作學(xué)習(xí)做好全方位的準(zhǔn)備。

⑵ 翻轉(zhuǎn)課堂要高度重視課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂是集中對學(xué)生問題進行分析解答，促進學(xué)生交流表達能力、團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)陣地。同時，預(yù)習(xí)時間難以把控，需要考慮知識點的規(guī)劃設(shè)計，建議全部在課堂上消化和落實，避免學(xué)生因增加的工作量而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。要保證學(xué)生能夠自覺的去完成視頻學(xué)習(xí)，便捷易用、安全可靠的互動交流平臺（學(xué)習(xí)成果匯總展示，點評分享）也是必不可少的。

⑶ 教學(xué)考評機制也需要做相應(yīng)的調(diào)整。教師在實施翻轉(zhuǎn)課堂時需要投入更多的精力和時間來錄制視頻、準(zhǔn)備素材，做精心的課堂設(shè)計和學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)分析，需要教學(xué)主管部門給予適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

4 結(jié)束語

數(shù)字圖像處理技術(shù)以其實踐性和可展示度的優(yōu)勢而得到了廣泛的應(yīng)用，圖像處理課程也越來越成為學(xué)生就業(yè)或進一步深造所需的重要知識組成。通過翻轉(zhuǎn)課堂的實施，我們對教學(xué)大綱按照培養(yǎng)目標(biāo)進行準(zhǔn)確的定位和再設(shè)計、再優(yōu)化。研究結(jié)果表明將翻轉(zhuǎn)課堂引入到數(shù)字圖像處理實驗課程中，結(jié)合教學(xué)效果對翻轉(zhuǎn)課堂的實施進行優(yōu)化，能夠進一步提升教學(xué)質(zhì)量。

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