基于學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理課程改革

溫旭云，張道強(qiáng)

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211106）

0 引言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)快速發(fā)展，并逐漸成為各科技領(lǐng)域中一項(xiàng)不可缺少的重要工具。該課程所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和原理被廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療、生物醫(yī)學(xué)、智能安防、無(wú)人駕駛、航空航天、故障檢測(cè)和人機(jī)交互等前沿領(lǐng)域，使得數(shù)字圖像處理課程逐漸成為全國(guó)各高校信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)本科生的必修課之一［1］。

數(shù)字圖像處理是一門(mén)融合線性代數(shù)、高等數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的交叉課程，主要講授圖像增強(qiáng)、變換、復(fù)原、分割、特征提取和目標(biāo)識(shí)別等，具有內(nèi)容覆蓋面廣、理論性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域多、對(duì)學(xué)生綜合能力要求高等特點(diǎn)，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易出現(xiàn)畏難情緒，增加了實(shí)際教學(xué)工作的難度和復(fù)雜度［2］。數(shù)字圖像處理課程作為建立計(jì)算機(jī)學(xué)科與實(shí)際應(yīng)用的重要橋梁，探究如何改進(jìn)現(xiàn)有教學(xué)模式，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)參與意識(shí)，培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的能力，在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)過(guò)程中加以實(shí)施，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才具有重要意義［3］。

1 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式主要是班級(jí)集中授課形式，固定時(shí)間、固定教師及固定教材，以教師為主體、學(xué)生為客體，按照課程大綱由教師向?qū)W生填鴨式地單向傳授知識(shí)，最后采用統(tǒng)一的考核方式評(píng)估學(xué)習(xí)達(dá)成度［4-5］。然而，數(shù)字圖像處理作為在各科技領(lǐng)域中應(yīng)用極廣的一門(mén)技術(shù)，其相關(guān)理論和方法發(fā)展非常迅速，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)教材更新速度，如果按照傳統(tǒng)以課本為主的教學(xué)模式，將會(huì)導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容陳舊，學(xué)生無(wú)法獲取最新知識(shí)體系，同時(shí)，作為一門(mén)理論與應(yīng)用緊密結(jié)合的課程，學(xué)生內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力直接決定了其對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，完全以教師為主體的教學(xué)模式必然無(wú)法達(dá)到滿意的教學(xué)成效［6］。因此，越來(lái)越多針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革方案被提出，主要分為以下兩類：

（1）仍然主張以“教師”為主體，通過(guò)豐富教學(xué)內(nèi)容，改變教師向?qū)W生的知識(shí)傳授方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量提升。比如，文獻(xiàn)［7］強(qiáng)調(diào)以典型案例為導(dǎo)向，對(duì)數(shù)學(xué)圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，形成具有鮮明專業(yè)特色的完整知識(shí)體系；文獻(xiàn)［8］提出線上線下混合教學(xué)模式，主張利用智慧信息化教學(xué)平臺(tái)，搭建數(shù)字圖像處理課程教學(xué)網(wǎng)站，解決線下教學(xué)中課時(shí)量不足以覆蓋所有知識(shí)體系的問(wèn)題，增加課堂學(xué)習(xí)深度，提高學(xué)生知識(shí)掌握程度。

（2）強(qiáng)調(diào)以“學(xué)生”為主體，秉承成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的理念，及時(shí)調(diào)研分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，增加師生互動(dòng)交流，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性，進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)學(xué)習(xí)的目標(biāo)。比如，文獻(xiàn)［9］提出“以學(xué)生為中心”的數(shù)字圖像處理課程在線教學(xué)方案，為學(xué)生設(shè)計(jì)由淺入深的學(xué)習(xí)路徑，結(jié)合學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)和學(xué)生反饋，不斷進(jìn)行在線教學(xué)改進(jìn)。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］則分別提出科研和應(yīng)用為導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理教學(xué)模式，從引導(dǎo)方式、切入角度、學(xué)生情況、案例選擇、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面，對(duì)課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式進(jìn)行改革實(shí)踐。

雖然已有改革方案對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)效果具有促進(jìn)作用，但卻忽略了學(xué)生個(gè)體不同職業(yè)規(guī)劃對(duì)數(shù)字圖像課程知識(shí)需求的差異性，無(wú)法充分激發(fā)所有學(xué)生的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。為了解決該問(wèn)題，本文提出以學(xué)生就業(yè)目標(biāo)為導(dǎo)向，結(jié)合專業(yè)需求，采用分軌道和個(gè)體針對(duì)性的教學(xué)模式，最大限度地激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)力，同時(shí)采用線上線性混合教學(xué)模式，豐富教學(xué)內(nèi)容，跟蹤學(xué)生階段學(xué)習(xí)效果，最終達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

2 學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)改革思路與方案

針對(duì)當(dāng)前數(shù)字圖像處理教學(xué)過(guò)程中存在忽略個(gè)體職業(yè)規(guī)劃的問(wèn)題，提出基于學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理課程改革方案，學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向是以學(xué)生為中心、以就業(yè)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)模式，意在強(qiáng)調(diào)學(xué)生可根據(jù)個(gè)人職業(yè)規(guī)劃選擇對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)通道，提升其內(nèi)在學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。如圖1 所示（灰色框表示不同學(xué)習(xí)通道共享的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法），基于學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的數(shù)字圖像教學(xué)課程改革將學(xué)生按其職業(yè)規(guī)劃分為升學(xué)和就業(yè)兩大類，升學(xué)泛指就讀國(guó)內(nèi)/國(guó)外碩士或博士研究生，就業(yè)類則表示前往企業(yè)任職，其中升學(xué)類按照研究方向進(jìn)一步細(xì)分為計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像分析，就業(yè)類則分為算法工程師和軟件工程師。為了實(shí)現(xiàn)分類教學(xué)，設(shè)計(jì)多元化教學(xué)目標(biāo)，采用課程大綱和經(jīng)典案例雙驅(qū)動(dòng)教學(xué)體系，并基于智慧教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)線上線下混合教學(xué)模式。

2.1 多元化教學(xué)目標(biāo)

Fig.1 Ideas and schemes of the framework for the proposed student goal-oriented digital image processing course reform圖1 基于學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的數(shù)字圖像處理課程改革思路與方案

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)計(jì)劃實(shí)施的基礎(chǔ)，其設(shè)定需兼顧教與學(xué)兩個(gè)方面，一般課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)遵從“以教為主，以學(xué)為輔”。然而，數(shù)字圖像處理課程作為理論服務(wù)于應(yīng)用的專業(yè)，課程知識(shí)應(yīng)具有前沿性、開(kāi)放性和包容性等特點(diǎn)，因此有必要改變以往以教為主、固定的教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，著重強(qiáng)調(diào)教學(xué)主體、目的及效果均在于學(xué)生的學(xué)［12］。本文主張教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定圍繞“以學(xué)為主，以教為輔”展開(kāi)，充分考慮學(xué)生職業(yè)規(guī)劃，設(shè)置多元化教學(xué)目標(biāo)。如圖1（a）所示，升學(xué)組重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀能力和創(chuàng)新思維能力，就業(yè)組主要關(guān)注其問(wèn)題分析能力和程序設(shè)計(jì)能力。此外，針對(duì)每個(gè)類別下的小類，根據(jù)其在實(shí)際研究和工作中對(duì)數(shù)字圖像處理的需求度，設(shè)置不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)和課程達(dá)成度。

2.2 課程大綱與經(jīng)典案例雙驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系

為了最大限度地激發(fā)學(xué)生內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，提出課程大綱與案例雙驅(qū)動(dòng)的教學(xué)體系?；诮虒W(xué)大綱的課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，需要重視和優(yōu)化，堅(jiān)持“以本為本”嚴(yán)格完成基礎(chǔ)教學(xué)任務(wù)，保證課堂教學(xué)內(nèi)容能夠正確傳授，為之后的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，根據(jù)學(xué)生未來(lái)工作和職業(yè)興趣設(shè)計(jì)不同的教學(xué)案例，方便學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)進(jìn)行選擇性學(xué)習(xí)，同時(shí)最大程度地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)動(dòng)力［13］。如圖1（b）所示，升學(xué)組中計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向以經(jīng)典的ImageNet圖像識(shí)別競(jìng)賽作為教學(xué)案例，圖像分析則采用Iseg2019 醫(yī)學(xué)圖像分割競(jìng)賽；對(duì)于就業(yè)組，人臉位置檢測(cè)模型和人臉識(shí)別系統(tǒng)分別作為算法工程師和軟件工程師的教學(xué)案例。每個(gè)案例對(duì)于數(shù)字圖像處理知識(shí)體系的需求度不同，學(xué)生可根據(jù)具體案例對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。以上以學(xué)生為中心、問(wèn)題和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)融合的教學(xué)方式，可充分培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的意識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)內(nèi)驅(qū)力和創(chuàng)造性，達(dá)到使學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的目的，最終提高學(xué)生解決問(wèn)題能力的終極培養(yǎng)目標(biāo)［14］。

2.3 線上線下混合教學(xué)模式

由于課時(shí)關(guān)系，線下教學(xué)無(wú)法完整覆蓋各軌道學(xué)生的知識(shí)需求［15］。為了解決該問(wèn)題，擬采用線上線下混合式教學(xué)模式，以解決單一教學(xué)模式存在的不足，教學(xué)中以線下課題授課為主，通過(guò)“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)線上資源對(duì)線下的課程進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)充［16］。具體實(shí)施方案：搭建數(shù)字圖像處理教學(xué)網(wǎng)站，針對(duì)不同軌道設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)模塊和內(nèi)容，包括課程介紹、教學(xué)資源和教學(xué)文檔等，并發(fā)布對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生在完成線下課程后，可針對(duì)性地選擇線上教學(xué)進(jìn)行知識(shí)擴(kuò)展性學(xué)習(xí)。同時(shí)，線上教學(xué)的引入還可以提升學(xué)生對(duì)課程的參與度，比如利用“學(xué)習(xí)通”在課堂中進(jìn)行測(cè)試和答題。增加課程互動(dòng)，讓大家踴躍發(fā)言，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。此外，還采用多方位授課方式，對(duì)于想要升學(xué)深造數(shù)字圖像處理相關(guān)知識(shí)的學(xué)生，請(qǐng)外?；蛘弑拘＝淌谧鱿嚓P(guān)報(bào)告，讓學(xué)生更深入地了解后續(xù)學(xué)習(xí)方式，并提前與課題組取得聯(lián)系。對(duì)于想要在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域工作的學(xué)生，可以請(qǐng)企業(yè)工程師為學(xué)生們授課，讓學(xué)生們了解企業(yè)的實(shí)際需求與項(xiàng)目管理工作流程，并根據(jù)真實(shí)的企業(yè)需求完善自身能力，為后續(xù)工作做好準(zhǔn)備［17］。

3 學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)改革效果評(píng)估

為了測(cè)試學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)模式中教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度，教師采用問(wèn)卷調(diào)查形式，邀請(qǐng)127 名學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)能力提升情況進(jìn)行自評(píng)。升學(xué)組包括69 名學(xué)生，30 名學(xué)生選擇計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向，39 名學(xué)生選擇圖像分析方向；就業(yè)組包括58 名學(xué)生，28 名學(xué)生選擇算法工程師，30 名學(xué)生選擇軟件工程師。升學(xué)組的課程目標(biāo)包括：數(shù)字圖像處理原理和技術(shù)掌握程度、圖像分析相關(guān)文獻(xiàn)閱讀能力提升、創(chuàng)新思想能力提升，其中計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向?qū)W生在3 個(gè)目標(biāo)上達(dá)成度的平均值分別為0.87、0.82 和0.75，圖像分析學(xué)生的達(dá)成度為0.89、0.8 和0.75（如圖2（a）所示）。工程組的課程目標(biāo)為數(shù)字圖像處理原理和技術(shù)掌握程度、圖像分析相關(guān)問(wèn)題分析能力和程序設(shè)計(jì)能力，其中選擇算法工程師學(xué)生的3 個(gè)課程目標(biāo)達(dá)成度為0.84、0.71和0.83，選擇軟件工程師學(xué)生的達(dá)成度則為0.8、0.71 和0.89（如圖2（b）所示）。

通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)結(jié)論：①除創(chuàng)新思想和分析問(wèn)題能力外，其他課程目標(biāo)的達(dá)成度均達(dá)到良好以上，這兩項(xiàng)課程目標(biāo)達(dá)成度較低的原因則是需要長(zhǎng)期訓(xùn)練，很難通過(guò)短時(shí)期獲得；②對(duì)于數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)技術(shù)的掌握程度，升學(xué)組中圖像分析方向達(dá)成度略高于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方向，就業(yè)組中算法工程師方向的學(xué)生高于軟件工程組，這是由于圖像分析和算法工程師通道在針對(duì)性案例學(xué)習(xí)中對(duì)數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)技術(shù)的需求度較高，激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)動(dòng)力，同樣的原因也適用于就業(yè)組中軟件工程師在程序設(shè)計(jì)能力方面的達(dá)成度高于算法工程師。以上數(shù)據(jù)均證明所提出學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)模式的有效性。

Fig.2 Effectiveness evaluation results of student goal-oriented course reform圖2 學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)效果評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出基于學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向的教學(xué)改革方案。該方案充分考慮了學(xué)生不同職業(yè)規(guī)劃對(duì)數(shù)字圖像處理課程知識(shí)體系需求的差異性，主張以就業(yè)目標(biāo)和方向?yàn)閷?dǎo)向，將學(xué)生進(jìn)行細(xì)分，通過(guò)設(shè)置多元化的教學(xué)目標(biāo)，采用針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，達(dá)到分類教學(xué)的目標(biāo)。同時(shí)，該研究也存在一些不足，比如對(duì)于學(xué)生分類只分為升學(xué)組和就業(yè)組兩大類，后續(xù)仍需進(jìn)一步細(xì)化。在后續(xù)教學(xué)改革實(shí)踐中，也將遇到一些問(wèn)題，這都有待繼續(xù)改進(jìn)和完善。