基于項目驅(qū)動的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革與研究

廖天力，鄧淼磊

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

視覺是人們從外界獲取信息的重要手段之一，對圖像信息的獲取和處理在我們的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在醫(yī)療健康、測繪遙感和工業(yè)工程等領(lǐng)域[1]。這對高校的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)和相關(guān)人才的培養(yǎng)方面提出了更高的要求。然而，目前的課程教學(xué)過程中存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、學(xué)生參與度不夠、理論與實踐脫節(jié)等問題[2-7]。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展、人才培養(yǎng)需求的不斷變化，如何改進教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高課堂教學(xué)的效率，使學(xué)生能夠緊跟時代發(fā)展的步伐，是廣大任課教師迫切需要關(guān)心和解決的問題。

1 教學(xué)現(xiàn)狀與問題

數(shù)字圖像處理課程在許多高校的培養(yǎng)方案中屬于專業(yè)選修課，一般課時不多，以河南工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，總學(xué)時為44個，其中理論課32學(xué)時，實驗課12個學(xué)時，通常安排在大二下學(xué)期。根據(jù)該課程近幾年教學(xué)情況來看，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核評價方面存在一些共性問題，導(dǎo)致教學(xué)效果不盡如人意，與人才培養(yǎng)目標存在差距[3]，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）教學(xué)內(nèi)容方面。該門課程所涉及的內(nèi)容非常廣泛，主要包括圖像信號的數(shù)字化、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像壓縮編碼、圖像分割和形態(tài)學(xué)處理等。一般有7-8個章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，內(nèi)容繁多、公式復(fù)雜、概念抽象，要求有較好的微積分、線性代數(shù)和概率學(xué)基礎(chǔ)，因此教學(xué)難度大，但同時課時安排少，無法形成完善的教學(xué)體系。實驗主要包括數(shù)字圖像基礎(chǔ)、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原、彩色圖像處理和圖像分割等內(nèi)容，實驗內(nèi)容較為簡單，難度偏小，且類型大多為驗證性實驗，無法準確衡量學(xué)生對所學(xué)知識的運用能力和掌握程度。

同時，教學(xué)內(nèi)容有待更新。當前圖像處理相關(guān)知識更新較快，教材與參考書中的內(nèi)容與國際前沿相比仍然比較滯后，教師在課堂教學(xué)中往往局限于教材的內(nèi)容，涉及的研究熱點和動態(tài)較少，學(xué)生也不會主動接觸前沿知識和技術(shù)，因此，目前的教學(xué)內(nèi)容很難適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需求。

（2）實驗平臺方面。數(shù)字圖像處理課程實驗主要采用MATLAB作為軟件環(huán)境和實驗平臺。MATLAB包含的數(shù)字圖像處理工具箱內(nèi)容豐富、功能強大，幾乎能完全覆蓋所有的課程實驗，這為任課教師實驗示例的演示提供了便利，但同時會造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和成就感的下降，導(dǎo)致學(xué)生積極性不高，對圖像處理算法的理解不夠深刻等問題。

（3）教學(xué)方法和手段方面。傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理理論教學(xué)過程中，通常以PPT講授為主，板書為輔的手段傳遞知識，很容易陷入填鴨式的教學(xué)模式中，學(xué)生獲取的知識量也比較有限，獲取知識的手段比較單一；實驗教學(xué)中學(xué)生只是根據(jù)老師或指導(dǎo)書的示例機械、被動地模仿，去驗證算法的效果，對實驗算法原理的理解缺乏主動性和積極性，并不能做到觸類旁通地思考和解決實際問題。

（4）課程考核方面?，F(xiàn)有的課程考核評價體系通常以期末考核為主，實驗和平時成績?yōu)檩o對學(xué)生進行評定。期中期末考核不同專業(yè)會采取理論筆試或者課程報告等不同形式。理論考試無法評價學(xué)生的綜合實踐和開發(fā)能力，課程報告雖然一定程度上能考察學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，但往往容易流于表面，難度太低，無法準確衡量學(xué)生的應(yīng)用能力；難度太高，對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容課堂教學(xué)并沒有涉及，學(xué)生無法按時獨立完成，則會產(chǎn)生相互抄襲、上網(wǎng)查找等不良現(xiàn)象。

2 課程教學(xué)改革探索

現(xiàn)代教學(xué)模式應(yīng)以學(xué)生為主體，老師在教學(xué)過程中不斷引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。本文基于上述分析，結(jié)合實際情況，提出將項目驅(qū)動式教學(xué)融入課程中來，針對性地提出以下幾點關(guān)于課程教學(xué)改革的思路，以供參考和借鑒。

（1）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，凝練核心專題。由于數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容與課時之間的矛盾，為了在有限的課時內(nèi)完成教學(xué)大綱所要求的內(nèi)容，必然會造成許多內(nèi)容的講解不夠深入，與學(xué)生的互動和討論時間較少。因此，結(jié)合計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的特點以及本專業(yè)學(xué)生已修的相關(guān)課程，對教學(xué)內(nèi)容進行精心優(yōu)化，適當取舍，把重要、突出的知識點凝練成多個教學(xué)專題項目（如表1所示），以專題代替教材或章節(jié)，并對每個專題設(shè)置相對應(yīng)的實例開展教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生逐一掌握圖像處理的基礎(chǔ)知識，從而完成教學(xué)任務(wù)。

表1 把重要、突出的知識點凝練成多個教學(xué)專題項目

在實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上，不同于傳統(tǒng)實驗教學(xué)多采用驗證性實驗，在教學(xué)專題項目的基礎(chǔ)上，在實驗教學(xué)中設(shè)計類似的示例，讓學(xué)生分組討論，設(shè)計算法并最終將成果在課堂上展示出來，相互比較。通過這種形式幫助學(xué)生加深對圖像處理基礎(chǔ)知識的理解和實際的應(yīng)用能力。

（2）選擇合理實驗平臺，提高學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理實驗教學(xué)中一般使用MATLAB作為實驗平臺與工具，導(dǎo)致學(xué)生只是簡單的調(diào)用工具箱中的函數(shù)去驗證算法，失去對算法本身的學(xué)習(xí)與探索，無法深刻理解算法背后的原理和對應(yīng)的基本概念[3]。因此，本文建議使用Python和OpenCV作為開發(fā)環(huán)境。目前前沿的圖像處理算法大都基于深度學(xué)習(xí)工具，采用Python語言來設(shè)計，Python相比C/C++而言，結(jié)構(gòu)簡單，上手容易，結(jié)合OpenCV的工具包能幫助學(xué)生通過實驗更好地理解算法的原理，加強對數(shù)字圖像處理本質(zhì)的認識，為后續(xù)的綜合性實驗算法的設(shè)計提供必要的基礎(chǔ)儲備。

（3）改進課堂教學(xué)方法，豐富教學(xué)手段。數(shù)字圖像處理理論內(nèi)容繁多冗長，傳統(tǒng)教學(xué)過程不可避免會陷入填鴨式教學(xué)模式中，而且不注重圖像基礎(chǔ)知識與實際應(yīng)用之間的聯(lián)系，導(dǎo)致與實踐脫節(jié)，學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力也得不到提高。因此，根據(jù)專題項目所覆蓋的教學(xué)內(nèi)容及相互之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合任課教師自己的科研課題和國內(nèi)外最新研究成果，以解決專題項目的方式引入相關(guān)概念和方法，開展教學(xué)。采用分組研討的形式，教師在整個過程中起指導(dǎo)作用，讓學(xué)生能真正參與到課堂教學(xué)中，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（4）完善課程考核方式，提升教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的考核方式主要包括課堂考勤、實驗報告和期末考核，形式比較單一，不能準確衡量學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度和應(yīng)用能力。通過采用專題項目的教學(xué)方法和分組研討的形式，最終的課程考核方式可以改進為“分組研討表現(xiàn)+實驗表現(xiàn)+課程報告成果”，分組研討表現(xiàn)主要根據(jù)學(xué)生在組內(nèi)研討中的參與度、貢獻度，如回答問題的表現(xiàn)，對項目基礎(chǔ)知識的講解等；實驗表現(xiàn)考查學(xué)生對實驗作業(yè)的理解、解決問題的思路、最終的算法質(zhì)量和成果匯報的表現(xiàn)；課程報告成果考查學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運用能力。

3 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程存在的教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)方式方法單一，理論與實踐脫節(jié)等問題，提出了基于項目驅(qū)動的教學(xué)改革思路，從教學(xué)內(nèi)容、實驗平臺、教學(xué)方法手段和課程考核方式4個方面提出了具體改革措施，以此來提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和對知識的應(yīng)用能力，讓學(xué)生真正參與到課堂中來，為學(xué)生以后的工作打好基礎(chǔ)，力爭培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的新世紀人才。