基于 PBL 模式的《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

徐晨光 張紹泉 鄧承志

摘要：新工科建設(shè)對(duì)南昌工程學(xué)院《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程提出了新的要求。作為應(yīng)用型為主的實(shí)驗(yàn)課程，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不利于培養(yǎng)未來(lái)新工科所需的人才。PBL教學(xué)模式能夠較大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)生潛能，增強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師間的協(xié)作配合能力。文章把PBL教學(xué)模式引入到《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程中，從優(yōu)化教學(xué)方法、考核方式、角色互換等多方面出發(fā)，以提高和完善我校該課程目前現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)方式和教學(xué)質(zhì)量為目的，為應(yīng)用型為主的實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式提供借鑒。

關(guān)鍵詞：PBL;數(shù)字圖像處理;實(shí)驗(yàn)課程;教學(xué)改革

一、引言

基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)（problem-based Leanling，簡(jiǎn)稱 PBL），發(fā)端于 20 世紀(jì) 60 年代西方醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域內(nèi)的改革，巴羅斯教授制定的“三年規(guī)劃”標(biāo)志著 PBL 的誕生[1]。國(guó)外最早使用 PBL 進(jìn)行教學(xué)的是美國(guó)的神經(jīng)病學(xué)教授霍爾德·巴羅斯（Howard Barrows） [2]在加拿大的麥克馬斯特大學(xué)首創(chuàng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)要圍繞著具體而復(fù)雜的任務(wù)和問(wèn)題展開(kāi)，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、反思式學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生高級(jí)思維能力[3-4]。而我國(guó)則在 1986 年引入該模式，并在上海第二醫(yī)科大學(xué)和原西安醫(yī)科大學(xué)進(jìn)行嘗試引入[5-6]，近年來(lái)教育者們?cè)诟鱾€(gè)不同的領(lǐng)域中都引入了 PBL 模式。該模式被譽(yù)為“多年來(lái)專(zhuān)業(yè)教育領(lǐng)域最引人注目的革新”[7]。在新時(shí)代新工科背景下，培養(yǎng)符合 PBL 的學(xué)習(xí)模式，能夠較大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)生潛能，增強(qiáng)學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與老師間的協(xié)作配合能力[8]。

《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修實(shí)驗(yàn)課程，是理論教學(xué)的補(bǔ)充，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的總要手段之一，也是一門(mén)涉及多學(xué)科的交叉實(shí)踐課程[9]。涉及到的相關(guān)專(zhuān)業(yè)有電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)等。同時(shí)也是機(jī)器視覺(jué)、多媒體通信技術(shù)等的必備基礎(chǔ)實(shí)踐課程。

目前，在我校大多數(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，往往習(xí)慣于“教師講、學(xué)生聽(tīng)”的授課模式，而且在大部分傳統(tǒng)的教學(xué)方式上，教師和學(xué)生對(duì)課程的實(shí)踐部分都不夠重視，導(dǎo)致實(shí)踐與理論相互脫離，學(xué)生在課本上所學(xué)的知識(shí)無(wú)法與實(shí)踐內(nèi)容結(jié)合起來(lái)。在新時(shí)代新工科背景下，研究如何將 PBL理念引入到《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的改革，對(duì)于提升課程教學(xué)理念內(nèi)涵、培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力、適應(yīng)社會(huì)、行業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求等方面具有重要意義。

二、《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程的傳統(tǒng)教模式

2.1 傳統(tǒng)的教學(xué)模式

以前，我?！稊?shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程和大多數(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)模式一樣，都是老師介紹、講解、演示后再指導(dǎo)學(xué)生操作。當(dāng)學(xué)生進(jìn)行某一實(shí)驗(yàn)時(shí)，指導(dǎo)教師會(huì)先對(duì)該實(shí)驗(yàn)的原理和方法、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求、注意事?xiàng)、實(shí)驗(yàn)步驟等等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的講解和演示，一直到得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后要求學(xué)生重復(fù)老師操作過(guò)程，對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)做錯(cuò)相同的結(jié)果，最后經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格就算實(shí)驗(yàn)通過(guò)[10]。

長(zhǎng)期以來(lái)，指導(dǎo)教師和學(xué)生都已經(jīng)習(xí)慣于這種“教師講、學(xué)生聽(tīng)”的授課模式。采用這種教學(xué)模式，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容都是從基礎(chǔ)理論到簡(jiǎn)單實(shí)踐，完成的實(shí)驗(yàn)都是本實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)的最簡(jiǎn)單的內(nèi)容，與其他實(shí)驗(yàn)、方法、技術(shù)基本沒(méi)有關(guān)聯(lián)性。這樣零散的既定的實(shí)驗(yàn)很難使學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的整個(gè)處理過(guò)程，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，無(wú)法從整體上去了解數(shù)字圖像處理的原理。例如，在圖像去噪的實(shí)驗(yàn)中，如果按照目前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生很容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)指定的方法完成圖像去噪。但是，換成別的圖，給定的方法就不一定適用。對(duì)其他不確定噪聲的圖像，如何選取較好的去噪方法，就不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題了。

2.2 傳統(tǒng)的考核方式

以前，我校《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程與其他課程一樣，都是以分?jǐn)?shù)來(lái)體現(xiàn)學(xué)生的成績(jī)和名次的。實(shí)驗(yàn)課程的分?jǐn)?shù)主要由現(xiàn)場(chǎng)操作、考勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況等幾部分組成，由于各實(shí)驗(yàn)要求完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形式單一且簡(jiǎn)單，所以很難從實(shí)驗(yàn)過(guò)程上區(qū)分出學(xué)生的掌握情況。經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)生的成績(jī)基本相近的情況。這樣的考核評(píng)價(jià)方式明顯暴露出采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端。

三、PBL 模式的《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)改革

3.1 基于PBL的教學(xué)模式

基于PBL的教學(xué)模式，是先給學(xué)生布置“問(wèn)題”，讓學(xué)生按小組自己去想辦法，通過(guò)查資料、試驗(yàn)研究、探索等等一系列工作直至解決“問(wèn)題”。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生起主導(dǎo)作用，教師起輔助、協(xié)調(diào)、保證安全等作用。這種教學(xué)模式不僅對(duì)學(xué)生是一種挑戰(zhàn)，對(duì)指導(dǎo)教師也是一種考驗(yàn)。因此，對(duì)教師和學(xué)生而言，這種教學(xué)模式的改變不可避免地存在障礙性問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題，需要對(duì)上課學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的說(shuō)明，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)實(shí)施PBL教學(xué)模式的重要意義，了解教學(xué)過(guò)程，課前做好充分準(zhǔn)備，參加并完成學(xué)習(xí)任務(wù)。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)課教師進(jìn)行一定的技術(shù)能力和組織能力的培訓(xùn)，提高PBL教育能力。

在前面應(yīng)對(duì)不確定噪聲圖像去噪的例子中，解決這一問(wèn)題，需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前，進(jìn)行學(xué)習(xí)、查資料、研究、探討等大量的準(zhǔn)備工作。同樣，也要求指導(dǎo)教師不能只有單一實(shí)驗(yàn)的技能和知識(shí)，還要具有豐富的知識(shí)、指導(dǎo)能力、組織能力來(lái)幫助或解決教學(xué)過(guò)程中學(xué)生面臨的問(wèn)題。

3.2 基于PBL的考核方式

PBL教學(xué)模式注重學(xué)生的綜合能力，如查閱資料能力、團(tuán)結(jié)合作能力、創(chuàng)新思維能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力[11]等等。所以，對(duì)學(xué)生成績(jī)的考核方面，與傳統(tǒng)的教學(xué)方法截然不同。PBL教學(xué)模式更注重解決問(wèn)題的過(guò)程，可以解決采用傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生成績(jī)拉不開(kāi)檔次的問(wèn)題。但是，對(duì)指導(dǎo)教師的要求更加嚴(yán)格，要求指導(dǎo)教師認(rèn)真抓好PBL教學(xué)過(guò)程，掌握學(xué)習(xí)小組的每位成員的平時(shí)表現(xiàn)，根據(jù)完成任務(wù)（即解決問(wèn)題）所做的貢獻(xiàn)，公平合理給學(xué)生評(píng)定成績(jī)。

3.3 PBL模式下角色互換

PBL教學(xué)模式，師生角色發(fā)生了很大的變化。從以教師教為主的“講授”模式轉(zhuǎn)變成“以學(xué)生小組為中心研究討論解決問(wèn)題”的模式。在這種模式下，教師需要不斷提升個(gè)人的能力，培養(yǎng)具備PBL教學(xué)模式所需的組織能力、管理能力和創(chuàng)新思維能力。學(xué)生需要以小組的形式，針對(duì)“問(wèn)題”去查閱資料、研究討論、互相合作、回顧反思進(jìn)而解決問(wèn)題。要求學(xué)生投入大量的課外時(shí)間，具有學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性，具有團(tuán)隊(duì)意識(shí)和合作能力，還要求學(xué)生在尋求答案的過(guò)程中發(fā)揮創(chuàng)新思維能力[12]。學(xué)校需要建設(shè)PBL專(zhuān)用題庫(kù)，該題庫(kù)是針對(duì)“問(wèn)題”的設(shè)置和制定多種解決“問(wèn)題”的方案而設(shè)計(jì)的。題庫(kù)中“問(wèn)題”的設(shè)計(jì)，不僅要符合《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)目標(biāo)要求，還要配合專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，遵從知識(shí)綜合性、真實(shí)可用性、趣味性、研究探索性、結(jié)果可驗(yàn)證性及答案不唯一性等原則，而且要在內(nèi)容和格式方面規(guī)范化[13]。

四、已有成效

通過(guò)三年持續(xù)不斷的PBL教學(xué)模式《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程的改革和實(shí)踐，學(xué)生對(duì)PBL教學(xué)模式認(rèn)可度和認(rèn)同感有很大的提高，課程的分?jǐn)?shù)和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力也逐年增加。學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力增強(qiáng)，我校電子信息工程和通信工程專(zhuān)業(yè)近三年學(xué)生參加國(guó)家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)的比賽積極程度增加，獲獎(jiǎng)率也逐年增多。獲得省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目十余項(xiàng)，國(guó)家級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)目。

本文將 PBL 理念引入到《數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)中，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)方法、考核方式、角色互換等多方面對(duì)本?！稊?shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)》課程進(jìn)行完善和創(chuàng)新，并取得了初步的成效。這些成果也為應(yīng)用型為主的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式改革提供了較好的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王金柱，劉艷芳.淺論 PBL 的理論基礎(chǔ)[J].考試周刊，2013（28）：170.

[2]吳剛.基于問(wèn)題式學(xué)習(xí)模式（PBL）的述評(píng)[J].陜西教育（高教版），2012（04）：3-7.

[3]李開(kāi)竟.小學(xué)信息技術(shù)“問(wèn)題式”教學(xué)模式探究[J].科學(xué)咨詢（教育科研），2014（02）：20.

[4]葉月梅.基于問(wèn)題式學(xué)習(xí)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的實(shí)踐與思考——以“動(dòng)物的有性生殖”教學(xué)為例[J].文理導(dǎo)航（中旬），2018（04）：80-81.

[5]肖桂華.PBL+LBL雙軌教學(xué)在大專(zhuān)《婦產(chǎn)科護(hù)理學(xué)》理論教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].成都中醫(yī)藥大學(xué)，2016.

[6]任松，周蕊 .基于PBL教學(xué)模式的醫(yī)學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀與優(yōu)化策略研究[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2016（04）：106-107.

[7]武琴. PBL+LBL雙軌教學(xué)模式在中職《網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)》教學(xué)中的應(yīng)用[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2020.

[8]李瑞芹.基于問(wèn)題的教學(xué)模式（PBL）在中職信息技術(shù)課中的應(yīng)用研究[D].首都師范大學(xué)，2008.

[9]陳麗芳，劉淵，詹千熠，潘祥.《數(shù)字圖像處理技術(shù)》課程實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].數(shù)碼世界，2020（08）：150-151.

[10]劉春城，李爽，劉楊，楊軍，趙月.工程訓(xùn)練課程對(duì)PBL教學(xué)模式的障礙性研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2021，19（03）：51-55.

[11] PRATIWI S N， CARI C， AMINAH N S， et al. Problem-based ?learning ?with ?argumentation ?skills ?to ?improve students’ concept understanding[J]. Journal of Physics：Conference Series， 2019（1155）： 1?7.

[12]梁燕，汪青，錢(qián)睿哲，等.從學(xué)生的視角看PBL教學(xué)實(shí)踐的效果和努力方向[J].復(fù)日教育論壇，2009， 7（4）： 92-96

[13]劉春城，張樹(shù)軍，張國(guó)斌，等.采用PBL教學(xué)模式進(jìn)行工程訓(xùn)練時(shí)“問(wèn)題”的設(shè)置[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012， 29（6）： 143-145.

作者簡(jiǎn)介

徐晨光（1985-），男，南昌工程學(xué)院信息工程學(xué)院，中級(jí)。（江西 南昌330099）

基金項(xiàng)目

本文系南昌工程學(xué)院教學(xué)改革研究課題 （項(xiàng)目編號(hào)： 2020JG028）;江西省教育科學(xué)規(guī)劃課題（項(xiàng)目編號(hào)：21YB218）;江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革課題（項(xiàng)目編號(hào)：JXYJG-2016-162）