以實(shí)踐案例為引導(dǎo)的數(shù)字圖像處理研究性教學(xué)課程改革

尹 嬙，胡 偉，李瑞瑞，冉 瓊，楊巧寧，張 帆

（北京化工大學(xué)，北京 100029）

數(shù)字圖像處理課程是電子信息工程和通信工程等相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在現(xiàn)代科學(xué)、工程和技術(shù)領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色。數(shù)字圖像處理是一門關(guān)注數(shù)字圖像獲取、處理和分析的學(xué)科，它已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中無(wú)處不在的技術(shù)。數(shù)字圖像處理的教育與研究不僅直接影響到學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，還深刻影響到社會(huì)的科技進(jìn)步和創(chuàng)新能力。隨著數(shù)字?jǐn)z影、醫(yī)學(xué)影像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理的重要性越發(fā)凸顯。

高水平研究型大學(xué)的一個(gè)核心使命和責(zé)任就是建立“知識(shí)、能力、人格”三位一體的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。創(chuàng)新是時(shí)代的主題，培養(yǎng)創(chuàng)新人才是高校的重要使命之一。借北京化工大學(xué)關(guān)于“三個(gè)轉(zhuǎn)變”[1]教學(xué)改革的春風(fēng)，本文探討了數(shù)字圖像處理課程如何實(shí)現(xiàn)“以教為主”向“以學(xué)為主”的轉(zhuǎn)變，“課堂為主”向“課內(nèi)外結(jié)合”轉(zhuǎn)變，以及“結(jié)果評(píng)價(jià)為主”向“結(jié)果和過(guò)程評(píng)價(jià)結(jié)合”轉(zhuǎn)變。通過(guò)研究性示范課建設(shè)，以“激發(fā)學(xué)生對(duì)這門課學(xué)習(xí)的熱情和興趣，使學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到發(fā)揮，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維”為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變[2]、教學(xué)內(nèi)容的提純[3]。培養(yǎng)具有理論基礎(chǔ)[4]又具有實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才，初步地實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理課程的多元化教學(xué)方法改革[5-8]。具體措施主要包括修訂教學(xué)大綱優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法及考核評(píng)價(jià)方法等。

一 傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)方法存在著多重問(wèn)題，這些問(wèn)題限制了學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)和數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。第一，理論與實(shí)踐之間的脫節(jié)問(wèn)題顯著[9]。傳統(tǒng)教學(xué)方法偏重于理論知識(shí)的傳授，卻忽視了實(shí)際應(yīng)用的重要性。學(xué)生缺乏將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題解決的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中不夠嫻熟。第二，傳統(tǒng)教學(xué)方法未充分整合跨學(xué)科元素。數(shù)字圖像處理領(lǐng)域本質(zhì)上跨足多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，然而，傳統(tǒng)教學(xué)常常將其納入特定學(xué)科范疇，未能引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)學(xué)科的交叉知識(shí)，從而限制了其綜合理解。第三，缺乏互動(dòng)和合作機(jī)會(huì)是傳統(tǒng)教學(xué)方法的普遍問(wèn)題。課堂傳授往往以理論學(xué)習(xí)為主，采用單向傳授知識(shí)的方式，未能鼓勵(lì)學(xué)生之間的積極互動(dòng)和協(xié)作，這種情況阻礙了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和溝通技能的培養(yǎng)。綜上所述，缺乏實(shí)際應(yīng)用導(dǎo)向是傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理教育最重要的問(wèn)題[10]。學(xué)生未能獲得將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于真實(shí)問(wèn)題解決的機(jī)會(huì)，這限制了他們實(shí)踐技能和解決實(shí)際問(wèn)題能力的發(fā)展，及其所具有的信息技術(shù)相關(guān)素養(yǎng)的形成和提升。

二 研究性教學(xué)實(shí)踐

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在分析數(shù)字圖像處理教學(xué)現(xiàn)有問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本文給出了基于三個(gè)轉(zhuǎn)變的研究性教學(xué)改革。

（一）提升能力和素養(yǎng)目標(biāo)占比

首先對(duì)教學(xué)大綱中的課程目標(biāo)進(jìn)行了梳理凝練，并修改完善了課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的支撐關(guān)系，通過(guò)改進(jìn)考核評(píng)價(jià)方法，在進(jìn)一步完成課程目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)及畢業(yè)要求達(dá)成評(píng)價(jià)形成閉環(huán)的基礎(chǔ)上，對(duì)課程目標(biāo)及其支撐情況進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。在知識(shí)、能力和素養(yǎng)三個(gè)課程目標(biāo)中，教學(xué)過(guò)程和考核評(píng)價(jià)過(guò)程中加大后兩個(gè)課程目標(biāo)的比重，增大問(wèn)題分析解決能力和使用工具等專業(yè)素養(yǎng)所占的比例，對(duì)于第一個(gè)知識(shí)理論的學(xué)習(xí)部分調(diào)整為學(xué)生線上自學(xué)的形式。三個(gè)課程目標(biāo)具體如圖1 所示。

圖1 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)聯(lián)圖

知識(shí)目標(biāo)：掌握數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)；能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)電子信息系統(tǒng)及軟件、硬件模塊進(jìn)行研究。針對(duì)電子信息工程的復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、解釋，并通過(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

能力目標(biāo)：能夠應(yīng)用數(shù)字圖像處理理論，針對(duì)數(shù)字圖像問(wèn)題設(shè)計(jì)合理的解決方案；能夠運(yùn)用電子信息工程專業(yè)相關(guān)的基本設(shè)計(jì)原理與方法，針對(duì)相關(guān)復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)計(jì)合理的解決方案；針對(duì)特定需求，設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)和要求的系統(tǒng)、軟硬件單元（部件）或工藝流程，在設(shè)計(jì)中能夠綜合利用電子信息工程的專業(yè)知識(shí)和新技術(shù)，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)；至少掌握一種軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并能夠運(yùn)用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行復(fù)雜程序設(shè)計(jì)。

素質(zhì)目標(biāo)：能夠運(yùn)用工具軟件，解決數(shù)字圖像處理問(wèn)題；能夠基于工程相關(guān)背景知識(shí)，并結(jié)合思政、人文、社科類課程的知識(shí)，合理分析和評(píng)價(jià)專業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任；理解環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵與意義；了解環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本方針、政策及法律、法規(guī)，能夠正確理解電子信息及通信領(lǐng)域工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。

由圖1 可知，課程目標(biāo)與畢業(yè)要求相對(duì)應(yīng)。其中，知識(shí)目標(biāo)對(duì)應(yīng)工程知識(shí)和問(wèn)題分析，能力目標(biāo)對(duì)應(yīng)問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、研究和終身學(xué)習(xí)，素養(yǎng)目標(biāo)對(duì)應(yīng)研究、使用現(xiàn)代工具和終身學(xué)習(xí)。

課程最終考核成績(jī)由課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、課堂實(shí)驗(yàn)和期末測(cè)試成績(jī)綜合評(píng)定，并以此為依據(jù)進(jìn)行課程目標(biāo)達(dá)成情況的評(píng)價(jià)。課程考核方式和內(nèi)容及其對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 課程考核方式和內(nèi)容及其對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系

（二）研究性教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)一步凝練主線內(nèi)容，圍繞圖像處理的基礎(chǔ)理論，圖像的空域和頻域處理，圖像復(fù)原及圖像壓縮這些主干理論章節(jié)，將形態(tài)學(xué)處理及圖像分割應(yīng)用內(nèi)容調(diào)整為教師介紹，學(xué)生自學(xué)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展的形式進(jìn)行。并在所有主干章節(jié)設(shè)計(jì)了不同完成形式要求的研究性作業(yè)，見(jiàn)表2。

表2 主干章節(jié)設(shè)計(jì)研究性作業(yè)

課程團(tuán)隊(duì)面向本校電子信息工程和通信工程專業(yè)開(kāi)設(shè)了研討班，并在圓桌型研討教室進(jìn)行授課。該教學(xué)形式更加有利于學(xué)生分組開(kāi)展教學(xué)研討活動(dòng)。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員主要研究的遙感圖像/醫(yī)學(xué)圖像處理內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)值得研究的問(wèn)題，以此為依據(jù)進(jìn)行方法設(shè)計(jì)，以查找公開(kāi)共享的圖像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)收集手段，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與初步分析，運(yùn)用所學(xué)數(shù)字圖像處理知識(shí)，借助計(jì)算機(jī)工具（MATLAB 軟件、ENVI 軟件）進(jìn)行處理算法實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化分析，進(jìn)行應(yīng)用型方法研究，并撰寫研究報(bào)告。

其中，給學(xué)生分組有利于小組討論，小組討論形式可以分為三種，一種是針對(duì)授課教師提出的問(wèn)題，開(kāi)展討論、確定解決思路和方案，稱之為“相同問(wèn)題，不同方法”；一種是根據(jù)授課教師講授的專業(yè)知識(shí)和理論，開(kāi)展小組討論、確定其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用方法，此謂“不同問(wèn)題，相同方法”；一種是授課教師提出大的框架與領(lǐng)域，開(kāi)展小組討論，選擇不同方法解決不同領(lǐng)域的類似問(wèn)題，此謂“不同問(wèn)題，不同方法”。

總而言之，研究性問(wèn)題是隨應(yīng)用場(chǎng)景變化、多維影響因素、無(wú)唯一答案的開(kāi)放式問(wèn)題。教師針對(duì)包含研究性問(wèn)題的學(xué)生作業(yè)的個(gè)性化講解分析，使得學(xué)生深入理解掌握探索研究性問(wèn)題的方法，提升工程實(shí)踐能力。

小組討論內(nèi)容：針對(duì)教師給定的自然圖像增強(qiáng)問(wèn)題，小組討論其作用、不同的處理方法以及增強(qiáng)后的應(yīng)用目標(biāo)；針對(duì)教師講解的均值濾波、中值濾波等時(shí)域?yàn)V波方法，討論其在自然圖像、光學(xué)圖像、雷達(dá)圖像等領(lǐng)域的應(yīng)用方法，確定不同應(yīng)用方法對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置情況；針對(duì)教師提出的圖像分類領(lǐng)域，小組討論針對(duì)自然圖像、光學(xué)圖像、雷達(dá)圖像等不同領(lǐng)域的多種不同分類方法，結(jié)合不同種類圖像的特點(diǎn)，給出選擇不同分類方法的原因和設(shè)計(jì)方案。

評(píng)價(jià)形式：評(píng)價(jià)內(nèi)容包括小組討論過(guò)程的參與度、圖像處理方法設(shè)計(jì)過(guò)程的貢獻(xiàn)度、解決方案展示過(guò)程的表現(xiàn)度等“三度”來(lái)實(shí)施評(píng)分，其中參與度占30%，貢獻(xiàn)度占50%，表現(xiàn)度占20%。打分根據(jù)兩級(jí)制給出。首先，教師根據(jù)各個(gè)小組的完成情況、答辯情況，給出小組平均分；然后，小組內(nèi)部成員之間根據(jù)“三度”進(jìn)行打分，根據(jù)互評(píng)結(jié)果和小組平均分得到小組成員的各自評(píng)分。這樣兩級(jí)的評(píng)分形式的好處在于突出了學(xué)生是教學(xué)主體的概念，學(xué)生不僅參與到教學(xué)中，而且參與到教學(xué)評(píng)價(jià)中。在教師給出的評(píng)價(jià)成績(jī)大框架下，通過(guò)“三度”互評(píng)機(jī)制，更加真實(shí)地反映了小組討論這一教學(xué)形式的學(xué)生學(xué)習(xí)、投入情況，避免了傳統(tǒng)分組教學(xué)形式中學(xué)生參與度不夠、懶散等情況。

（三）典型實(shí)踐案例建設(shè)

根據(jù)三個(gè)轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)三類典型的數(shù)字圖像處理案例，以問(wèn)題為導(dǎo)向啟發(fā)學(xué)生、激起學(xué)習(xí)興趣，注重實(shí)踐和動(dòng)手能力，增加學(xué)生的編程能力，提升數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)效果。主要案例設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 典型實(shí)踐案例與理論內(nèi)容覆蓋關(guān)系圖

基礎(chǔ)光學(xué)圖像案例：針對(duì)圖2（a），按照所學(xué)到的圖像剪切、灰度變換、濾波、消噪與校正等知識(shí)進(jìn)行車牌檢測(cè)，要求小組內(nèi)分工完成，提交代碼和報(bào)告。

遙感圖像案例：針對(duì)圖2（b），按照所學(xué)到的灰度變換、圖像腐蝕、和模板運(yùn)算等知識(shí)進(jìn)行飛機(jī)目標(biāo)檢測(cè)，要求小組內(nèi)分工完成，提交代碼和報(bào)告。

醫(yī)學(xué)圖像案例：針對(duì)圖2（c），按照所學(xué)到的模板運(yùn)算、形態(tài)學(xué)濾波和傅里葉變換等知識(shí)進(jìn)行細(xì)胞邊緣檢測(cè)、癌細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析和癌細(xì)胞顏色分析，要求小組內(nèi)分工完成，提交代碼和報(bào)告。

（四）教學(xué)效果

在本次教學(xué)改革中，我們采取了一系列創(chuàng)新性的措施，以提高數(shù)字圖像處理課程的質(zhì)量和效果。這些改革得到了顯著的成效，以下是其中的三個(gè)案例，證明了教學(xué)改革的成功。

圖3 中的車牌識(shí)別實(shí)踐體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)知識(shí)算法掌握熟練，并且有能力設(shè)計(jì)出完整的實(shí)驗(yàn)流程，擁有解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

以圖4 中遙感圖像的飛機(jī)檢測(cè)識(shí)別為例，通過(guò)研究性教學(xué)過(guò)程，學(xué)生高質(zhì)量地完成了問(wèn)題解決方案的制定及其編程實(shí)現(xiàn)。在醫(yī)學(xué)圖像案例中，學(xué)生們通過(guò)對(duì)細(xì)胞圖像的深入研究和處理，不僅成功獲得了數(shù)字圖像處理的實(shí)際操作技能，而且建立了初步的對(duì)醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域的認(rèn)知和理解。

圖4 學(xué)生分組大作業(yè)飛機(jī)檢測(cè)、細(xì)胞邊緣檢測(cè)及癌細(xì)胞分析結(jié)果

學(xué)生通過(guò)具體的案例操練了以往學(xué)過(guò)的圖像處理方法，對(duì)如何應(yīng)用這些方法有了大致了解，漸漸不再對(duì)圖像識(shí)別感到神秘。無(wú)論是在個(gè)人大作業(yè)中還是小組大作業(yè)中，都很好地將數(shù)字圖像處理的知識(shí)在MATLAB等仿真軟件中應(yīng)用。

三 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究性示范課建設(shè)，成功實(shí)施了數(shù)字圖像處理課程的三個(gè)轉(zhuǎn)變教學(xué)方法改革。小組研討學(xué)習(xí)方式充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使其積極參與，從而提升了學(xué)習(xí)質(zhì)量。同時(shí)，大規(guī)模引入實(shí)驗(yàn)?zāi)K，鼓勵(lì)學(xué)生親自動(dòng)手編程進(jìn)行圖像處理，有力加深了學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理基本概念的理解。此外，緊密結(jié)合授課內(nèi)容與教師研究方向，幫助學(xué)生初步了解新興的圖像處理方法和在對(duì)地觀測(cè)遙感領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，使其對(duì)數(shù)字圖像處理方法有了更深刻的認(rèn)識(shí)。這些改革措施為圖像處理課程帶來(lái)了明顯的多樣性和深度，為學(xué)生的綜合素質(zhì)提升和對(duì)該領(lǐng)域的深入理解提供了有效手段，也為遙感圖像處理、醫(yī)學(xué)圖像處理等研究生專業(yè)課提供了先修課基礎(chǔ)。