《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)困境及應(yīng)對(duì)策略

摘要：對(duì)民辦高?！稊?shù)字圖像處理》課程教學(xué)現(xiàn)狀、學(xué)生學(xué)習(xí)狀況和數(shù)字圖像處理工程師的社會(huì)就業(yè)需求展開(kāi)深入分析，指出傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和方式存在的問(wèn)題，以及人才培養(yǎng)方案和社會(huì)就業(yè)需求之間存在的差距，并且針對(duì)性地提出解決方案，提出引入案例法、項(xiàng)目法和線上線下混合式教學(xué)方法，并且結(jié)合職業(yè)規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行目的明確的自主學(xué)習(xí)，能更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)和社會(huì)需求的對(duì)接。

關(guān)鍵詞：《數(shù)字圖像處理》;教學(xué)改革;職業(yè)規(guī)劃

中圖分類號(hào)：G4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.14.079

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)不僅在常見(jiàn)的人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、智慧城市、電子通信等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，在國(guó)防建設(shè)、航天科技、醫(yī)療電子等高科技方面也得到了進(jìn)一步應(yīng)用推廣。作為一門與新興科技緊密結(jié)合的課程，《數(shù)字圖像處理》已經(jīng)成為高等院校電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)課。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)主要講授數(shù)字圖像處理的基本原理和方法，偏重于以理論講授為主，實(shí)踐動(dòng)手為輔的教學(xué)方式。這樣的教學(xué)內(nèi)容和方式與社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求還有相當(dāng)?shù)木嚯x。“新工科”應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求要形成“創(chuàng)新型、綜合化、全周期”的教育新理念，完善專業(yè)結(jié)構(gòu)，更新教學(xué)觀念。在該背景下，以理論講授為主、輔以簡(jiǎn)單課程實(shí)驗(yàn)的數(shù)字圖像處理課程傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，迫切需要實(shí)施改革，以應(yīng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和應(yīng)用型人才的需求。

1現(xiàn)狀分析

1.1教學(xué)現(xiàn)狀分析

與《電路分析》《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》等課程構(gòu)建起學(xué)生的硬件電路知識(shí)體系不同，《數(shù)字圖像處理》及其前繼課程《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》和《Matlab仿真》等建立起學(xué)生對(duì)于一維二維信號(hào)和信號(hào)處理系統(tǒng)的理論知識(shí)和軟件處理方法的知識(shí)體系。主要講授圖像的運(yùn)算、變換、增強(qiáng)、平滑、復(fù)原、壓縮編碼、分割、描述分析和識(shí)別等內(nèi)容。學(xué)時(shí)數(shù)為32至48。受限于學(xué)時(shí)和圖像處理基本知識(shí)的繁雜，按照教材內(nèi)容按部就班的講授，課堂教學(xué)中不可能安排太多的學(xué)時(shí)用于綜合性案例的教學(xué)實(shí)踐和指導(dǎo)。因此幾輪教學(xué)下來(lái)，學(xué)生的普遍反映是知道這門課程很有用，但只學(xué)了個(gè)皮毛，距離能動(dòng)手實(shí)踐解決實(shí)際圖像處理問(wèn)題，能力上還有很大的提升空間。

1.2學(xué)生學(xué)習(xí)狀況分析

筆者所在學(xué)校為民辦高校，生源質(zhì)量明顯弱于211、985院校。主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力不足，由于高考失利，學(xué)生失去選擇心儀學(xué)校和專業(yè)的機(jī)會(huì)，對(duì)目前所學(xué)習(xí)的專業(yè)缺少真正的興趣，在學(xué)習(xí)《數(shù)字信號(hào)處理》《數(shù)字圖像處理》這類理論性較強(qiáng)、對(duì)數(shù)理要求高的課程時(shí)，一旦遇到困難，很容易打退堂鼓，產(chǎn)生放棄的心理。

（2）學(xué)習(xí)自律意識(shí)不強(qiáng)，學(xué)生缺少對(duì)自己學(xué)習(xí)過(guò)程的有效監(jiān)視和控制。緊張的高中三年過(guò)去了，不少學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后熱衷于游戲或者社交，對(duì)學(xué)習(xí)的重視程度不夠。沒(méi)有有效的學(xué)習(xí)計(jì)劃，對(duì)目前學(xué)習(xí)進(jìn)程、方法和效果也不能做到有意識(shí)的監(jiān)視和調(diào)節(jié)，放任結(jié)果的產(chǎn)生。

（3）學(xué)習(xí)方法不當(dāng)。教育心理學(xué)認(rèn)為理解和保持知識(shí)的認(rèn)知策略包括復(fù)述策略、精加工策略和組織策略。很多大學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程僅僅滿足于課堂聽(tīng)講，課后沒(méi)有有效的復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)，更沒(méi)有對(duì)知識(shí)進(jìn)行復(fù)述、精加工和有效的組織編碼，因而不能有效地構(gòu)建起自己的知識(shí)體系和認(rèn)知結(jié)構(gòu)。前繼課程掌握的不牢靠，在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，在其認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，缺少對(duì)新知識(shí)進(jìn)行同化的適當(dāng)觀點(diǎn)，因此阻礙了學(xué)習(xí)的進(jìn)程。比如在《數(shù)字圖像處理》的圖像變換章節(jié)，關(guān)于二維傅里葉變換、離散余弦變換、沃爾什—哈達(dá)瑪變換和K-L變換等知識(shí)點(diǎn)均以《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的傅里葉變換為基礎(chǔ)，如果前面的知識(shí)掌握不扎實(shí)，上述內(nèi)容無(wú)論在理論還是動(dòng)手編程實(shí)踐上都會(huì)有一定的困難。

1.3社會(huì)就業(yè)需求分析

應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目的在于適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，對(duì)學(xué)校和學(xué)生而言，最為實(shí)際的就是提高就業(yè)率。在各大招聘網(wǎng)站上，對(duì)電子信息類專業(yè)的本科畢業(yè)生的需求主要以硬件設(shè)計(jì)為主，比如電路設(shè)計(jì)工程師、單片機(jī)和嵌入式應(yīng)用工程師，對(duì)于軟件類人才的需求，數(shù)字圖像處理工程師和語(yǔ)音信號(hào)處理工程師，除了對(duì)算法語(yǔ)言（比如C、C++、Matlab、OpenCV、Python）的要求外，還要求對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)框架的掌握和實(shí)踐經(jīng)歷，在學(xué)歷方面的要求一般是碩士。比對(duì)社會(huì)需求可以發(fā)現(xiàn)，本科階段在信號(hào)處理理論和軟件編程方面的學(xué)習(xí)事實(shí)上是為學(xué)生在更高層次（碩博士）階段的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，而民辦高校的學(xué)生畢業(yè)后大部分是直接進(jìn)入社會(huì)工作的，那這是否意味著這方面的學(xué)習(xí)在學(xué)生求職就業(yè)中不能發(fā)揮太大的作用？或者說(shuō)，重要性不大？這也是筆者在教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常被學(xué)生問(wèn)到的問(wèn)題。

2教學(xué)應(yīng)對(duì)策略

對(duì)上述存在的問(wèn)題進(jìn)行深入的分析發(fā)現(xiàn)，教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)方法的設(shè)計(jì)和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)效果之間是相互制約、相互影響的關(guān)系。常規(guī)傳統(tǒng)的教學(xué)方式側(cè)重于數(shù)字圖像處理原理和算法的教學(xué)，沒(méi)有充分的案例教學(xué)和項(xiàng)目教學(xué)方法的支撐，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，難以引導(dǎo)他們?cè)谡n堂知識(shí)之外去自主探索學(xué)習(xí)，構(gòu)建起自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不好。教學(xué)內(nèi)容的組織如果不能緊貼社會(huì)對(duì)人才的實(shí)際需求，過(guò)分強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單基礎(chǔ)原理的教學(xué)，不僅不能有效利用課堂教學(xué)的時(shí)間，也會(huì)讓學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)目的產(chǎn)生困惑，產(chǎn)生為什么學(xué)和學(xué)了有什么用等問(wèn)題。

因此《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)內(nèi)容在原有教材的基礎(chǔ)上需要針對(duì)圖像處理技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才的需求，做進(jìn)一步地更新;教學(xué)方法也要針對(duì)該課程理論和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合民辦高校生源實(shí)際情況，進(jìn)行改革。

2.1教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

2.1.1案例法的引入

在該課程的主要內(nèi)容中，圖像的運(yùn)算、增強(qiáng)、壓縮編碼和描述分析章節(jié)內(nèi)容不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，主要以概念講授為主，為每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)案例，讓學(xué)生進(jìn)行課堂練習(xí)、動(dòng)手實(shí)踐。課堂編程練習(xí)可以結(jié)合簡(jiǎn)單的案例進(jìn)行。比如圖像的平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)和縮放等，可以利用幾幅圖片現(xiàn)場(chǎng)編程演示，讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)知識(shí)的理解和記憶。圖像增強(qiáng)包括空間域和頻率域增強(qiáng)兩部分，基于灰度和基于直方圖處理的圖像增強(qiáng)也可以在概念講述的基礎(chǔ)上調(diào)用Matlab的函數(shù)進(jìn)行編程練習(xí);頻率域的圖像增強(qiáng)、平滑以及銳化處理需要用濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)化和鞏固也可以采用編程練習(xí)的方式進(jìn)行。課堂上的案例講解和動(dòng)手實(shí)踐能較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效果。

2.1.2項(xiàng)目法的引入

圖像變換、復(fù)原、分割和識(shí)別等內(nèi)容涉及比較復(fù)雜的算法和數(shù)學(xué)理論知識(shí)，講授時(shí)在教學(xué)內(nèi)容組織方面應(yīng)該突出重點(diǎn)，針對(duì)需要解決的問(wèn)題引入相應(yīng)的算法，而不能泛泛地介紹算法理論。由于大部分學(xué)生的基礎(chǔ)不牢，易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難心理。維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)思想”指出，最理想的教學(xué)要求，是既要高于學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平，又要是學(xué)生經(jīng)過(guò)努力能夠達(dá)到的。因而，這部分知識(shí)在講授時(shí)宜采用項(xiàng)目式教學(xué)方法，采用自上而下的教學(xué)策略，引入項(xiàng)目要求后，教師進(jìn)行項(xiàng)目需求分析、相關(guān)知識(shí)的講授、任務(wù)布置，并實(shí)時(shí)跟蹤項(xiàng)目進(jìn)展，進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)。學(xué)生在項(xiàng)目目標(biāo)的牽引下，通過(guò)聽(tīng)課、自己查資料、動(dòng)手編程實(shí)踐，對(duì)知識(shí)進(jìn)行消化吸收，在分析和解決問(wèn)題的過(guò)程中，能力得到加強(qiáng)。

例如在圖像變換這一節(jié)講授Hough變換時(shí)，可引入車道線預(yù)警的項(xiàng)目任務(wù)：在車輛行駛過(guò)程中偏離車道線時(shí)，行車記錄儀如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警？K-L變換可以識(shí)別圖像中的直線，原理是什么？如何實(shí)現(xiàn)？如何編程和調(diào)試？如何提高預(yù)警性能？一系列的任務(wù)布置下去，讓學(xué)生自己探索鉆研，可以采用分組的方式進(jìn)行，可采用報(bào)告講述或者小論文的形式提交結(jié)果。

在講授圖像分割和識(shí)別時(shí)，可引入車牌識(shí)別、人臉識(shí)別和手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別等項(xiàng)目任務(wù)，將學(xué)生分成若干組，每一組單獨(dú)完成，而后組織組間的交流和學(xué)習(xí)。車牌識(shí)別項(xiàng)目主要涉及的知識(shí)點(diǎn)包括圖像預(yù)處理、車牌定位、圖像分割和模式匹配識(shí)別，在理論知識(shí)學(xué)習(xí)完后，重要的是如何編程實(shí)現(xiàn);人臉識(shí)別可以采用主成分分析法，算法原理和編程實(shí)現(xiàn)都需要學(xué)生自主學(xué)習(xí);手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別在實(shí)現(xiàn)預(yù)處理、特征提取后，可以采用模板匹配、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者深度學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)識(shí)別。因而這部分的知識(shí)是需要學(xué)生利用較多的課后時(shí)間進(jìn)行深入拓展的。在此過(guò)程中，教師一定要發(fā)揮積極的監(jiān)督、指導(dǎo)作用，及時(shí)控制進(jìn)度、答疑解惑，有效推動(dòng)項(xiàng)目的發(fā)展。

項(xiàng)目教學(xué)法很好地貫徹了“最近發(fā)展區(qū)思想”，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的理念，將較難的知識(shí)點(diǎn)分解成一步一步學(xué)生容易達(dá)到的小目標(biāo)、小任務(wù)，教學(xué)效果較好。

2.1.3線上線下混合式教學(xué)方法

新冠疫情促進(jìn)了線上教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)課程的發(fā)展。在階段性疫情結(jié)束后，線上資源仍然可以有效利用，形成線上線下混合式教學(xué)方法。線上資源包括參考書(shū)籍、PPT、講授視頻、練習(xí)題、例程等，可借助于學(xué)習(xí)通和MOOC平臺(tái)。線上教學(xué)主要應(yīng)用于如下幾種場(chǎng)景：對(duì)課堂知識(shí)的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)、翻轉(zhuǎn)式課堂的自學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)方法理論知識(shí)部分的自學(xué)等。線上資源增加了學(xué)生在學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)時(shí)時(shí)間、學(xué)習(xí)方式等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)的可能性，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)深度和廣度，是對(duì)課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。

2.2結(jié)合職業(yè)規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，對(duì)接就業(yè)需求

在大學(xué)一年級(jí)學(xué)生剛進(jìn)校時(shí)，會(huì)學(xué)習(xí)《職業(yè)生涯規(guī)劃》《創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)》課程。進(jìn)入高年級(jí)學(xué)習(xí)了專業(yè)課之后，學(xué)生會(huì)對(duì)自己的興趣愛(ài)好志向和職業(yè)傾向性有了更為清晰的認(rèn)識(shí)，這時(shí)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和未來(lái)可能的就業(yè)方向，對(duì)學(xué)生進(jìn)行職業(yè)規(guī)劃的輔導(dǎo)，確定職業(yè)目標(biāo)后，針對(duì)社會(huì)發(fā)展對(duì)特定崗位人才的需求，做好學(xué)習(xí)計(jì)劃和實(shí)習(xí)計(jì)劃，更有效地利用課外時(shí)間和畢業(yè)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，利用一切機(jī)會(huì)，拓展自己的專業(yè)技能，對(duì)于縮小學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)和社會(huì)需求、對(duì)于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，有著重要意義。例如在本校電子系的人才培養(yǎng)方案中，C++、Python語(yǔ)言、OpenCV庫(kù)以及深度學(xué)習(xí)的框架沒(méi)有設(shè)置專門的課程學(xué)習(xí)，但社會(huì)上崗位需求強(qiáng)烈，因此及時(shí)修訂人才培養(yǎng)方案，并且引導(dǎo)有志向從事軟件和算法設(shè)計(jì)的學(xué)生利用課余時(shí)間自學(xué)相關(guān)課程，能更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)和社會(huì)需求的對(duì)接。

3結(jié)束語(yǔ)

本文從教學(xué)現(xiàn)狀、學(xué)生學(xué)習(xí)狀況、社會(huì)就業(yè)需求等三個(gè)方面分析了民辦高?！稊?shù)字圖像處理》課程實(shí)際面臨的困境，并提出了應(yīng)對(duì)策略。首先結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)難易不同的知識(shí)點(diǎn)分別采用案例法和項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，充分利用線上教學(xué)資源，拓展學(xué)生進(jìn)行自我學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)的空間;并在高年級(jí)，結(jié)合職業(yè)規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步明晰自己的興趣愛(ài)好和職業(yè)傾向性，根據(jù)社會(huì)就業(yè)需求和崗位職能要求，進(jìn)行有針對(duì)性的自學(xué)，為未來(lái)就業(yè)做好準(zhǔn)備。本文梳理的教學(xué)困境和應(yīng)對(duì)策略同樣適用于本專業(yè)的其它專業(yè)基礎(chǔ)課程。

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基金項(xiàng)目：2018年度湖北省教育廳人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目（18G097）。

作者簡(jiǎn)介：游波（1976 -），女，博士，武昌工學(xué)院副教授，中國(guó)職業(yè)規(guī)劃師，主要從事電子信息工程專業(yè)教學(xué)、生涯輔導(dǎo)和就業(yè)指導(dǎo)。