研究生“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革研究

趙欣 王穎潔 賈龍淵

[摘 要] 近年來數(shù)字圖像處理技術(shù)迅速發(fā)展并在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。為了適應(yīng)數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展趨勢，為社會培養(yǎng)出符合時代需求的人才，以大連大學(xué)研究生“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革為例，論述課程教學(xué)改革中遇到的問題和解決辦法。以打好理論基礎(chǔ)、加強能力培養(yǎng)、有.利長遠發(fā)展為目標，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式兩方面改革入手，通過拓寬教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整教學(xué)重點，采取研討式教學(xué)、案例式教學(xué)、跨平臺教學(xué)等切實可行的措施，提升了教學(xué)質(zhì)量，提高了研究生的自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論的同時拓寬了視野，培養(yǎng)了學(xué)生基本的科研素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 研究生能力培養(yǎng)；數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革

[基金項目] 2019—2021年大連大學(xué)研究生課程教學(xué)改革項目

[作者簡介] 趙 欣（1974—），女，遼寧錦州人，計算機應(yīng)用專業(yè)博士，大連大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事人工智能和數(shù)字圖像處理研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0094-04 [收稿日期] 2021-04-07

引言

數(shù)字圖像處理是一門利用計算機對圖像進行分析和信息提取的學(xué)科，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像處理在智慧醫(yī)療、智能交通、航空航天和工業(yè)檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是近年來發(fā)展非常迅猛和熱門的專業(yè)之一。為滿足社會需求，一些高校面向高年級本科生或研究生開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”這門課程，作為專業(yè)選修課或全校公選課[1]。我校在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科生和研究生中都開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”課程。但該課程在以往的本科生和研究生的教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式?jīng)]有太大的本質(zhì)差異，導(dǎo)致研究生在接受碩士階段的教育時相當(dāng)于重修了該門課程，出現(xiàn)了研究生教育“本科化”傾向和“弱學(xué)術(shù)化”傾向。據(jù)了解，這一問題不僅在我校存在，在其他一些高校也同樣存在[2]。

如何在進行專業(yè)理論課程教學(xué)的同時，注重培養(yǎng)研究生的科研素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力，是研究生課程教學(xué)必須認真思考和解決的問題。為此，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式兩個方面對研究生數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)進行了一系列改革。

一、教學(xué)內(nèi)容改革

研究生階段應(yīng)重視教學(xué)內(nèi)容的前沿性與實踐性，即專業(yè)領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的熱點、難點、重點以及尚存爭議性的問題和研究發(fā)展的新動向[3]。當(dāng)前，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，碩士研究生階段的“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)與時俱進，除了介紹最基本的圖像處理、分析的基礎(chǔ)知識外，更要及時拓展，添加和補充一些最新的、專業(yè)性和應(yīng)用性較強的知識內(nèi)容[2]。近年來，在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的帶動下，數(shù)字圖像處理技術(shù)的內(nèi)涵、研究方法、應(yīng)用領(lǐng)域等都發(fā)生很大改變。如何與時俱進地調(diào)整和更新教學(xué)內(nèi)容，使研究生拓寬視野，了解學(xué)科前沿，培養(yǎng)良好的科研素養(yǎng)，是本次教改要解決的重點問題。

從圖像工程角度講，數(shù)字圖像處理包含三個層次的內(nèi)容：一是低層的圖像處理技術(shù)，重點強調(diào)對圖像的各種變換方法，以滿足對圖像質(zhì)量的改善；二是中層的圖像分析技術(shù)，主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測與識別；三是高層的圖像理解技術(shù)，是在圖像分析基礎(chǔ)上研究圖像中各目標的性質(zhì)和相互關(guān)系[4]。

教改前，我校研究生“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)內(nèi)容側(cè)重低層的圖像處理基礎(chǔ)，此外，包含一部分中層的圖像分析技術(shù)，如表1所示。從內(nèi)容安排和學(xué)時比例來看，整體的教學(xué)側(cè)重于低層圖像處理基礎(chǔ)理論的講授，中層的圖像分析僅占比33%，且不包含高層圖像理解的內(nèi)容。這使得該門課程的研究生教學(xué)呈現(xiàn)本科化傾向和“弱學(xué)術(shù)化”傾向，不利于對研究生科研能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。為此，我們重新確立了教學(xué)目標，并對教學(xué)內(nèi)容進行了如下調(diào)整和更新。

首先，對于低層的圖像處理基礎(chǔ)，保留原有的教學(xué)內(nèi)容，但學(xué)時由原來的24學(xué)時壓縮為8學(xué)時，原因是這部分內(nèi)容被設(shè)定為學(xué)生在本科階段已經(jīng)學(xué)習(xí)或有能力通過自學(xué)掌握，因此，在新的教學(xué)大綱中將其設(shè)為回顧性講解。

其次，對于中層的圖像分析部分，新大綱去除掉了原有的形態(tài)學(xué)圖像處理，保留了傳統(tǒng)圖像分割算法，同時，增設(shè)了基于深度學(xué)習(xí)的圖像分類和分割技術(shù)內(nèi)容。傳統(tǒng)的圖像分割算法主要包括邊緣檢測、基于閾值的分割、基于區(qū)域的分割和基于分水嶺的分割，這些方法目前已經(jīng)很少使用，之所以保留這部分內(nèi)容是為了讓學(xué)生對圖像分割的發(fā)展脈絡(luò)有一個整體了解，為此，我們將其學(xué)時壓縮至2學(xué)時并設(shè)為回顧性講解。

最后，原有的教學(xué)內(nèi)容中沒有涉及高層的圖像理解，此次教改選取基于內(nèi)容的圖像檢索作為對圖像理解部分的增設(shè)，目的是讓學(xué)生對整個圖像工程領(lǐng)域有一個整體的、系統(tǒng)性的了解。

通過上述分析可以看出，我們將教學(xué)重點放在拓寬學(xué)生知識面，使學(xué)生對圖像工程有一個整體性認識，內(nèi)容更加豐富，實用性更強。

二、教學(xué)模式改革

教改前，研究生“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)模式主要采用以教師講授為主，以課堂為中心、以教師為中心、以教材為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。在本次教改中，我們改變傳統(tǒng)的“講授式”為主的教學(xué)模式，采取“研討式教學(xué)”“案例式教學(xué)”“跨平臺教學(xué)”等模式，形成了有互動、多元化的教學(xué)方法。

（一）研討式教學(xué)

為使學(xué)生不僅能從課程中感受到數(shù)字圖像處理技術(shù)的魅力，更能培養(yǎng)靈活運用知識解決實際問題的能力，我們在“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)實踐中，大膽嘗試了研討型教學(xué)方式。一方面，針對本科期間已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)內(nèi)容，如圖像采集、變換、空間濾波、頻率域濾波等，采用總結(jié)式和討論式的教學(xué)手段，讓學(xué)生們以自由討論的方式自己總結(jié)，并通過提問引導(dǎo)學(xué)生在討論與辯論中加深對概念的理解和深化。另一方面，針對大綱中的“基于深度學(xué)習(xí)的圖像分類和分割前沿技術(shù)討論”，我們采取專題討論的形式，通過“教師主題引導(dǎo)—學(xué)生專題講授—隨堂研討—教師質(zhì)疑答疑”的課堂活動形式，讓學(xué)生成為課堂的主體。具體操作辦法是：我們設(shè)立了圖像分類和圖像分割兩個專題，每個專題包含1或2個熱點問題。把學(xué)生劃分小組，以小組為單位課下閱讀指定的相關(guān)文獻，并在課堂上進行匯報。老師在課堂上拋出問題，引導(dǎo)學(xué)生展開討論，鼓勵學(xué)生針對問題各抒己見，共同探討前沿技術(shù)中的新方法和新趨勢。比如，針對注意力機制在圖像分割中的應(yīng)用這一前沿技術(shù)，我們?yōu)閷W(xué)生選取了8篇參考文獻，分8組進行閱讀和匯報，每組匯報結(jié)束后，大家共同討論文章在技術(shù)上的共同點、優(yōu)缺點、適用范圍和未來可能的改進。

上述研討型教學(xué)模式使課堂教學(xué)最大程度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生通過課前自學(xué)、課上討論更深刻地掌握所學(xué)內(nèi)容，并通過研討激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情。在這個過程中，老師扮演主持人和評論員的角色，發(fā)揮糾正誤區(qū)、揭示本質(zhì)、解答疑惑和引導(dǎo)思考的作用。

（二）案例式教學(xué)

我們采取案例式教學(xué)的目的是為了在理論講解中滲透實踐，在實踐中穿插理論，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。案例式教學(xué)法幾乎貫穿這門課程的始終，主要采用知識點式案例，輔助理論課程的某個或某些知識點的教學(xué)，進而引導(dǎo)學(xué)生理解理論知識點，啟發(fā)學(xué)生思維。

在案例教學(xué)中，我們通過知識點引出案例，并通過演示法和實驗法進行案例講解。通過運行事先實現(xiàn)好的程序?qū)⒅R點所涉及的實際效果演示出來，此謂演示法。比如，用編寫好的具有圖像去噪功能的程序演示去噪算法對圖像進行去噪的效果。通過案例演示，可以將枯燥的理論具體化和形象化，通過圖像處理效果帶入算法實現(xiàn)過程的講解，讓學(xué)生充分感受到數(shù)字圖像處理技術(shù)的魅力，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)的效率。案例教學(xué)的最終目的是輔助學(xué)生對圖像處理理論知識點的理解，這離不開對案例進行算法流程分析和程序設(shè)計思路的講解。分析程序代碼并運行程序，以當(dāng)場實驗驗證的方式向?qū)W生展示算法從設(shè)計到實現(xiàn)直至運行出結(jié)果的整個流程，此謂實驗法。實驗法可將理論與實現(xiàn)緊密結(jié)合，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中滲透實戰(zhàn)演練，提高學(xué)生對數(shù)字圖像處理的編程實踐能力。

我們的案例式教學(xué)不僅流于案例的展示，而是引導(dǎo)學(xué)生從案例出發(fā)進行思維升華，引發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思考，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的創(chuàng)新能力。以肺部CT影像中的肺結(jié)節(jié)分割案例為例，我們首先采用傳統(tǒng)的閾值分割法對CT影像中的肺結(jié)節(jié)病灶進行分割，運用演示法先給出分割結(jié)果，然后運用實驗法講解閾值分割算法的設(shè)計流程、代碼解析和程序運行全過程。同時，我們還有意識地引出采用當(dāng)前主流的深度學(xué)習(xí)方法對該CT影像肺結(jié)節(jié)病灶的分割的案例演示，然后運用實驗法講解深度學(xué)習(xí)模型的算法設(shè)計和代碼解析。再通過演示法對比兩種方法的分割結(jié)果，使學(xué)生能直觀判定不同方法之間的優(yōu)劣。

該門課程雖然沒有設(shè)置實驗環(huán)節(jié)，但我們鼓勵大家課下動手實踐，案例教學(xué)無疑為學(xué)生的課下實踐打下了良好的基礎(chǔ)和鋪墊。通過引出案例、演示案例、分析案例，將復(fù)雜抽象的理論融入形象直觀的應(yīng)用案例當(dāng)中，既有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有助于提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

（三）跨平臺教學(xué)

以往的教學(xué)主要采用單一的線下教學(xué)模式，這樣的教學(xué)模式有利于教師對課堂紀律的管理，也可以實時關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，這種“面對面”的教學(xué)也能夠增進師生之間的溝通和交流。但線下教學(xué)模式仍存在一定的弊端。比如，大綱調(diào)整后該門課程所涉及的內(nèi)容非常廣泛，不僅包括圖像采集、圖像基本運算、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像分類、圖像分割、圖像檢索等原理，還包括深度學(xué)習(xí)的基本知識。整個教學(xué)總學(xué)時為48學(xué)時。內(nèi)容多，課時少，單純依靠在課堂教學(xué)中深入地完成教學(xué)存在一定難度。由于課時關(guān)系，教師不能把所有的知識點都進行深入講解和拓展講解，這就造成學(xué)生學(xué)完后感覺什么都學(xué)了點，但又什么都不太會，特別是對一些理解起來比較難的算法，有些學(xué)生在課堂上還無法理解算法細節(jié)，需要課下進行消化和學(xué)習(xí)，但一旦離開課堂，有失去了學(xué)習(xí)動力和幫助。

為此，我們采用線上課堂來拓展線下課堂的教學(xué)時間和空間，為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)途徑和手段。但我們并不是完全依靠線上課堂進行理論教學(xué)，只是將其作為必要的輔助手段。為了將線上和線下教學(xué)有機融合，形成一個良性的混合教學(xué)模式，我們開展了如下兩方面的工作。一方面，我們利用中國MOOC上已經(jīng)推出的數(shù)字圖像處理的優(yōu)秀課程資源，收集所有可用資源后認真篩選，而非自行制作教學(xué)視頻，這樣不僅可免去教師制作教學(xué)視頻的辛勞，又可集大家之長。由于中國MOOC上不同高校開設(shè)的“數(shù)字圖像處理”課程的側(cè)重點不同，我們很難找到與我們的教學(xué)大綱完全吻合的MOOC課程，因此，我們把MOOC上不同的“數(shù)字圖像處理”課程按授課知識點與我們的大綱進行整合，以知識點為核心，有針對性地向?qū)W生推薦不同的MOOC教學(xué)資源。另一方面，我們通過雨課堂平臺，將教師的PPT和章節(jié)測試定期推送，并設(shè)置定期直播答疑，解決學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的問題。為配合學(xué)生線下學(xué)習(xí)，我們將教學(xué)內(nèi)容碎片化，將每個章節(jié)根據(jù)知識點細分，并強調(diào)每個章節(jié)的難點和重點，認真做好PPT和習(xí)題測試，并上傳到雨課堂平臺上。同時，將案例的源代碼放入資料庫，供學(xué)生課下參考，輔助學(xué)生課后編程練習(xí)。此外，我們在雨課堂中針對重點難點設(shè)置相應(yīng)問題，讓學(xué)生進行互動討論，進入平時成績。這種線上線下結(jié)合的方式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，也使得我們的課程體系更加完整充實。

結(jié)語

研究生能力培養(yǎng)是當(dāng)前研究生教育亟待解決的問題，也是高校教育改革的長期工程。本文針對研究生“數(shù)字圖像處理”課程進行的教學(xué)改革，正是適應(yīng)這一大環(huán)境的需求。修訂后的教學(xué)大綱側(cè)重拓寬學(xué)生的知識面，深化知識點，同時緊跟學(xué)術(shù)前沿動態(tài)，為科研能力的培養(yǎng)提供了必要的知識儲備。課堂教學(xué)采用互動式、案例式、線上線下混合式等多種手段相結(jié)合的教學(xué)方法，形成以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為目標的教學(xué)模式。此次教改大大提高了教學(xué)效果，充分培養(yǎng)了研究生的自主學(xué)習(xí)、獨立思考和創(chuàng)新思維能力，學(xué)生在掌握專業(yè)理論的同時，提高了基本科研素養(yǎng)，達到了預(yù)期培養(yǎng)目標和教學(xué)效果。

參考文獻

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[2]于迎霞，庫爾班·吾布力，古麗拉·阿東別克，等.本科和研究生數(shù)字圖像處理課程的差異化教學(xué)思考[J].計算機教育，2019（1）：136-140.

[3]謝安邦.構(gòu)建合理的研究生教育課程體系[J].高等教育研究，2003（5）：68-72.

[4]RAFAE C.，RICHARD E.數(shù)字圖像處理[M].4版.阮秋琦，阮智宇，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2020：45-95.

Research on Teaching Reform of the Digital Image Processing Course for Postgraduates

ZHAO Xin， WANG Ying-jie， JIA Long-yuan

（School of Information Engineering， Dalian University， Dalian， Liaoning 116622， China）

Abstract： The technology of digital image processing has developed rapidly in recent years and has been widely used in many fields. In order to adapt to the development of digital image processing and cultivate talents that meet the needs of the times for the society， taking the teaching reform in the Digital Image Processing course for postgraduates in Dalian University as an example， this paper discusses the problems and solutions encountered in the course teaching reform. With the goal of laying a good knowledge foundation， strengthening ability training， and facilitating long-term development， the reform of teaching content and teaching model is conducted. By broadening the teaching content， adjusting teaching focus， and adopting the feasible measures such as seminarbased teaching， case-based teaching， and cross-platform teaching， the reform has improved the teaching quality and students’ self-learning ability， enabling students to broadened their horizons and have the basic scientific research literacy while learning basic theories.

Key words： ability training of postgraduate； Digital Image Processing； teaching reform