基于PBL模式的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)優(yōu)化探討

李亞楠 王海暉 劉黎志

[摘 要] 針對(duì)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀與“新工科”專業(yè)人才培養(yǎng)不匹配的問題，分析數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，提出了基于PBL模式的課程教學(xué)優(yōu)化措施。在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)采用問題驅(qū)動(dòng)法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，使其逐漸形成觀察、思考和解決有關(guān)理論和實(shí)踐問題的能力。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字圖像處理;PBL模式;新工科;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2017年度湖北省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“新工科視域下的計(jì)算機(jī)類專業(yè)建設(shè)及工程型人才培養(yǎng)的研究與實(shí)踐”（2017323）

[作者簡介] 李亞楠（1990—），女，遼寧大連人，工學(xué)博士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別等研究;王海暉（通信作者）（1969—），男，河北石家莊人，工學(xué)博士，武漢工程大學(xué)教務(wù)處處長，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能理論與應(yīng)用、智能計(jì)算等研究;劉黎志（1973—），男，湖北武漢人，工學(xué)碩士，武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教研室主任，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、集群環(huán)境下的機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)建模，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）36-0251-03 ? ?[收稿日期] 2019-12-22

近年來，人工智能相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展使其成為推動(dòng)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要驅(qū)動(dòng)力之一，而隨之帶來的巨大人才缺口也逐漸成為高校相關(guān)專業(yè)亟待解決的問題。在“新工科”背景下，如何以“新模式”讓學(xué)生了解并掌握“新技術(shù)”，從而為人工智能等新行業(yè)培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的專業(yè)人才，是高校相關(guān)學(xué)科教師教學(xué)過程中關(guān)注的焦點(diǎn)。

數(shù)字圖像處理作為信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，既是學(xué)生了解人工智能、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域的敲門磚和奠基石，又可作為學(xué)生深入學(xué)習(xí)的研究方向，具有知識(shí)點(diǎn)豐富、概念理解難、技術(shù)發(fā)展迅速等特點(diǎn)，其相關(guān)技術(shù)在很多領(lǐng)域都具有重要作用。筆者從提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的角度出發(fā)，通過分析數(shù)字圖像處理課程特點(diǎn)與現(xiàn)狀，了解PBL模式的主要內(nèi)涵，闡述數(shù)字圖像處理課程教學(xué)優(yōu)化的策略及具體改進(jìn)措施，以達(dá)到幫助學(xué)生深入理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建知識(shí)體系，增強(qiáng)分析解決問題能力的目的。

一、數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)與現(xiàn)狀分析

數(shù)字圖像處理是近幾年來信息處理技術(shù)中發(fā)展最快且應(yīng)用范圍最廣的課程，呈現(xiàn)出良好的就業(yè)前景。起初學(xué)生會(huì)受課程前景優(yōu)勢或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)“美圖”原理好奇心的驅(qū)使，容易對(duì)本門課程抱有期待和興趣，但在學(xué)習(xí)過程中，多數(shù)學(xué)生往往受困于復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和概念，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興致消退。

對(duì)于課程教材，國內(nèi)高校主要選用岡薩雷斯教授編纂的數(shù)字圖像處理[2]系列，內(nèi)容豐富且理論論證清晰。然而，隨著計(jì)算機(jī)視覺及人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，教材中介紹的基本算法和理論已無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。此外，在實(shí)際教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)，雖然教材內(nèi)容涉獵較多，但章節(jié)之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，若完全依賴教材章節(jié)安排授課，難以讓學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)性的知識(shí)體系[3]。

考核是檢驗(yàn)教與學(xué)的效果，反思教學(xué)過程和教學(xué)方法的重要手段，不同的考核方式也會(huì)相應(yīng)地指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程考核多采用期末閉卷考試與平時(shí)考勤、作業(yè)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合的方式，忽視了對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、知識(shí)遷移水平的客觀評(píng)價(jià)，致使部分學(xué)生不主動(dòng)思考，僅僅為了應(yīng)付考試，自身能力難以得到真正的鍛煉。

此外，在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，對(duì)問題的求解通常需要在夯實(shí)的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)踐操作。目前的教學(xué)模式仍然以理論教學(xué)為主，并未強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生開放性思維進(jìn)行鍛煉，“重理論、輕實(shí)踐”，在面對(duì)實(shí)際的圖像處理問題時(shí)，學(xué)生往往束手無策，或者很難找到提高圖像質(zhì)量的最優(yōu)方案。

二、PBL模式概述

PBL（Problem/Project Based Learning）是基于問題或項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，起源于美國的麥克馬斯特大學(xué)的醫(yī)學(xué)專業(yè)[4]。與傳統(tǒng)教學(xué)以教學(xué)內(nèi)容為出發(fā)點(diǎn)不同，PBL以問題為出發(fā)點(diǎn)，全部教學(xué)活動(dòng)的組織和教學(xué)策略的選擇都是以問題為中心。PBL模仿了人類的學(xué)習(xí)發(fā)生機(jī)制，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和解決問題，更能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和求知欲。

在PBL模式中，好的問題設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生更好地獲取和掌握課程知識(shí)，提升問題的解決能力，養(yǎng)成自我導(dǎo)向的學(xué)習(xí)習(xí)慣。因此，問題設(shè)計(jì)的有效性是PBL教學(xué)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵[5]。根據(jù)維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)理論”，在實(shí)際教學(xué)過程中，教師應(yīng)設(shè)計(jì)與學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備和能力相匹配的問題，讓學(xué)生能夠“跳一跳，摘個(gè)桃”。此外，PBL教學(xué)可以擴(kuò)大信息來源，通過師生互動(dòng)、查閱資料、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、動(dòng)手實(shí)踐等方式將教學(xué)空間從教室擴(kuò)展到無限的資源空間，開闊了視野，增加了思維的碰撞[6]。

三、基于PBL模式的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)優(yōu)化措施

結(jié)合數(shù)字圖像處理的教學(xué)現(xiàn)狀和PBL模式的特點(diǎn)，筆者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式三個(gè)方面提出了教學(xué)優(yōu)化措施。

1.課程教學(xué)內(nèi)容。雖然PBL模式能夠發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，但基礎(chǔ)知識(shí)的系統(tǒng)構(gòu)建是其基礎(chǔ)和理論前提。結(jié)合新工科背景下的教學(xué)目標(biāo)和實(shí)際學(xué)情，數(shù)字圖像處理課程的主要內(nèi)容包括：圖像及其表達(dá)與性質(zhì)、圖像預(yù)處理、圖像形態(tài)學(xué)變換、圖像數(shù)據(jù)壓縮、圖像分割、圖像處理工具的應(yīng)用，以及數(shù)字圖像處理的最新發(fā)展?fàn)顩r。

受課時(shí)限制，單純利用課堂時(shí)間和依靠書本教材并不能讓學(xué)生快速掌握學(xué)科基本理論知識(shí)，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果;因此，在具體設(shè)計(jì)理論內(nèi)容時(shí)，要充分考慮到行業(yè)技術(shù)快速發(fā)展帶來的影響，把人才培養(yǎng)的目標(biāo)向前瞻性轉(zhuǎn)變，至少要為學(xué)生畢業(yè)三到五年內(nèi)的職業(yè)成就做出相應(yīng)的規(guī)劃。在備課時(shí)，教師需要結(jié)合自身的專業(yè)知識(shí)及多渠道的資源，有選擇性地對(duì)課程大綱內(nèi)容進(jìn)行一定程度的分類和擴(kuò)展，并要做到逐年更新課件及講義。對(duì)于理論性較強(qiáng)、內(nèi)容關(guān)聯(lián)程度不高的章節(jié)，教師可以對(duì)要講解的內(nèi)容做一個(gè)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展下的簡單分類，為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)基本的知識(shí)框架。例如對(duì)于圖像分割這一章，圖像分割方法可以分為傳統(tǒng)的圖像分割方法和基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割方法。在本科階段，對(duì)于重點(diǎn)講授的傳統(tǒng)圖像分割方法可再進(jìn)行細(xì)分，如基于閾值、邊緣、區(qū)域、聚類等分割方法。

此外，對(duì)于教學(xué)大綱中章節(jié)對(duì)應(yīng)的固定課時(shí)安排，在實(shí)際課程教學(xué)中可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況進(jìn)行靈活調(diào)整和安排。

2.教學(xué)手段。在教學(xué)過程中，要根據(jù)數(shù)字圖像處理課程具體的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)綜合運(yùn)用適合的教學(xué)方法和手段，做到教學(xué)相長。針對(duì)本門課程難度較高、更新?lián)Q代快、學(xué)生入門難以及理論與實(shí)踐結(jié)合程度高的特點(diǎn)，可采用PBL模式教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)課堂由“單向注入式知識(shí)傳授”向“互動(dòng)式研究型能力培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變。

經(jīng)典的PBL模式源于醫(yī)學(xué)教學(xué)，由組織學(xué)習(xí)小組、創(chuàng)設(shè)問題、執(zhí)行問題、成果展示和反思評(píng)價(jià)組成，在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用基本是此基本模式的變形。對(duì)于數(shù)字圖像處理這一門融合了計(jì)算機(jī)編程、數(shù)學(xué)分析等知識(shí)的課程，從主流理論算法論述到軟件的實(shí)際運(yùn)用，都具有極強(qiáng)的理論性和實(shí)操性。在實(shí)際教學(xué)過程中，應(yīng)該在構(gòu)建理論知識(shí)、教師積極引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用場景中，以解決具有創(chuàng)造性的綜合問題為出發(fā)點(diǎn)，通過主動(dòng)學(xué)習(xí)、組內(nèi)協(xié)作、組間交流掌握專業(yè)知識(shí)，做到舉一反三、拓展思維，以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

由于數(shù)字圖像處理課程綜合性較強(qiáng)，一題多解的現(xiàn)象較多，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用PBL模式時(shí)采用重難點(diǎn)全覆蓋、方案開放式的問題情境創(chuàng)設(shè)方法，在減輕學(xué)生畏難情緒的同時(shí)，開拓問題解決的思路。因此，筆者將基于PBL模式的教學(xué)流程具體分為創(chuàng)設(shè)問題情境、組織學(xué)習(xí)小組、認(rèn)識(shí)分析解決問題、成果展示、交流與評(píng)價(jià)及反思與總結(jié)（如圖1所示。在整個(gè)教學(xué)過程活動(dòng)中，教師是監(jiān)管者和引導(dǎo)者，在分析教學(xué)內(nèi)容和全程提供教學(xué)指導(dǎo)、資源支持的同時(shí)，積極引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)現(xiàn)一題多解和交流反思。學(xué)生則是執(zhí)行者和創(chuàng)造者，在創(chuàng)設(shè)問題情境時(shí)可以投入自身的想法和觀點(diǎn)，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和潛能，并根據(jù)興趣組建小組，利用線上線下資源完成問題的分析和解決方案，在成果展示中宣講獲得的知識(shí)技能，在交流與反思中對(duì)成果進(jìn)行正確評(píng)估，最后對(duì)已有方案進(jìn)行優(yōu)化和多渠道求解。

3.考核方式。目前數(shù)字圖像處理課程的考核方法一般包括由作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告組成的平時(shí)成績考核和卷面期末考核。這種評(píng)價(jià)方法卷面期末成績所占比例較高，缺乏對(duì)過程性考核的重視，也難以準(zhǔn)確評(píng)定學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中的貢獻(xiàn)及有效作用。因此，針對(duì)課程特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)施要求，可以采用個(gè)人與團(tuán)隊(duì)考核相結(jié)合、教師與學(xué)生互評(píng)相結(jié)合的方式，增加過程性考核的比重及有效性。具體而言，課堂的講解內(nèi)容通過作業(yè)形式完成，由教師測定，主要考查學(xué)生在階段性學(xué)習(xí)過程中對(duì)基本知識(shí)的掌握情況，成績計(jì)入總成績的20%;問題的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及匯報(bào)由學(xué)生組內(nèi)互評(píng)、組間互評(píng)和教師共同測定，主要考查學(xué)生能否在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中利用所學(xué)的知識(shí)對(duì)問題進(jìn)行正確的求解，成績計(jì)入總成績的40%;期末考試主要考查學(xué)生對(duì)基本概念的理解、重點(diǎn)知識(shí)的運(yùn)用等，應(yīng)該增加一些開放性或一題多解的問題，由教師測定，成績計(jì)入總成績的40%。

四、結(jié)語

為了提高新工科背景下圖像處理相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的核心競爭力，筆者在分析現(xiàn)有課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于PBL模式的課程教學(xué)優(yōu)化措施。這種新模式的應(yīng)用能夠打破書本理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用需求之間的掣肘，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)力，大大提升教學(xué)效果，著重鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問題的能力，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]王鵬.“新工科”背景下數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)延展探索[J].工業(yè)和信息化教育，2018，69（09）：46-50.

[2]RC.Gonzalez，RE.Woods，SL.Eddins.“國外電子與通信教材系列：數(shù)字圖像處理（MATLAB版）[M].阮秋琦，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2014（第2版）.

[3]酒明遠(yuǎn).人工智能背景下數(shù)字圖像處理教學(xué)方法的兩點(diǎn)思考[J].科技風(fēng)，2019（33）：84-84.

[4]Edstr？觟ma K，Kolmos A.PBL and CDIO：Complementary Models for Engineering Education Development[J].European Journal of Engineering Education，2014，39（5）：539-555.

[5]朱芬娜.基于問題解決的教學(xué)在職教本科計(jì)算機(jī)課程中的應(yīng)用研究——以《數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用》為例[D].昆明：云南大學(xué)，2018.

[6]唐金娟.PBL教學(xué)模式在影視創(chuàng)意課程中的應(yīng)用效果分析[J].中外企業(yè)家，2020（08）：197.