OBE理念引導下“數(shù)字圖像處理”課程教學改革探索

上官宏 張雄 喬建華 武曉嘉 寧愛平

太原科技大學電子信息工程學院 山西太原 030024

1 “數(shù)字圖像處理”課程教學現(xiàn)狀及存在的問題

數(shù)字圖像是一種在計算機中以數(shù)字格式存儲的圖像數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)各大高校所開設(shè)的針對本科生的“數(shù)字圖像處理”課程主要介紹利用計算機實現(xiàn)對圖像的采集、增強、變換、編碼、恢復、分割、分析和識別等的理論、方法和技術(shù)，該課程涉及傳感器、計算機、信號處理和模式識別等技術(shù)領(lǐng)域，是一門多學科交叉的課程。隨著我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的技術(shù)型人才成為當前高等教育的使命?？蓮V泛應用于醫(yī)學診療、工業(yè)無損檢測、自動駕駛、目標跟蹤、地形勘探等領(lǐng)域的“數(shù)字圖像處理”課程已成為信息類學科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過研究數(shù)字圖像的采集、顯示和處理的基本概念、算法和系統(tǒng)，學生們可獲取畢業(yè)后從事模式識別、計算機視覺、信息技術(shù)及其工程應用等工作所需的機器視覺基礎(chǔ)知識。

“數(shù)字圖像處理”課程涉及較為高深的基本理論(如傅里葉變換、聚類分析、霍夫變換、形態(tài)學分析、數(shù)字信號濾波)，具備較強的應用實踐背景(例如人臉、指紋、靜脈等生物特征識別，圖像去雨、去霧、去摩爾紋，以及智能視頻監(jiān)控等)，要求學生具備較強編程動手能力。該課程教學現(xiàn)狀及存在的問題如下：

(1)傳統(tǒng)教學以課堂講授為主，在教學過程中以“教授知識”為中心，面對抽象的理論知識和復雜繁多的公式，學生往往充當被動接受者的角色，教學目標中沒有體現(xiàn)以“學生”為中心的OBE理念；

(2)傳統(tǒng)線下教學方式提供的學習資源非常有限，教學內(nèi)容陳舊?，F(xiàn)階段，線上線下混合教學已成為當代大學的必要選擇，這使得授課教師需充實線上教學資源，更新教學案例，以保障在長時間線上教學過程中調(diào)動學生學習的積極性；

(3)傳統(tǒng)“數(shù)字圖像處理”課程考核方式落后，僅進行終結(jié)性評價，關(guān)注的重點是學生在期末考試中對重要知識點的掌握程度，未進行過程性考核，無法科學評價學生在整個學期的學習收獲；

(4)傳統(tǒng)教學模式以知識傳授為主，在教學設(shè)計過程中鮮少考慮在專業(yè)課程中融入思想政治教育元素。

因此，在目前大多數(shù)學校所采用的傳統(tǒng)教學模式下培養(yǎng)出的學生，已無法滿足新時代我國對創(chuàng)新型人才的需要。有必要從“新工科”建設(shè)的本質(zhì)和內(nèi)涵出發(fā)，探索適應應用型、復合型人才培養(yǎng)需求的“數(shù)字圖像處理”課程教學新模式。

2 OBE理念引導下“數(shù)字圖像處理”課程教學改革探索

伴隨著中國工程教育專業(yè)認證的熱潮，成果導向教育(Outcomes-based Education，OBE)逐漸被高等教育從業(yè)者所接受。將“以教學內(nèi)容為本”教學模式轉(zhuǎn)化為“以學生為中心”的教學模式，OBE的關(guān)注焦點是如何用學生的學習成效引導教學目標的制定、教學過程的實施和教學質(zhì)量的評價。具體來說，如何實現(xiàn)由“教材導向”的教學大綱向由“產(chǎn)出導向”的教學大綱的轉(zhuǎn)變；如何實現(xiàn)教學內(nèi)容從“教什么”向“學什么”的轉(zhuǎn)變；如何實現(xiàn)教學方法由“怎么教”向“怎么學”轉(zhuǎn)變；如何實現(xiàn)教學評價從“教得怎么樣”向“學得怎么樣”轉(zhuǎn)變。OBE強調(diào)學生的素質(zhì)培養(yǎng)和能力提高，強調(diào)教學質(zhì)量的持續(xù)改進。

2.1 OBE理念引導下的“數(shù)字圖像處理”課程教學目標設(shè)計

OBE理念引導的教學目標設(shè)計滿足以下相互作用關(guān)系：課程教學目標由畢業(yè)要求直接決定，畢業(yè)要求的達成又依賴于課程教學目標。按照OBE理念，“數(shù)字圖像處理”課程應能夠支撐畢業(yè)要求的若干指標點，由指標點決定該課程的教學要求，由教學要求決定該課程的教學內(nèi)容，然后通過教學評價發(fā)現(xiàn)教學過程中存在的問題，并將教學評價的結(jié)果用于畢業(yè)要求的達成度評價和課程教學體系改進。通過這一閉環(huán)系統(tǒng)，不斷完善“數(shù)字圖像處理”課程的各個教學環(huán)節(jié)。

目前，我校電子信息工程專業(yè)學生通過“數(shù)字圖像處理”課程的學習，應達到以下思政育人目標：(1)理想信念：引導學生要立鴻鵠志，堅定理想信念，把實現(xiàn)個人價值與實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢統(tǒng)一起來，努力成為中國特色社會主義合格建設(shè)者和可靠接班人。(2)正確三觀：堅定唯物主義世界觀，樹立科學人生觀，遵守社會主義核心價值觀，認識和改正自身不正確的價值追求。(3)科學精神：把專業(yè)知識與科學精神緊密融合，激發(fā)學生追求真理、實事求是、敢于探究與實踐、勇攀科學高峰的科學精神。(4)創(chuàng)新思維：對于遇到的問題要認真觀察與思考，要能探究其中所蘊含的規(guī)律，善于從事物與事物之間的聯(lián)系來分析并解決問題，具有迎難而上的勇氣與精神，培養(yǎng)學生卓越的創(chuàng)新思維。

通過“數(shù)字圖像處理”課程的學習，應達到以下知識能力目標：Z1掌握數(shù)字圖像、數(shù)字圖像處理、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的概念，理解圖像處理的目的及主要內(nèi)容，了解數(shù)字圖像處理的應用及發(fā)展動向；Z2掌握圖像數(shù)字化的基本原理，了解色度學基礎(chǔ)、顏色模型、數(shù)字圖像類型及圖像文件格式的概念，理解頻域與頻域變換的概念，掌握傅里葉變換的基本原理，掌握圖像比例縮放、圖像平移、圖像鏡像、圖像旋轉(zhuǎn)的基本原理，掌握二值形態(tài)學(膨脹、腐蝕、開運算、閉運算)、灰值形態(tài)學的基本原理，掌握圖像的基本特征、焦點特征的基本概念和紋理分析的基本原理；Z3掌握灰度變換、直方圖修正、圖像平滑、圖像銳化、偽彩色處理的基本原理，理解同態(tài)濾波的原理，理解頻域中圖像處理的實現(xiàn)，了解小波變換的原理，了解角點檢測的方法，掌握閾值分割、基于區(qū)域的分割、基于形態(tài)學的分割、邊緣檢測、分水嶺分割的基本原理，學會區(qū)域標記與輪廓跟蹤，了解局部不變特征點提取方法、理解圖像匹配的原理。能夠綜合運用該課程中包含的專業(yè)知識解決圖像處理領(lǐng)域的復雜工程問題；Z4能夠采用多種可行方案解決圖像處理領(lǐng)域的工程問題，通過分析比較可行方案的優(yōu)缺點獲取最佳解決方案。

表1 “數(shù)字圖像處理”課程教學目標與畢業(yè)要求的對應關(guān)系

2.2 OBE理念引導下“數(shù)字圖像處理”課程教學內(nèi)容設(shè)計

目前，我校電子信息工程專業(yè)本科生所修“數(shù)字圖像處理”課程的配套教材為何東健教授所著的國家級規(guī)劃教材《數(shù)字圖像處理(第3版)》，該教材中的教學內(nèi)容設(shè)計及課程進程安排比較適合本科生教學。為了貫徹OBE理念中教學內(nèi)容從“教什么”向“學什么”的轉(zhuǎn)變，我們在實際教學中對教學內(nèi)容進行了與時俱進的擴展，以使學生適應人工智能和數(shù)字圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展。具體教學改革措施如下：

在教學內(nèi)容中增設(shè)深度學習相關(guān)內(nèi)容。目前本校本課程的教學內(nèi)容比較基礎(chǔ)，無法跟上數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展步伐。我們在“數(shù)字圖像處理”課程教學過程中，增加了基于深度學習“數(shù)字圖像處理”相關(guān)內(nèi)容的介紹。通過增加圖像去雨去霧去摩爾紋、腦腫瘤分割、無人機目標跟蹤等實例，激發(fā)學生的學習興趣。通過拓寬學生的知識面，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

表2 部分章節(jié)的教學補充內(nèi)容

2.3 OBE理念引導下的“數(shù)字圖像處理”課程教學方式設(shè)計

隨著社會信息化的快速推進，圖像處理在工業(yè)信息化中發(fā)揮了不可或缺的作用。因此，圖像處理的內(nèi)容不僅僅要強調(diào)基礎(chǔ)知識，更要與當前應用緊密結(jié)合，引入前沿專題講座，把相關(guān)科研項目和實際項目以“實例”形式引入教學內(nèi)容中。以病理檢測為例，采用人工智能與醫(yī)學大數(shù)據(jù)相結(jié)合的智能診斷技術(shù)對癌癥進行早期診斷與篩查，可以有效緩解醫(yī)生的工作壓力，提高醫(yī)學診斷的可靠性。這就需要開發(fā)篩選癌細胞的自動診斷系統(tǒng)，包含細胞顯微圖像讀取、圖像預處理、圖像分割、特征參數(shù)提取和檢測識別等核心技術(shù)。以圖像預處理為例，手機在夜間拍攝圖像存在大量噪聲，需要引入圖像預處理技術(shù)進行去噪；以消除圖像的運動模糊為例，手機拍攝運動目標時常常出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，可要求學生獨立分析這一問題并提出可行的解決方案等，這就要求學生深入理解運動模糊的基礎(chǔ)知識。通過這種方式，不僅增強了學生的學習興趣，增添了課堂氣氛，也讓學生認識到課程的重要性。

“實例”教學模式的實施主要包括以下幾個部分。(1)采集適當應用“實例”：調(diào)研工廠、醫(yī)院、企業(yè)的實際需求，收集課題構(gòu)成“實例”項目群。(2)“實例”項目分配：針對每個項目，分配2～3名學生組成一個項目小組。(3)“實例”項目實施：在項目實施過程中，每組需要在課堂上講解項目實施中遇到的問題和難點，尋求老師和其他學生的幫助；每個組定期匯報項目進展，大約設(shè)置2～3次上臺講解的機會。(4)項目評價：每個項目必須有項目設(shè)計報告和驗收報告，并給出實驗演示。每個組的項目評價由本組的成員評分、其他組組長評分和教師評定。

最后，以項目成果為手段，采用豐富多樣的形式展示教學內(nèi)容。這樣不僅能夠提高教學的趣味性，激發(fā)學生的學習熱情，還可以調(diào)動學生的探索精神。通過引入數(shù)字圖像處理的實際應用案例和相關(guān)科研內(nèi)容，增加圖像處理基礎(chǔ)知識的教學趣味性，提高學生的自覺性和主動性。此外，還能夠通過運用圖像處理相關(guān)知識分析和解決具體問題，讓學生對數(shù)字圖像處理技術(shù)有整體的認識，提升學生解決實際問題的能力。

2.4 OBE理念引導下“數(shù)字圖像處理”課程考核方式設(shè)計

以O(shè)BE為導向的教學體系，注重過程化的課程考核模式，并強調(diào)建立持續(xù)評價和過程化的閉環(huán)反饋機制。支持課程教學目標的過程化考評是OBE為導向教學改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，“數(shù)字圖像處理”課程目標達成的評價方式仍然單一，只重視終結(jié)性評價，而忽視過程性評價。除了對期末考試成績直接評價外，大多只針對學生作業(yè)甚至考勤做出評價，評價方法不能真正反映學生的學習質(zhì)量。課程主講教師習慣于“面向教學內(nèi)容”的課程評價方法，很難接受“面向產(chǎn)出”的評價方法?！懊嫦虍a(chǎn)出”的評價方法是指，課程的教學評價是為了判斷課程教學目標是否達成，而不是判斷教學內(nèi)容是否掌握。

本課程注重形成性過程考核，采用百分制記分方式。包括期末考試成績、期中考試成績、平時成績(包括作業(yè)和課堂表現(xiàn))、實驗成績，其中平時成績占15%，實驗成績占25%，期中考試成績占15%，期末考試成績占45%?？荚嚪绞綖殚]卷，考試題包括基本概念、基本理論、基本分析方法等，題型可采用填空題、選擇題、判斷題、簡答題、計算題和綜合分析題等多種形式?？己藘?nèi)容應覆蓋主要教學內(nèi)容，體現(xiàn)對課程目標和支撐的畢業(yè)要求指標點達成度的評價，考核環(huán)節(jié)與課程目標的對應關(guān)系及分值見表3。

表3 考核環(huán)節(jié)與課程目標的對應關(guān)系及分值表

課程組在“數(shù)字圖像處理”課程教學過程中構(gòu)建的持續(xù)改進過程考核方案，從對知識點的考核逐步過渡到解決實際問題能力達成度的考核。連續(xù)三年的教學實踐說明了本課題設(shè)計的課程過程考核方案的有效性。

結(jié)語

“數(shù)字圖像處理”課程是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，主要內(nèi)容包括數(shù)字圖像的采集、顯示和處理的基本概念、基本算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過學習該課程，可為電子信息類學生從事計算機視覺、圖像模式識別和信息處理技術(shù)相關(guān)的工程應用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。在OBE理念引導下進行“數(shù)字圖像處理”課程的教學改革，以學生的學習效果評價教學成效，實現(xiàn)從“以知識傳授為中心”到“以學生為中心”的教學理念轉(zhuǎn)變，通過調(diào)整課程教學目標提高該課程對畢業(yè)要求指標點的支撐度。通過改變傳統(tǒng)授課模式，在教學內(nèi)容中融入數(shù)字圖像處理的最新發(fā)展成果，采用實例教學模式和項目驅(qū)動的學習方法，在成績評定中加入多樣化的過程考核等手段，有效提高了該課程的教學效果。