朱士虎

（江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，徐州 221116）

《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

朱士虎

（江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，徐州 221116）

《數(shù)字圖像處理》是一門發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，在課程教學(xué)中應(yīng)用創(chuàng)新的教學(xué)理念，注重基礎(chǔ)理論和科技前沿相結(jié)合，在理論中滲透實(shí)踐，在實(shí)踐中融入理論；從教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)方法改進(jìn)、教學(xué)評價等多方面進(jìn)行教學(xué)改革與探索，提出一系列可行的教改方案，提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，收到良好的教學(xué)效果。

數(shù)字圖像處理；教學(xué)改革；實(shí)踐；創(chuàng)新

0 引言

圖像是人類視覺的基礎(chǔ),是自然景物的客觀反映。在當(dāng)今高速發(fā)展的數(shù)字化信息時代,數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、視頻通信、生物醫(yī)學(xué)、遙感測繪、智能交通、建筑安防、刑偵破案等社會生活的諸多領(lǐng)域[1]。

數(shù)字圖像處理是隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一門新興學(xué)科,是電子信息類重要的專業(yè)課，主要講授利用計(jì)算機(jī)對數(shù)字圖像進(jìn)行加工、分析的方法和原理[2]?！稊?shù)字圖像處理》是一門交叉性很強(qiáng)的專業(yè)課程，其涉及的學(xué)科領(lǐng)域和理論知識非常廣泛，學(xué)生既被數(shù)字圖像處理技術(shù)具有廣泛應(yīng)用前景所吸引，又對課程的抽象理論和煩瑣的數(shù)學(xué)公式感到苦惱，難以理解專業(yè)概念和相關(guān)算法的物理意義，面對這樣一門復(fù)雜性較高、理論性較強(qiáng)、理論與實(shí)際緊密結(jié)合的課程，進(jìn)而產(chǎn)生畏難情緒并漸漸失去學(xué)習(xí)興趣。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，對課程進(jìn)行教學(xué)改革，勢在必行。

1 課程教學(xué)存在問題分析

目前，《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)中存在著以下幾個主要問題：

（1）實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。由于受傳統(tǒng)教育觀念和教學(xué)模式影響，國內(nèi)大學(xué)教育更重視知識傳授，輕于能力培養(yǎng)，往往將知識傳授置于教學(xué)的中心位置，注重理論教學(xué)，輕視實(shí)踐訓(xùn)練，教學(xué)主體與客體錯位顛倒，忽視學(xué)生工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（2）課程體系結(jié)構(gòu)不規(guī)范。缺乏有影響力的機(jī)構(gòu)來指導(dǎo)和規(guī)范本課程的教學(xué)，從教材選取、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)踐能力培養(yǎng)等環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)，沒有根據(jù)不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，未能夠?qū)⒃撜n程與專業(yè)進(jìn)行緊密結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)融合把握不好。

（3）課程教學(xué)因師而異。沒有規(guī)范的教學(xué)大綱，基本上由教師自定教學(xué)計(jì)劃，教學(xué)內(nèi)容多為圖像處理經(jīng)典內(nèi)容，不同層次的學(xué)生、不同屆的學(xué)生做的都是相似的實(shí)驗(yàn)，在操作平臺上也是整齊劃一，未能結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況因材施教，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)習(xí)效果不盡人意。不同教師導(dǎo)致不同的授課效果，人為因素差異大。

2 改進(jìn)教學(xué)理念

現(xiàn)代教育理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程是建構(gòu)自己認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程。課程教學(xué)存在的問題，看是課程教學(xué)各自為政、混沌無序，實(shí)則是教學(xué)理念存在問題，受傳統(tǒng)教育觀念和教學(xué)模式影響太深，只有改進(jìn)教學(xué)理念才能有所作為：

（1）貫徹素質(zhì)教育的先進(jìn)理念。在《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)中，注重教與學(xué)的有機(jī)結(jié)合，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，最大限度地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，以培養(yǎng)學(xué)生主動思維、創(chuàng)新意識作為教學(xué)的主要目標(biāo)，注重學(xué)生的素質(zhì)教育。

（2）與時俱進(jìn)更新教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)中以算法的產(chǎn)生、應(yīng)用、改進(jìn)為主線，突出知識的內(nèi)在聯(lián)系，揭示圖像處理發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。掌握數(shù)字圖像的基本概念和基本算法，關(guān)注圖像處理的前沿動態(tài)，適時將數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中最新的技術(shù)手段、研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢納入課堂教學(xué)，鼓勵學(xué)生對新知識、新領(lǐng)域進(jìn)行積極地探索，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新探索能力。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。在教學(xué)過程中，力求將復(fù)雜抽象的理論融入到形象直觀的應(yīng)用實(shí)例當(dāng)中，將算法實(shí)現(xiàn)過程分解細(xì)化為可展現(xiàn)的圖像處理效果，在理論中滲透實(shí)踐，在實(shí)踐中穿插理論，注重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，真正使學(xué)生樂學(xué)、易學(xué)并會學(xué)[3]。

3 教學(xué)改革措施

（1）完善課程教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)

課程體系是實(shí)施培養(yǎng)目標(biāo)的施工藍(lán)圖，是組織教學(xué)活動的最主要依據(jù)。課程內(nèi)容集中體現(xiàn)教育觀念和教育思想，學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)主要是通過富有創(chuàng)造性的課程體系和教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)教育而實(shí)現(xiàn)的。在學(xué)校層面組織專家學(xué)者，結(jié)合學(xué)校特色、專業(yè)特點(diǎn)編寫規(guī)范的、全面的、科學(xué)的學(xué)科教學(xué)計(jì)劃，建立較為完善的課程教學(xué)體系，對教材選取、教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)設(shè)置、考試考核等進(jìn)行全程指導(dǎo)并審核監(jiān)督。

目前有較多的《數(shù)字圖像處理》教材可供選擇，但使用廣泛、評價最好的教材是Rafael C．Gonzalez和Richard E．Woods編著的《數(shù)字圖像處理》。該教材(第3版)側(cè)重對數(shù)字圖像處理基本概念和基本方法的介紹，該書深入淺出、圖文并茂、通俗易懂，全書涵蓋數(shù)字圖像處理的諸多內(nèi)容，并對數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的新方法新技術(shù)進(jìn)行介紹，是數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的權(quán)威教材之一。因教材內(nèi)容豐富，知識點(diǎn)較多，但受課時所限，必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行取舍。同時，數(shù)字圖像處理是一門發(fā)展中的學(xué)科，年年都有新的理論和方法在不斷涌現(xiàn)，要對課程內(nèi)容持續(xù)進(jìn)行更新，以適應(yīng)圖像處理學(xué)科的發(fā)展。在保留圖像處理核心內(nèi)容的基礎(chǔ)上，注重將最新的、有代表性的成果納入教學(xué)之中，精簡和更新一些陳舊的和實(shí)際中很少使用的一些方法[4]。為了配合教學(xué)，要與時俱進(jìn)，不斷調(diào)整，精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編寫科學(xué)規(guī)范的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書也尤為重要。

（2）構(gòu)建全方位可視化教學(xué)資源

結(jié)合課程特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)踐應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)來構(gòu)建可視化的學(xué)科教學(xué)體系。運(yùn)用項(xiàng)目式、案例式、交互式等形式多樣、豐富多彩的教學(xué)手段，發(fā)展并豐富課堂教學(xué)。注重圖像展示，強(qiáng)調(diào)視覺說服，建立抽象概念可視化、算法可視化及輸入輸出圖像可視化等全方位的教學(xué)資源。

利用學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，把《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)計(jì)劃、授課教案、教學(xué)課件、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)以及相關(guān)參考資料都上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。并根據(jù)需要適時更新網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容。學(xué)生隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)，通過聊天可以與教師、同學(xué)交流問題等。教師及時通過教學(xué)平臺進(jìn)行回復(fù)和解答。同時，就圖像處理方面的一些最新研究熱點(diǎn)等，引導(dǎo)學(xué)生討論及思考。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享、課后教學(xué)的互動，延伸了課堂教學(xué)，豐富了教學(xué)手段，為有效開展多種形式的教學(xué)提供可能。

（3）改革課堂教學(xué)方法，注重學(xué)生能力培養(yǎng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)條件的提高，改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段，利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)成為主流。在課堂教學(xué)中使用多媒體課件，為形象生動的實(shí)例演示、精確講解提供了保證，為此必須開發(fā)內(nèi)容豐富、活潑生動的多媒體課件，運(yùn)用相關(guān)圖像處理軟件進(jìn)行課堂展示，使學(xué)生對數(shù)字圖像處理的算法和基本方法更好地理解，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過課件直觀、生動的演示，把復(fù)雜問題變簡單、抽象問題變具體，大大地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

在圖像處理教學(xué)中注重基礎(chǔ)理論教學(xué)，貫徹“少而精”原則，突出重點(diǎn)內(nèi)容講解。同時，綜合運(yùn)用“課堂講授法”、“問題教學(xué)法”、“項(xiàng)目教學(xué)法”和“案例教學(xué)法”等多種教學(xué)方法，發(fā)揮各種教學(xué)方法的優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂教學(xué)。重視理論與實(shí)踐結(jié)合，利用MATLAB或VC++開發(fā)工具編制程序，實(shí)時演示算法，進(jìn)行實(shí)際圖像處理，培養(yǎng)學(xué)生把所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐的能力。教學(xué)上注重啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生去思考、去分析問題,激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性，提高課堂教學(xué)效果。

（4）有效學(xué)習(xí)環(huán)境的建立

課堂教學(xué)最好放在可以實(shí)驗(yàn)的場所，具備完整的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，所有學(xué)生要有良好的實(shí)驗(yàn)平臺及相關(guān)器材。授課教師借助于多媒體教學(xué)，在真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境中現(xiàn)場講解、現(xiàn)場演示。教學(xué)過程直觀明了，通俗易懂，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下直接上手，進(jìn)行實(shí)際操作，現(xiàn)場演練。

因授課方式有別于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，在課時安排時要加以調(diào)整，兼顧講授、演示、演練，為保證授課的完整性、延續(xù)性，每次課時要加長，可以安排2～3小時或半天，每周2～3次課，在1～2個月內(nèi)安排完一門學(xué)科的學(xué)習(xí)。課程緊湊集中，沒有遺忘時間，短時間內(nèi)反復(fù)訓(xùn)練、強(qiáng)化理解，學(xué)習(xí)效果非常好。而傳統(tǒng)課堂教學(xué)，單次授課時間短、課時固定、教學(xué)周期長，學(xué)生往往學(xué)了后面又忘了前面，知識連貫性不好。

（5）強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式

數(shù)字圖像處理學(xué)科的教學(xué)，一定要突出實(shí)踐環(huán)節(jié)，注重于個人能力的培養(yǎng)。遵循理論-實(shí)踐-再理論-再實(shí)踐螺旋上升、循環(huán)遞進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律。知識的印證要及時固化，在有效時間內(nèi)完成感性知識到理性知識的升華。事實(shí)上，沒有實(shí)踐的理論知識，在面對實(shí)際問題時無法解決問題，而抽象的理論在有限的時間內(nèi)也會被逐漸遺忘。

注重理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)。一方面需要在課堂教學(xué)中引入適當(dāng)?shù)膱D例分析和編程處理實(shí)例，將復(fù)雜的算法以最直觀的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，就圖像處理前后的效果進(jìn)行對比，通過算法演示來提高學(xué)生對理論的直覺感受，使原本抽象的內(nèi)容變得生動具體。同時，為滿足學(xué)生課后實(shí)踐需求，針對一些典型的處理算法開設(shè)拓展實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生提供邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐的機(jī)會。應(yīng)用平時所學(xué)的知識，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法，觀察比較圖像處理前后的效果。不但可以鞏固所學(xué)知識，還可提高學(xué)生的動手能力。

（6）建立多元化的考核評價標(biāo)準(zhǔn)

目前高校比較普遍的做法，學(xué)完一門科目，出一份試卷進(jìn)行考試，依據(jù)卷面成績結(jié)合實(shí)驗(yàn)、作業(yè)等給出學(xué)科評價。但如此評價遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要對考核方式進(jìn)行改革，數(shù)字圖像處理學(xué)科的評價標(biāo)準(zhǔn)一定要有利于衡量實(shí)踐技能和獨(dú)立解決問題的能力，實(shí)行常規(guī)考核與過程性考核相結(jié)合的方式，準(zhǔn)確把握學(xué)生的真實(shí)成績，全面衡量和控制教學(xué)質(zhì)量，既要考學(xué)生的基本理論，更要考他們運(yùn)用知識和方法進(jìn)行圖像處理方案設(shè)計(jì)和實(shí)際任務(wù)完成的能力。

《數(shù)字圖像處理》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在考核方法的改革上，采用了多元化的考核方法。試卷成績只占一定的比重，重點(diǎn)考查學(xué)生對數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)理論的宏觀掌握。在規(guī)定的時間內(nèi)，解決實(shí)際問題，完成相關(guān)設(shè)計(jì)才是評價的核心。在考題設(shè)計(jì)上，側(cè)重考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。增加實(shí)驗(yàn)成績的比重，依據(jù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成情況，拓展實(shí)驗(yàn)解決程度，創(chuàng)造性處理問題的能力，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績進(jìn)行評分。另外，還將平時的聽講、問題解答、提問交流、作業(yè)情況列入平時成績，在多元考核的情況下綜合給出合理評價。多元化課程考核對于加強(qiáng)學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握、實(shí)驗(yàn)技能的提高、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有很大的促進(jìn)作用。

4 加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，提高教師個人能力

在以素質(zhì)教育為目標(biāo)的課程建設(shè)與改革中教師有著不可替代的重要地位，課程建設(shè)的關(guān)鍵是教師。提高教師的業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)，是加強(qiáng)和提高大學(xué)生素質(zhì)教育的基本前提，是實(shí)施素質(zhì)教育的關(guān)鍵所在。如今，電子信息類專業(yè)提倡應(yīng)用型人才培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)知識傳授和實(shí)踐技能的有機(jī)結(jié)合。因此，要求教師應(yīng)該具有深厚的專業(yè)知識和高深的職業(yè)技能。學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)教師的培訓(xùn)，讓他們積極參加技術(shù)創(chuàng)新方面的研究以及到相關(guān)高校進(jìn)行培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，有計(jì)劃地選送教師到相關(guān)企業(yè)工作一至兩年，在工程一線積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)常選派教師去參加一些學(xué)術(shù)交流和技術(shù)研討，來擴(kuò)充知識面和提高實(shí)戰(zhàn)能力。

5 結(jié)語

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展和完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)也在不斷發(fā)展，并且越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，相應(yīng)地，結(jié)合國內(nèi)外科研成果，《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)改革和實(shí)踐也應(yīng)與時俱進(jìn)，不斷吸收新知識新技術(shù)，豐富教學(xué)內(nèi)容；根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活運(yùn)用各種教學(xué)方法，使學(xué)生在掌握數(shù)字圖像處理基本理論和方法的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新意識與綜合設(shè)計(jì)能力。隨著教育改革深入，筆者在課堂教學(xué)中實(shí)施了上述一系列的教學(xué)改革，實(shí)踐證明，有效提高了課程教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，收到良好的教學(xué)效果。教學(xué)改革是一項(xiàng)長期的任務(wù)，將教學(xué)模式從理論灌輸教育轉(zhuǎn)向更為實(shí)在的專業(yè)素質(zhì)教育，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，還需要持續(xù)深入的研究、探討和實(shí)踐。

[1] 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010

[2] Rafael C.Gonzalez.Digital Image Processing Using MATLAB[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003

[3] 魏晗，陳剛，唐永旺等.《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國信息技術(shù)教育，2014(8):12～13

[4] 寧紀(jì)鋒.數(shù)字圖像處理教學(xué)改革研究與探索[J].中國電力教育.2013(34):122～123

Practice and Reformation of the Course of Digital Image Processing

ZHU Shi-hu
（School of Physics and Electronic Engineering,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116）

Digital Image Processing is a rapid developed and wide applied subject,applies the innovative teaching thought in the course,pays attention to the basic theory and frontier science combination,integration theory in practice.Reforms and explores in teaching content,resources construction,teaching methods and teaching evaluation,puts forward a series of feasible teaching plans,improves the quality of teaching and enhance students'ability of practice and innovation,to receive the good teaching effect.

Digital Image Processing;Teaching Reformation;Practice;Innovation

1007-1423（2015）03-0037-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.03.010

朱士虎（1970-），男，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字信息與圖像處理

2014-11-20

2014-12-24

江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題（No.2014-R-29007）