應用型本科院?！皵?shù)字圖像處理”教學研究與改進

李銳 段漢根 余宏杰

摘要：“數(shù)字圖像處理”是電子信息類專業(yè)的基礎課程具有很強理論性和工程應用性。根據(jù)培養(yǎng)高素質應用型人才的培養(yǎng)目標以及課程思政的要求，分析當前教學模式中存在的問題和不足，提出旨在提高教學質量和人才培養(yǎng)質量的方法和措施。教學改革措施增強了學生對該課程的學習興趣和主動性，培養(yǎng)了學生的愛國情懷、創(chuàng)新思維，提升了學生的實際工程能力，且提高了教學質量。

關鍵詞：數(shù)字圖像處理;教學改革;課程思政;教學質量

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0017-03

Abstract：The course of digital image processing is a basic course for electronic information majors with strong theoretical and engineering applications. According to the training objective of cultivating high-quality application-oriented talents and the aim of ideological and political education， we analyze the existing problems and deficiencies in the current teaching situation， and present the methods to improve the quality of teaching. Teaching improvements have effectively enhanced the quality of teaching and cultivated students' practical ability and innovative thinking.

Key words： digital image processing; teaching improvement;ideological and political education;practical ability

1 引言

數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing， DIP）技術是利用計算機和各類成像設備對圖像進行采集和加工的技術[1]。目前人類社會高度數(shù)據(jù)化和信息化以及計算機應用技術的快速發(fā)展和迅速普及，數(shù)字圖像處理技術已經(jīng)成功應用在各個領域，例如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙探測、視頻電話、軍事公安、信息安全、天氣預報、交通導航等。最近十年以來，大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的深度融合發(fā)展和普及使用，數(shù)字圖像處理技術的地位和重要性日益突出。數(shù)字圖像處理已經(jīng)成為應用型本科院校計算機、通信與自動化、電子信息等專業(yè)的核心課程，而由于其理論性內容較多，公式復雜而枯燥，從而導致學生在學習過程產(chǎn)生怕學、厭學以及學而不懂的現(xiàn)象[2]。數(shù)字圖像處理課程是以高等數(shù)學、線性代數(shù)、數(shù)字信號處理等課程作為前驅課程，因而涉及大量數(shù)學知識和數(shù)字信號處理的相關知識。在傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學模式下，一般主要討論算法的理論推導但忽略了把相關知識與日常生活中的工程問題相聯(lián)系，導致學習了大量理論知識卻不能解決實際問題的尷尬窘境[3-4]。目前國際環(huán)境錯綜復雜，中美在各個領域展開了激烈競爭，教育部要求高校的所有課程必須融入思政元素，加強愛國主義教育[5]。

因此，根據(jù)應用型本科院校的人才培養(yǎng)定位和社會對應用型人才的實際需求以及課程思政元素的要求，需要針對性的調整教學內容、改進教學方法、完善教學手段和優(yōu)化評價體系，增強知識學習和能力培養(yǎng)的融合以及理論知識和實際工程應用能力的結合。

2 “數(shù)字圖像處理”教學現(xiàn)狀和存在問題

近十年以來，隨著計算機性能的巨大提升和成像設備的普及，人工智能、大數(shù)據(jù)技術被廣泛運用到各個領域，數(shù)字圖像處理技術在信息智能化處理方面扮演著不可或缺的地位。大多數(shù)高校已經(jīng)把“數(shù)字圖像處理”課程納入本科生教學體系中，側重要求學生掌握基本原理、方法，了解當前的技術前沿和熱點，能解決一些簡單的實際問題，同時該門課與人工智能、模式識別和計算機視覺有著緊密的聯(lián)系起到承上啟下的功能，為研究生教學奠定基礎[6]。

“數(shù)字圖像處理”課程為電子信息工程專業(yè)必修課、計算機科學與技術專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的選修課。經(jīng)過幾輪教學大綱的修訂，現(xiàn)總課時為32個其中理論課24學時，實驗課為8個學時。根據(jù)該課程近三屆教學效果來看，教學內容安排以及實驗平臺的選擇存在一些突出的問題，教學效果不如人意，與應用型人才培養(yǎng)的培養(yǎng)目標存在差距。

（1） 教學內容設置方面

數(shù)字圖像處理包括圖像處理、圖像分析和圖像理解三個方面，其中每個方面都包含了大量算法和理論。理論課程教學內容多，教學難度大，但課時量安排少，無法形成完善的教學體系。實驗內容過于簡單以及實驗項目設置難度系數(shù)偏小，實驗類型多為驗證性實驗，例如圖像空域增強、圖像頻域增強和圖像分割等，缺少綜合性和設計性實驗。實驗項目設置和實際工程應用相脫節(jié)，與應用型人才培養(yǎng)目標和定位存在很大的差距。

（2） 實驗平臺方面

數(shù)字圖像處理課程實驗平臺主要使用普通計算機作為硬件設備以及Matlab作為軟件環(huán)境。Matlab的數(shù)字圖像處理工具箱中提供了大量基本算法方便用戶調用，由于Matlab提供了這些算法工具使得學生在實驗工程中沒有學習興趣和成就感，降低了學生學習的積極性和主動性并產(chǎn)生厭學心理和疲憊狀態(tài)。

（3） 教學方法和教學手段方面

傳統(tǒng)的“數(shù)字圖像處理”理論教學過程中，僅僅使用板書和PPT的教學手段向學生傳遞知識，從而導致學生獲取的知識量有限和獲取知識的途徑受限。在實驗教學中，教師只是把實驗中使用的算法簡單的說明之后，學生按照實驗指導書的示例進行機械式的模仿，學生處于完全被動的模仿中，缺少對實驗原理的理解并難以主動思考和解決實際問題。

（4） 知識學習和能力的融合方面

“數(shù)字圖像處理”課程開設在大學三年級下學期，學生在學習此門課程之前沒有學習和接觸過類似數(shù)字圖像處理這樣理論性和應用型都較強的課程，對這門課的學習多數(shù)停留在對基本概念和基本算法的了解階段，知識面比較窄，無法提高學生解決實際生活中的工程問題的能力，更加無法培養(yǎng)出學生工程能力素養(yǎng)，進一步制約了學生在升學和就業(yè)中的選擇余地。

（5）課程思政方面

“數(shù)字圖像處理”課程未進行課程思政建設，教學內容以及教學方法都缺少對思政元素的嵌入，未能充分挖掘課程中蘊含的思政元素。教學過程中潛移默化地對學生進行政治思想教育，更有效地培養(yǎng)學生的家國情懷和社會主義核心價值觀[5]。

3 教學改進措施與探索

（1） 優(yōu)化教學內容和實驗項目設置

理論和實驗教學內容結構上應該模塊化和層次化。圖像處理這部分主要涉及圖像增強、圖像恢復和圖像編碼三個方面，理論學時16個，實驗學時6個。圖像分析這部分主要涉及圖像分割、圖像表達、圖像特征分析和目標識別，因而這部分安排理論學時12個，實驗學時4個[7]。圖像理解這一層次主要包含圖像采集表達、景物重建以及場景解釋，這部分內容比較抽象因而對于本科生來說難度比較大，我們在這部分僅做簡要介紹，不做深度探討。綜上所述，改革后的“數(shù)字圖像處理”理論學時28，實驗課設置為12學時其中包括5個驗證性實驗項目和1個綜合性應用實驗項目，具體安排如表1和表2所示。

（2） 合理選擇實驗平臺

改革前的數(shù)字圖像處理實驗教學中使用Matlab作為實驗平臺，導致學生簡單的調用工具箱中函數(shù)去驗證算法從而失去對算法本身的學習，無法深刻理解數(shù)字圖像處理的基本概念和算法。改革后的數(shù)字圖像處理實驗教學平臺選擇使用Visual C++開發(fā)環(huán)境和Matlab軟件作為實驗課程的實驗平臺。首先利用Matlab對數(shù)字圖像處理的基本算法進行驗證，然后利用Visual C++來對這些基本算法進行編程，加強學生對數(shù)字圖像處理的本質的認識，為后續(xù)的綜合性實驗提供必要的知識儲備[8]。

（3） 改進教學方法與教學手段和完善考核方式，提高教學質量

改變傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理的教學模式，理論教學中采取啟發(fā)式的教學方式。在傳統(tǒng)的PPT和板書的基礎，鼓勵學生走上講臺來講解一些基本的概念和算法，從而改變學生被動的學生方式為主動的學習[9]。在實驗的教學中，通過演示示例并預留一些問題，讓學生主動去探索并解決這些問題。在課下，老師把一些難度比較大的實驗示例制作成視頻向學生展出，從而提高學生在課下的學習興趣和主動性。以往考核方式主要包括課堂出勤和實驗報告，形式過于單一，我們將考核方式改進為“課堂出勤+課堂表現(xiàn)+實驗出勤+實驗表現(xiàn)+課下學習成果”。課堂表現(xiàn)主要根據(jù)學生課堂上的實際表現(xiàn)，例如回答問題的表現(xiàn)、主動講解學習內容以及實驗中的動手能力。課下學習成果主要考核學生課下利用學習的理論知識解決實際問題的能力，并把成果在課堂上展示出來。

（4） 提高解決實際問題的能力，培育職業(yè)潛力

加強課外知識擴展，運用課程設計等其他方式，提高學生利用數(shù)字圖像處理的知識解決實際生活中遇到的問題。鼓勵學生參加老師的科研項目，使用多種平臺（FPGA、DSP、Open CV）來開發(fā)基于數(shù)字圖像處理技術的應用系統(tǒng)。授課老師要經(jīng)常走入企業(yè)并和一線工程師多接觸，了解當前最新的技術前沿，即使根據(jù)反饋的信息進行教學大綱的改進。邀請專家和工程師走進課堂，讓學生有機會學習先進的技術和了解崗位的需求。使得學生能更好地了解社會生產(chǎn)的實際需求，提高學生就業(yè)競爭力。

（5） 加強課程思政建設

課程思政建設是落實全面育人的內在要求，對提高教學質量和提升人才培養(yǎng)質量具有重大實際意義，因此必須充分挖掘出“數(shù)字圖像處理”課程中的思政元素，實現(xiàn)專業(yè)知識學習與政治思想教育的有機結合，使得“課程思政”貫穿整個教學全過程，從而培養(yǎng)學生愛國情懷、文化與制度自信、科學精神、法治思維和社會責任感。我們從教學管理、教學內容、教學方法等方面進行思政元素融合[10]。首先加強課堂管理，要求學生在課堂學習過程中做到不遲到、不早退、不曠課，請假嚴格執(zhí)行請教流程與手續(xù)，按時按量完成作業(yè)，培養(yǎng)學生的自我約束能力和法制思維;教師本身對學生有很強示范和引導作用，因此教師本身必須嚴格要求自己，努力提高政治思政覺悟、培養(yǎng)人文修養(yǎng)，在實際教學過程中發(fā)自肺腑地關心和愛護學生，使每一位學生都能對本課程比較滿意。其次，在教學內容方面，把思政元素嵌入到課堂的教學內容中，做到知識點與思政元素的完美結合，使得思想政治教育在專業(yè)課學習中潤物細無聲、入腦入心，部分知識點與思政元素嵌入示例如表3所示。最后，在教學方法方面，課件多演示一些含有思政元素的圖像和重點講解一些含有思政元素的算法，以此激發(fā)學生的愛國情懷、自覺踐行社會主義核心價值觀，努力成為中國特色社會主義的建設者。

4 總結

本文結合應用型本科院校人才培養(yǎng)目標和定位以及課程思政的要求，針對“數(shù)字圖像處理”課程的教學現(xiàn)狀進行分析，給出具體的教學改進措施和方案以提高教學質量。授課老師采用新的教改方案明顯提高了“數(shù)字圖像處理”課程的教學質量，極大地提高了學生的學習興趣和主動性，進一步促進了老師和學生之間的互動與交流，提高了學生解決實際問題的能力并對就業(yè)和考研起到指導作用。

參考文獻：

[1] 任瑞治，顧玲嘉，吳戈.數(shù)字圖像處理實驗課程探索與研究[J].教育教學論壇，2018（18）：174-175.

[2] 吳全玉，劉曉杰，潘玲佼，等.“數(shù)字圖像處理”課程實驗教學研究與探索[J].電氣電子教學學報，2016，38（1）：121-124.

[3] 霍雷剛，劉素蘋，陸建波.應用型院校本科數(shù)字圖像處理課程教學實踐與探索[J].南寧師范大學學報（自然科學版），2020，37（1）：153-156.

[4] 談玲瓏，李長凱，王月琴，等.面向工程實踐的數(shù)字圖像處理課程實驗教學改革[J].集寧師范學院學報，2020，42（3）：100-104.

[5] 劉笑吟，徐俊增.工科專業(yè)課程融合思政教育的探索與實踐[J].高教學刊，2020（20）：186-188+192.

[6] 羅曉清，張戰(zhàn)成，康振.“雙一流”高校建設背景下研究生“計算機視覺原理與應用”課程教學改革探索[J].江蘇理工學院學報，2020，26（2）：100-105.

[7] 王麗杰，秦勇，周真.測控專業(yè)“數(shù)字圖像處理”課程體系優(yōu)化研究[J].電氣電子教學學報，2009，31（3）：19-20.

[8] 陶勝. 數(shù)字圖像處理課程教學研究與實踐[J].湖北第二師范學院學報，2017，34（2）：96-99.

[9] 姜珊，雙凱. “數(shù)字圖像處理”課程的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2006（5）：644-646.

[10] 陸玲，何月順，李祥，等.數(shù)字圖像處理課程教學改革及實踐[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（34）：64-67.

【通聯(lián)編輯：王力】