郭立強(qiáng)　劉戀

摘要：在應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型要求下，為了提高“圖像處理”課程的教學(xué)質(zhì)量，針對(duì)該課程在傳統(tǒng)授課方式下所存在理論推導(dǎo)繁瑣、學(xué)生難于理解以及學(xué)生對(duì)課程重視程度不夠等問(wèn)題，我們對(duì)這門(mén)課的教學(xué)總體目標(biāo)和要求、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式進(jìn)行了有針對(duì)性的課程改革。通過(guò)兩個(gè)學(xué)期的課程教學(xué)實(shí)踐，我們的方法取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：圖像處理；教學(xué)改革

一、引言

“圖像處理”是我院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課，該課程要求學(xué)生能夠掌握基本的圖像處理理論與算法，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的圖像處理任務(wù)。然而，經(jīng)過(guò)幾年的課程教學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課的過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，具體如下：

首先，圖像處理這門(mén)課是多學(xué)科交叉，學(xué)習(xí)這門(mén)課之前要掌握微積分、線性代數(shù)、微分方程、計(jì)算方法等數(shù)學(xué)課程，同時(shí)還要掌握一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。然而，學(xué)生的學(xué)習(xí)積累較弱，在進(jìn)行算法講解過(guò)程中往往需要結(jié)合特定的物理學(xué)、仿生學(xué)理論進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，使學(xué)生在聽(tīng)課的過(guò)程中感到乏味，這給學(xué)生的學(xué)習(xí)上帶來(lái)了不小的困難。在課下和學(xué)生交流過(guò)程中，他們普遍反映對(duì)理論推導(dǎo)的理解上存在不小的困難。

其次，作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在學(xué)習(xí)課程的同時(shí)還需要進(jìn)行相應(yīng)的編程來(lái)驗(yàn)證算法的有效性，更多的時(shí)候是需要學(xué)生在吃透算法的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生對(duì)已有算法來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。然而，由于許多學(xué)生對(duì)于這門(mén)課的作用、目標(biāo)不清晰，沒(méi)有一個(gè)正確的學(xué)習(xí)方法，導(dǎo)致學(xué)生自己編程時(shí)普遍存在沒(méi)有思路或者無(wú)從下手的感覺(jué)。

最后，這門(mén)課是三年級(jí)下學(xué)期開(kāi)設(shè)的課程，學(xué)生面臨公務(wù)員和研究生考試，同時(shí)還是選修課，學(xué)生重視程度不夠，這些不確定因素給教學(xué)帶來(lái)了一定的困擾。這樣一來(lái)，真正肯下功夫?qū)W習(xí)的學(xué)生并不是很多。

為了破解圖像處理這門(mén)課教學(xué)過(guò)程中所存在的一系列問(wèn)題，提高學(xué)生對(duì)這門(mén)課的興趣，同時(shí)按照學(xué)校應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的要求，我們對(duì)這門(mén)課的教學(xué)總體目標(biāo)和要求、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式進(jìn)行了相應(yīng)的改革。

二、教學(xué)總體設(shè)計(jì)

2014年淮陰師范學(xué)院逐步開(kāi)展了本科教學(xué)改革，學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo)要逐步向應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型。結(jié)合圖像處理這門(mén)課有著非常強(qiáng)的工程實(shí)用背景，根據(jù)學(xué)校的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)方案要求，我們對(duì)課程的教學(xué)目標(biāo)和要求、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式進(jìn)行了如下改革。

（一）教學(xué)目標(biāo)和要求

按照應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)要求，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，教學(xué)目標(biāo)的制定上統(tǒng)籌考慮基礎(chǔ)理論的掌握和實(shí)踐能力的提升兩方面要求，使學(xué)生初步確立圖像工程的理論思維，具備一定的創(chuàng)新實(shí)踐意識(shí)，在自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題。

（二）教學(xué)內(nèi)容

盡管圖像處理是一個(gè)年輕的學(xué)科，但其所涉及的內(nèi)容卻比較多而且雜。圖像處理所涉及的主要內(nèi)容包括：圖像的基礎(chǔ)理論、圖像濾波、圖像分割、圖像增強(qiáng)、圖像變換（如傅里葉變換、小波變換等）、圖像形態(tài)學(xué)處理、圖像復(fù)原與重建、圖像壓縮與編碼、圖像數(shù)字水印等。同時(shí)，圖像處理也是一門(mén)不斷發(fā)展的學(xué)科，文獻(xiàn)[1-3]是圖像處理的經(jīng)典教材。以文獻(xiàn)[1]為例，已經(jīng)是第六版了，每一版本都比上一版本在內(nèi)容上進(jìn)行了不小的擴(kuò)充。作為一門(mén)只有32課時(shí)的選修課，不可能面面俱到講授所有內(nèi)容，因此在內(nèi)容上的選擇要慎重。為了突出實(shí)踐教學(xué)以及避免枯燥的理論學(xué)習(xí)，我們采用了Matlab版本的數(shù)字圖象處理這本教材[4]。使用Matlab軟件可以對(duì)圖像處理的中間過(guò)程和結(jié)果有個(gè)直觀的接觸，使學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)以及學(xué)生自學(xué)過(guò)程中能夠產(chǎn)生足夠的興趣。同時(shí)，利用Matlab自帶的圖像處理工具箱，可以很方便地調(diào)用相關(guān)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的圖像處理算法，這些函數(shù)對(duì)于理解書(shū)本內(nèi)容有著很大的幫助作用。此外，Matlab還有非常詳盡的幫助文檔，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。這里我們并沒(méi)有采用vc++作為編程軟件，主要是試驗(yàn)環(huán)境的搭建比較麻煩，調(diào)試起來(lái)比較困難。但是，在課程簡(jiǎn)介過(guò)程中，我們針對(duì)想深入學(xué)習(xí)圖像處理，尤其是涉及硬件（DSP、FPGA）編程進(jìn)行圖像處理算法研究的學(xué)生，給他們推薦文獻(xiàn)[5]。

在具體內(nèi)容的講授上，以工程應(yīng)用背景為主的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，包括：圖像基礎(chǔ)理論、圖像濾波、圖像分割、圖像的傅立葉變換、圖像壓縮與編碼。在基礎(chǔ)理論的講解上，主要是給學(xué)生樹(shù)立圖像的數(shù)學(xué)模型和圖像處理的整體架構(gòu)：用矩陣的形式來(lái)表示圖像，所有圖像處理算法都是圍繞如何使用相關(guān)方法來(lái)對(duì)這個(gè)矩陣進(jìn)行處理，再把處理的結(jié)果以圖像的形式顯示。這樣使學(xué)生清楚在接下來(lái)的課程學(xué)習(xí)中如何去應(yīng)對(duì)形式多樣的算法。對(duì)于圖像濾波、圖像分割等其他內(nèi)容，重點(diǎn)突出工程應(yīng)用背景來(lái)提高學(xué)生的關(guān)注度與興趣。

（三）教學(xué)方法

除了傳統(tǒng)的多媒體課件和板書(shū)外，在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入大量的現(xiàn)場(chǎng)演示環(huán)節(jié)，通過(guò)Matlab軟件對(duì)圖像處理算法進(jìn)行仿真與處理，使學(xué)生對(duì)算法有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。教學(xué)過(guò)程中的算法講解，主要利用Mat-lab的數(shù)字圖像處理工具箱中的對(duì)應(yīng)函數(shù)，通過(guò)函數(shù)調(diào)用來(lái)教學(xué)生算法的使用，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理，使課堂教學(xué)更有趣味性。另外，所有的課堂教學(xué)全部選擇在計(jì)算機(jī)機(jī)房，講解的過(guò)程中隨時(shí)讓學(xué)生來(lái)演練相關(guān)的算法，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。此外，當(dāng)學(xué)生對(duì)圖像處理有了一個(gè)基本掌握后，給出部分開(kāi)放題目供學(xué)生選擇，讓學(xué)生分組來(lái)完成相應(yīng)的題目，采用小組報(bào)告的形式到講臺(tái)上來(lái)講解本組算法設(shè)計(jì)的過(guò)程，由下面的同學(xué)進(jìn)行提問(wèn)，凡是提問(wèn)的學(xué)生都會(huì)有加分，如果臺(tái)上同學(xué)回答正確也有加分。這樣增加課堂學(xué)生的參與程度，使學(xué)生都能夠融入到課堂中來(lái)。此外，我們還積極引導(dǎo)學(xué)生合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，選擇與課堂教學(xué)內(nèi)容相關(guān)、有針對(duì)性的視頻公開(kāi)課讓學(xué)生去學(xué)習(xí)，同時(shí)給學(xué)生提出相應(yīng)的問(wèn)題，通過(guò)這種方式使學(xué)生自己解決問(wèn)題，并把答案以作業(yè)的形式遞交。

（四）考核方式

傳統(tǒng)的考核方式比較單一，由平時(shí)成績(jī)和期末閉卷考試成績(jī)構(gòu)成。這種考核方式的弊端就是學(xué)生對(duì)于課程學(xué)習(xí)過(guò)程重視不夠，在期末時(shí)采取突擊復(fù)習(xí)的被動(dòng)方式來(lái)應(yīng)對(duì)考核。若是期末用一張?jiān)嚲磉M(jìn)行考核，知識(shí)點(diǎn)量大、面廣，學(xué)生復(fù)習(xí)困難，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握?？己酥皇且环N手段，最終目的是通過(guò)考核使學(xué)生掌握知識(shí)。因此，我們采用過(guò)程化考試方法，即取消期末閉卷考試，把期末考試的比重分散到整個(gè)學(xué)期考核的各個(gè)環(huán)節(jié)。具體方案是：平時(shí)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的10%，主要考核學(xué)生的出勤及課堂表現(xiàn)情況；作業(yè)占30%，批改三次作業(yè)，每次滿(mǎn)分10分，批改后直接公布分?jǐn)?shù)；團(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目占60%，期中、期末各進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)匯報(bào)，由學(xué)生上講臺(tái)講解本組實(shí)驗(yàn)過(guò)程并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每次匯報(bào)滿(mǎn)分30分。通過(guò)這種考核方式，使學(xué)生在整個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)的各個(gè)階段對(duì)自己所獲得的分?jǐn)?shù)有個(gè)直觀的把握，一方面能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性、能夠避免期末復(fù)習(xí)考試給學(xué)生帶來(lái)的額外負(fù)擔(dān)，使他們能夠把注意力集中在課堂上；同時(shí)，在教學(xué)的各個(gè)階段教師都有機(jī)會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行督促和總結(jié)。

三、課程設(shè)計(jì)

這里我們以圖像分割這一章的一節(jié)課的教學(xué)過(guò)程為實(shí)例，講解我們的課程設(shè)計(jì)。每節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的選擇上突出興趣主導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生需求并兼顧題目的難度。以圖像分割中的邊緣檢測(cè)為例，首先給學(xué)生展示一款安裝在手機(jī)上名為“魔漫相機(jī)”的小軟件，這款軟件可以自動(dòng)識(shí)別出照片中的人臉，然后嵌入到特定的場(chǎng)景中，如圖1所示。

圖1中，（a）為圖像處理中的標(biāo)準(zhǔn)原始圖像，在講課時(shí)，先把這幅圖像顯示給學(xué)生，然后利用手機(jī)上安裝的魔漫相機(jī)軟件對(duì)這幅圖像進(jìn)行處理，得到圖（b）。此時(shí)學(xué)生的注意力都被吸引到這幅處理后的圖像，學(xué)生開(kāi)始討論。此時(shí)，我會(huì)講解這個(gè)軟件所用的算法，即使用人臉識(shí)別技術(shù)定位到圖像中的面部區(qū)域，利用圖像分割算法提取出面部圖像，再嵌入到特定的場(chǎng)景中，就得到圖（b）。緊接著，我拋出問(wèn)題，這幅圖像與素描很接近，基本勾勒出場(chǎng)景的線條，如果用算法實(shí)現(xiàn)這一處理，就是我們接下來(lái)要學(xué)習(xí)的邊緣檢測(cè)算法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)編程，用普魯伊特邊緣檢測(cè)算法對(duì)（a）圖像進(jìn)行處理，得到（c）圖像，然后顯示給學(xué)生看。然后提出問(wèn)題，是否還有其他的邊緣檢測(cè)算法？邊緣檢測(cè)算法的原理是什么？通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的講解，使學(xué)生掌握了邊緣檢測(cè)算法的本質(zhì)就是設(shè)計(jì)模板，通過(guò)更改模板中的數(shù)據(jù)可以得到不同的檢測(cè)效果，然后讓學(xué)生們上機(jī)練習(xí)來(lái)對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn)。一些學(xué)生直接把編程處理后的邊緣圖像發(fā)在自己的個(gè)人空間里，互相點(diǎn)贊，使學(xué)生們感到學(xué)習(xí)的趣味性。

四、總結(jié)

本文總結(jié)了圖像處理這門(mén)課程的教學(xué)改革方案，在教學(xué)目標(biāo)和要求上凸顯工程應(yīng)用背景，目的是使學(xué)生具備解決實(shí)際問(wèn)題的能力；在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，選擇有針對(duì)性、難度適中且容易實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行講解；授課形式除了傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)，還引入互動(dòng)教學(xué)、案例教學(xué)以及慕課模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，使學(xué)生融入到教學(xué)過(guò)程中；考核方式采取過(guò)程化考核，讓學(xué)生及時(shí)了解自己在各個(gè)階段的分?jǐn)?shù)，減輕了學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)。通過(guò)兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)現(xiàn)在的教學(xué)模式滿(mǎn)意度達(dá)到97.3%，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的教學(xué)效果。

[責(zé)任編輯：韓璐]