前沿技術(shù)實際應(yīng)用案例化教學(xué)研究

韓瑩 王小英 袁靜

摘 要：隨著科技的不斷進步，數(shù)字圖像處理領(lǐng)域不斷地涌現(xiàn)新技術(shù)和創(chuàng)新，導(dǎo)致“數(shù)字圖像處理”課程呈現(xiàn)出了一些教學(xué)內(nèi)容滯后問題。在新工科背景下，本文建立了一個數(shù)字圖像前沿應(yīng)用技術(shù)教學(xué)案例庫，同時通過數(shù)字圖像科研論文閱讀與分享，迭代性的整理并更新實踐教學(xué)案例，采用案例化驅(qū)動教學(xué)模式，同時為學(xué)生提供具有評估標(biāo)準的實踐任務(wù)。這一教學(xué)研究有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓眼界，并確保他們對前沿技術(shù)有深入的理解和掌握。

關(guān)鍵字：數(shù)字圖像處理，前沿技術(shù)，案例化教學(xué)，教學(xué)研究

中圖分類號：G640? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1002-4107（2024）06-00? -03

一、引言

新工科背景下的教育改革是指面對現(xiàn)代社會對工程技術(shù)人才的需求變化和新興技術(shù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)，以及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐能力和跨學(xué)科合作能力等要求，對工科教育進行革新和改進的一系列措施和實踐[1]。工科教育改革的核心目標(biāo)是培養(yǎng)具備綜合素養(yǎng)、問題解決能力和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才，以適應(yīng)快速變化的社會和科技環(huán)境[2]。新工科一個重要的特點是強調(diào)實踐性[3]。

案例化教學(xué)是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，通過向?qū)W生提供真實或虛擬的案例，引導(dǎo)他們分析、討論、解決問題，并從中獲取知識和經(jīng)驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和提高學(xué)習(xí)興趣。

新工科注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和解決實際問題的能力[1]。而案例化教學(xué)則提供了一種實踐導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方法，通過真實或虛擬的案例情境，讓學(xué)生參與解決實際問題的過程，培養(yǎng)他們的實踐技能和綜合能力。通過將案例化教學(xué)與新工科的理念和目標(biāo)結(jié)合起來，可以促進學(xué)生更深入地理解理論知識，并培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力以及解決實際問題的能力，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)新工科時代對工程技術(shù)人才的要求。

二、“數(shù)字圖像處理”前沿應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

隨著數(shù)字圖像處理應(yīng)用需求的不斷擴大，數(shù)字圖像處理不斷地涌現(xiàn)新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用在多個領(lǐng)域都體現(xiàn)出了深遠的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.計算機視覺和深度學(xué)習(xí)：深度學(xué)習(xí)技術(shù)，特別是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）已經(jīng)在圖像分類、目標(biāo)檢測、圖像分割和圖像生成等方面取得了顯著的成功[4]。

2.醫(yī)學(xué)影像處理：在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理前沿技術(shù)應(yīng)用包括計算機輔助診斷（CAD）系統(tǒng)，主要用于提高醫(yī)學(xué)影像的診斷準確性[5]。

3.自動駕駛和機器視覺：圖像處理技術(shù)在自動駕駛汽車中起著關(guān)鍵作用，包括道路識別、障礙物檢測和行人檢測等[6]。

4.增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實：在增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）應(yīng)用中，圖像可以處理用于實時跟蹤和渲染虛擬對象，使得用戶能夠與虛擬世界進行交互[7]。

5.大規(guī)模圖像分析： 云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)的存儲和分析變得更加容易，包括圖像檢索、情感分析、社交媒體圖像分析等[8]。

以上這些技術(shù)的應(yīng)用正在不斷地擴展數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的邊界，使其更加多樣化和創(chuàng)新。新技術(shù)的涌現(xiàn)對教學(xué)產(chǎn)生了廣泛影響，特別是“數(shù)字圖像處理”課程。

三、“數(shù)字圖像處理”教學(xué)現(xiàn)狀

“數(shù)字圖像處理”是一門涉及計算機科學(xué)和圖像處理領(lǐng)域的課程，它研究如何對數(shù)字圖像進行獲取、表示、處理和分析。“數(shù)字圖像處理”課程介紹了數(shù)字圖像獲取、表示、處理和分析的基本概念、算法和技術(shù)。然而目前該課程在教學(xué)過程中存在一些嚴重的不足，表現(xiàn)為以下幾點：

1.理論脫離實際應(yīng)用，課程過于注重理論知識和算法，忽視實際應(yīng)用。灌輸式的理論教學(xué)讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐漸失去學(xué)習(xí)興趣。

2.缺乏案例教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對真實圖像處理任務(wù)不熟悉，無從下手。

3.內(nèi)容滯后，隨著科研技術(shù)和應(yīng)用擴展，圖像處理技術(shù)的新技術(shù)和工具也得到不斷地的提升，教材和教學(xué)內(nèi)容沒有及時跟進前沿的發(fā)展，導(dǎo)致知識滯后于實際的市場應(yīng)用需求。

4.缺乏綜合能力的培養(yǎng)，由于課程過于注重特定技術(shù)細節(jié)，只見樹木不見森林，導(dǎo)致一些綜合能力得不到很好地培養(yǎng)，如創(chuàng)新思維能力，團隊合作能力等。

為了改進“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)現(xiàn)狀中的不足，基于新工科背景，本文采用案例化驅(qū)動教學(xué)模式，強調(diào)實踐應(yīng)用，引入前沿案例教學(xué)，迭代式更新教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)綜合能力等，具體實現(xiàn)方法如下所述。

四、“數(shù)字圖像處理”課程的案例化教學(xué)研究方法

進行“數(shù)字圖像處理”課程的案例化教學(xué)研究時，可以采用以下方法。

（一）構(gòu)建數(shù)字圖像處理前沿應(yīng)用案例庫

教學(xué)案例在選擇時，側(cè)重真實性、應(yīng)用性和前沿性，例如醫(yī)學(xué)影像處理、遙感圖像處理，自動駕駛等，同時要涵蓋課程中關(guān)鍵概念、技術(shù)和技能要求。不僅要區(qū)分出不同圖像處理任務(wù)和難度級別，同時考慮到學(xué)生的興趣，選擇有趣的前沿案例，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和解決實際應(yīng)用問題的能力。如圖1給出了幾個體現(xiàn)前沿應(yīng)用的實際教學(xué)案例，分別為指紋識別、文字識別、車道檢測、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的細胞識別和人體骨架輪廓檢測等，并針對不同的教學(xué)案例適當(dāng)引入機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法。

（二）設(shè)計合適的教學(xué)案例

以“在圖像上做文字識別”案例為例，下面分步驟給出了一套完整的教學(xué)案例設(shè)計過程。

1.案例描述，文字識別現(xiàn)階段在多個領(lǐng)域和場景中均有實際應(yīng)用，例如車牌識別，道路標(biāo)志識別，建筑物識別，從印刷體中提取文字，以及圖像檢索等。它能從圖像中準確提取文本信息，支持文字轉(zhuǎn)換為可編輯或用于文本處理的電子文本，便于用戶進行搜索、編輯和存檔等操作。

2.目標(biāo)設(shè)置，目標(biāo)是圖像中準確提取并轉(zhuǎn)換文本信息。

3.算法和關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)鍵的技術(shù)包括讀取圖像、灰度化處理、高斯濾波、二值化、找輪廓、透視變換，調(diào)用OCR庫識別文字，以及后期矯正等。

4.案例具體解決步驟及實踐操作包括讀取圖像、灰度化處理、圖像增強、二值化、找近似輪廓、透視變換、識別文字，輸出文字及人工矯正等。使用計算機編程語言（如Python）實現(xiàn)文字識別的整個步驟。

在最后的文字識別采用調(diào)用現(xiàn)有的OCR庫來實現(xiàn)，也可以通過深度學(xué)習(xí)，自己訓(xùn)練數(shù)據(jù)來實現(xiàn)文本識別，不過這樣會增加案例的難度，對一個課堂案例來說內(nèi)容太多，所以更適合于直接調(diào)用現(xiàn)有庫來實現(xiàn)最后的識別工作。

（三）實踐以及實驗任務(wù)設(shè)置

在課程設(shè)計中，通過以下方式設(shè)計與教學(xué)案例相關(guān)的實際應(yīng)用實踐作業(yè)，以促進學(xué)生的理解和實踐能力。首先設(shè)置與教學(xué)案例相關(guān)的簡答題，例如回答教學(xué)案例背景，解決方案，關(guān)鍵算法等。然后給定一個相關(guān)的數(shù)字圖像處理的案例庫，要求學(xué)生自選一個圖像實踐任務(wù)，并應(yīng)用教學(xué)案例所學(xué)的知識進行處理。并且學(xué)生需要使用編程語言實現(xiàn)與教學(xué)案例相關(guān)的算法，加強他們的動手實踐能力和編程技能。最后將學(xué)生分小組，要求小組撰寫一份報告，總結(jié)解決問題的方法、團隊合作等方面的內(nèi)容。鼓勵對教學(xué)案例進行擴展性的研究和應(yīng)用，設(shè)置更有挑戰(zhàn)性任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（四）實踐任務(wù)評價指標(biāo)設(shè)置

根據(jù)實驗任務(wù)，以“在圖像中做文字識別”為例，制定以下評價指標(biāo)：

1.準確性：這一指標(biāo)涉及到文字識別結(jié)果與實際圖像中文字的匹配程度，需要詳細考察每個字符或單詞識別的準確性，確保識別結(jié)果盡可能地符合原始圖像中的文本。

2.完整性：評估文字識別結(jié)果是否覆蓋了圖像中的所有文字信息，確保沒有遺漏任何文本區(qū)域，以便整個文本內(nèi)容都被成功識別。

3.魯棒性：該指標(biāo)要求算法具有對于不同質(zhì)量的圖片的適應(yīng)能力，如模糊圖像、文字大寫、字體風(fēng)格、因為光照條件造成低對比度等因素，以驗證算法在各種情況下的魯棒性。

4.多語言支持：評估算法對于不同字母表、語言結(jié)構(gòu)和語法的自適應(yīng)能力，確保算法在多種語言環(huán)境中的表現(xiàn)良好。

5.實踐效率：除了考慮準確性和全面性之外，還需要評估算法處理速度和效率，包括算法在大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)上的執(zhí)行效率分析，以確保在各種實際應(yīng)用中具有合理的計算能力。

不同實踐案例任務(wù)提供不同的評價指標(biāo)，通過評價指標(biāo)有助于學(xué)生理解算法性能、改進算法，為學(xué)生提供更具挑戰(zhàn)性任務(wù)，培養(yǎng)其解決實際問題的能力。

（五）周期性閱讀數(shù)字圖像前沿處理技術(shù)科研論文

在數(shù)字圖像處理課程中引入科研論文閱讀、分享、討論和案例研究是一種非常有效的教學(xué)手段，能夠幫助學(xué)生更深入地理解理論知識，并將其應(yīng)用于實際場景。挑選與數(shù)字圖像處理相關(guān)的科研論文，布置閱讀任務(wù)，按小組為單位，定期進行一次論文閱讀分享，并以PPT的方式進行分享和討論論文中的前沿技術(shù)，以深化學(xué)生理解和掌握數(shù)字圖像應(yīng)用領(lǐng)域的理解及處理流程。實施步驟如下：

1.精選科研論文：以小組為單位，每個閱讀周期共同討論并選擇一篇最新數(shù)字圖像處理技術(shù)的科研論文，確保所選論文與小組成員的研究興趣相關(guān)。

2.獨立閱讀：每位小組成員首先獨立閱讀論文，以了解其內(nèi)容、方法、核心技術(shù)和發(fā)現(xiàn)。

3.小組討論：安排小組討論會議，讓每位成員分享對論文的理解和觀點。包括關(guān)鍵觀點、研究方法、實驗結(jié)果和討論部分等內(nèi)容。

4.小組成員以PPT形式分享論文，討論論文的核心內(nèi)容、亮點和創(chuàng)新之處。同時探討論文的局限性和未來研究方向。

5.復(fù)現(xiàn)并引入：小組可以嘗試復(fù)現(xiàn)該算法，老師可以將案例引入后期的課堂教學(xué)中，作為新的教學(xué)案例，為下一輪的教學(xué)任務(wù)添加新的教學(xué)案例。同時，擯棄已經(jīng)過時的舊教學(xué)案例，確保教學(xué)內(nèi)容的更新與迭代。

通過對前沿科研論文的閱讀和分享，不僅讓學(xué)生深入了解前沿的數(shù)字圖像處理技術(shù)，感受案例的多樣性和真實性，拓寬他們的視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且有助于掌握數(shù)字圖像技術(shù)分析和處理的流程，培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)字圖像處理技術(shù)解決實際問題的能力，批判性思維和研究技能，提高對數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的理解。同時有助于授課老師收集到更多更新的教學(xué)案例，從而豐富前沿應(yīng)用的“高級數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)案例資源庫。

（六）教學(xué)材料整理和資源共享

在進行案例化教學(xué)時，為學(xué)生提供全面的教學(xué)支持和資源是至關(guān)重要的。首先，提供精心設(shè)計的教學(xué)課件，其次建立數(shù)字圖像案例庫，并設(shè)計課程，提供詳細的案例分析，包括案例的關(guān)鍵問題、解決思路、可能的挑戰(zhàn)等；在學(xué)生實踐任務(wù)方面，設(shè)計與教學(xué)案例相關(guān)的實驗，提供相應(yīng)的實驗指導(dǎo)和評價指標(biāo)。有條件的情況下錄制相關(guān)的教學(xué)輔助視頻等，然后將所有的教學(xué)材料上傳到教學(xué)在線平臺，方便學(xué)生隨時獲取，實現(xiàn)線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式。

（七）教學(xué)考核與評價

在教學(xué)的考核和評價環(huán)節(jié)中，期末考試成績占比70%，期末考試仍然以處理大型的任務(wù)為主要考核目標(biāo)；平時考核成績占比30%，考核內(nèi)容主要為案例引申出的開放性作業(yè)，學(xué)生自主選擇任務(wù)集中的作業(yè)，通過提交代碼或報告的方式來完成，并把科研論文的分享納入平時成績考核之內(nèi)。通過兩輪教學(xué)之后，以實際前沿應(yīng)用為案例的案例驅(qū)動教學(xué)與之前傳統(tǒng)的純理論教學(xué)相比，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)習(xí)興趣，查閱文獻能力，討論和合作能力以及實踐能力有很大的提升，對本門課教學(xué)的認可度也有很大的提高。

五、結(jié)語

新工科背景下的教育改革旨在培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才，案例化教學(xué)作為一種實踐導(dǎo)向的教學(xué)方法，能夠有效促進學(xué)生的實踐能力和綜合能力的培養(yǎng)。在“數(shù)字圖像處理”課程中，傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題包括理論與實際應(yīng)用的脫節(jié)、缺乏案例教學(xué)、內(nèi)容滯后和缺乏綜合能力的培養(yǎng)等。為了改善這些問題，本文采用案例化驅(qū)動教學(xué)模式，選擇前沿數(shù)字圖像處理案應(yīng)用技術(shù)的例集，設(shè)計教學(xué)案例，提供實踐實施配套任務(wù)，并給出相應(yīng)的結(jié)果評估指標(biāo)。此外，還倡導(dǎo)學(xué)生閱讀并分享前沿數(shù)字圖像科研論文，把論文中好的案例整理并引入下一輪教學(xué)中，形成教學(xué)內(nèi)容的新舊迭代。通過綜合應(yīng)用前沿案例化教學(xué)和新工科理念，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊合作、解決實際問題等各種能力，有助于他們適應(yīng)快速變化的社會和科技環(huán)境。該研究為教育改革提供了有益的指導(dǎo)和啟示，對提升教育質(zhì)量具有重要的意義。

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編輯/王力

作者簡介：韓瑩，女，副教授，研究方向為數(shù)字圖像處理技術(shù)；王小英，女，教授，研究方向為大數(shù)據(jù)技術(shù)；袁靜，女，副教授，研究方向為數(shù)字圖像處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)。

基金項目：防災(zāi)科技學(xué)院教育研究與教學(xué)改革項目“新工科背景下‘?dāng)?shù)字圖像處理課程的教學(xué)案例化建設(shè)研究”（JY2023B42）；河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“基于工程思維的‘?dāng)?shù)字圖像處理課程內(nèi)容重構(gòu)”（2021GJJG486）