“數(shù)字圖像處理”課程的研究性教學探索及實踐

摘 要:文章介紹了“數(shù)字圖像處理”課程在注重理論教學、精心設計實驗教學、教學方法改革、更新教學內(nèi)容及適當運用雙語教學等幾方面的研究性教學方式，通過實施研究性教學，以提高該課程的教學水平、教學質(zhì)量和教學效果。實踐表明，通過研究性教學，激發(fā)了學生主動學習的興趣，提高了學生進行研究性學習的能力，同時也培養(yǎng)了學生運用知識進行項目設計和研發(fā)的能力。

關鍵詞:研究性教學數(shù)字圖像處理創(chuàng)新工科

中圖分類號:G521文獻標識碼:A文章編號:1673-9795(2011)05(a)-0109-02

工科類專業(yè)課程培養(yǎng)目標明確，實踐性較強，隨著社會的發(fā)展，電子信息技術的發(fā)展更是日新月異，要求培養(yǎng)出的高層次電子信息人才能夠適應社會的發(fā)展，具有較強的創(chuàng)新能力[1]?！稊?shù)字圖像處理》是電子信息科學與技術專業(yè)和電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，并且作為研究生學位課在研究生層次開設該課程，該課程具有工科專業(yè)課程所共有的許多特點，綜合性很強，涉及數(shù)學、物理學、控制理論、信號處理、生物生理學、心理學、計算機科學等多個領域的知識，而且各學科的發(fā)展以及它們之間的交叉、集成和滲透，都推動著數(shù)字圖像技術迅猛發(fā)展，也促使該課程的教學內(nèi)容不斷更新，相應對教與學、教學方法和手段都提出了較高的要求。為了切實提高教學水平、教學質(zhì)量和教學效果，我們在研究生的《數(shù)字圖像處理》的理論教學、實驗教學、教學手段、教學內(nèi)容及雙語教學等幾方面進行了教學改革探索，著重培養(yǎng)學生的研究性思維能力、理論聯(lián)系實際的能力及解決實際問題的科研能力。

1#8201;重視理論教學，培養(yǎng)學生研究性思維訓練

工科專業(yè)的教學內(nèi)容有較多既定的原理、概念和公式，原本教學應有的師生雙向關系由于教學內(nèi)容的傳承性強勢，使學生在教學過程中處于劣勢。因此，教師在課堂教學中應增加學生學習的“自主”和“研究”成分，為學生形成研究性思維習慣和培養(yǎng)研究能力作好鋪墊。理論教學能夠為學生奠定研究創(chuàng)新必不可少的知識基礎，也是研究性思維訓練的重要途徑。課堂教學不僅是學習基本知識的過程，也是學生了解科學研究，訓練科學研究思路與方法的過程。

數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受三個因素的影響:一是計算機的發(fā)展;二是數(shù)學的發(fā)展(特別是離散數(shù)學理論的創(chuàng)立和完善);三是廣泛的農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、軍事、工業(yè)和醫(yī)學等方面的應用需求的增長。我們歷來重視《數(shù)字圖像處理》“緒論”一章的講授，因為這一章不僅介紹了數(shù)字圖像處理這門科學的發(fā)生、發(fā)展、應用方面、對科學及國計民生的重要意義，而且著重介紹了本門科學的內(nèi)涵、特點及學習方法，對學生的后續(xù)學習和研究具有重要的指導意義。

在激發(fā)學生興趣的同時，提煉出研究性思維的切入點是我們教學研究的重點之一。數(shù)字圖像處理中涉及大量的數(shù)學問題，從工程應用的角度使這一數(shù)學工具回歸工程，既強調(diào)了數(shù)學的嚴密性，培養(yǎng)學生嚴密的邏輯思維能力，又使學生了解了工程運用的規(guī)律，從而使學生得到研究性思維訓練。如在講到FFT時，強調(diào)學生掌握快速傅里葉變換的基本思想，即利用變換核的對稱性和周期性實現(xiàn)的快速運算;又如，沃爾什變換的快速算法是利用矩陣分解的思想找到的;離散余弦變換的快速算法是利用兩倍序列長度的傅里葉變換實現(xiàn)等。

數(shù)字圖像處理中的數(shù)學描述與物理概念的相互印證也是重要的研究性思維方法。在科學研究中，把物理現(xiàn)象總結為數(shù)學模型，然后利用數(shù)學工具進行嚴密的推導與證明得到數(shù)學上的結論，這些數(shù)學結論再用物理概念加以解釋，并且，通過科學的物理實驗進一步加以驗證，這樣的科學研究就是最嚴謹?shù)目蒲蟹椒?。這些具有啟發(fā)性的知識點和科學嚴密的理論教學方法，將對學生今后從事科學研究及解決工程實際問題做出創(chuàng)新性工作具有巨大的啟發(fā)性，同時，對學生進行研究性思維訓練大有益處。

2#8201;精心設計實驗教學，提高學生研究性創(chuàng)新能力

工科課程實踐性很強，采用課堂教學與實踐教學并重的教學方法。實驗教學是培養(yǎng)學生實驗技能的重要途徑，也是研究性學習的具體體現(xiàn)。實驗教學不僅是檢驗理論知識、學習實驗技能與實驗技術，還可培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，為學生從事科學研究奠定基礎[2]。

由于《數(shù)字圖像處理》是一門理論性強、數(shù)學基礎要求高、計算機知識特別是計算機編程方面要求高、實踐性強的課程，因此，根據(jù)這一特點，一方面盡可能在理論上以圖像和實際實驗結果的方式向?qū)W生演示最新的研究成果，另一方面要求學生盡可能進行實際的數(shù)據(jù)處理、軟件試驗實踐，以幫助學生掌握抽象和復雜的理論，同時，使學生能夠有機會對實際的數(shù)據(jù)和影像進行親手處理實驗，提高學生的實際操作能力。

利用一些現(xiàn)有的工具(如Matlab)及其它高級語言(如C和C++)進行對實驗和系統(tǒng)設計和性能分析。在授課過程中，安排團隊課題，經(jīng)過團隊分工，通過查閱資料、方案設計和系統(tǒng)仿真，最后由學生講述團隊課題的進展和遇到的困難，闡述解決問題的思路和采用的解決方案，使得學生能夠通過團隊課題的探討進一步將基礎知識和科研相結合，也培養(yǎng)了學生解決科研問題的能力、語言組織表達能力和團隊協(xié)助能力，同時還加強了學生理論探索和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

針對研究生基礎知識較為扎實，以驗證性實驗為輔，以學生為主導的自主開發(fā)性實驗和具有研究性質(zhì)的探索性實驗為主。實踐教學內(nèi)容體現(xiàn)以下特點:(1)研究性和綜合性。(2)交叉學科題目。(3)前沿性。使學生不僅檢驗理論知識，而且培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，為學生從事研究創(chuàng)新奠定基礎。

3#8201;運用多種教學方法和現(xiàn)代化教學手段，提高研究性教學效果

教學形式靈活多樣。例如理論推導、例題講解采取板書，設計實例采用多媒體。

在教學方法上，通過大量生動的圖像處理實例調(diào)動學生學習積極性，引發(fā)同學對圖像處理的興趣，使學生既掌握了具體算法，也對處理效果有了實際感性認識，極大地激發(fā)了學生的學習積極性。注意理論與實踐緊密結合。圖像是視覺信息，在這門科學中信源及信宿均有特殊的性質(zhì)，因此，也就構成了這門科學的獨特魅力。如:本課中總結的人眼的許多視覺特性，同時介紹這些特性對圖像處理中的獨特作用，并給出成功應用的實例，引起學生的極大興趣，由此，進一步引導學生學好圖像編碼、圖像增強、圖像識別等章節(jié)的知識[3]。

積極引入現(xiàn)代教育技術，教師采用現(xiàn)代化教學手段，學生自主應用現(xiàn)代化教學手段學習，優(yōu)化教學的全過程，達到最優(yōu)化的教學效果。在課堂上引入多媒體教學并進行教學改革，注重學生思維的啟迪。如在圖像濾波器處理教學中，利用多媒體向?qū)W生演示不同頻率特性的濾波器(如高通、低通)對數(shù)字圖像的處理結果并進行比較，使學生對濾波器的作用以及效果有一個直觀的了解，并結合已講授過的圖像時域和頻域分析理論對這些結果進行解釋。教師利用現(xiàn)代化手段遠程教學，開展多媒體網(wǎng)絡化教學不僅促進教學內(nèi)容、教材形式的改變，而且促進教育思想、觀念的現(xiàn)代化，從而進一步改變了教學過程中學生認識事物的過程和教師、學生、教材三者間的關系，促使教師運用現(xiàn)代教育思想理念，不斷為學生提供“活的教材”，設計活的課堂，讓學生“活”起來，在探究發(fā)現(xiàn)中體會到學習的極大樂趣。有利于創(chuàng)建良好的教改環(huán)境，有利于學生個性充分的發(fā)展，有利于因材施教，有利于激發(fā)學習興趣，有利于教師角色的轉換，有利于提高教師隊伍的素質(zhì)和教學水平。學生自主應用現(xiàn)代化教學手段學習，學生可以在課外或在家中，利用電腦學校提供的教學軟件、教學互聯(lián)網(wǎng)的教學資料、Internet網(wǎng)等相關信息知識學習。這種方式學習的優(yōu)勢在于學生有靈活的選擇性、高度的獨立性與主動性。

4#8201;引入最新前沿知識和科研成果，對研究性教學具有引領作用

隨著電子信息技術的迅速發(fā)展，圖像處理科學是一門不斷發(fā)展的科學，新的理論及應用成果不斷涌現(xiàn)，將其適時地引入到課堂教學中，可啟發(fā)學生進行深入探究、激發(fā)學習興趣。因此，科學研究成果的適時引入對研究性教學具有重要的引領作用。特別是科學研究中解決實際問題的一些經(jīng)驗知識，在一般的教科書或文獻中不易見到的內(nèi)容，結合理論教學適時地介紹給學生，也對學生研究性思維習慣具有引領作用。

《數(shù)字圖像處理》課程的基本內(nèi)容包括圖像處理的概論和基礎知識、圖像增強、圖像分割、圖像幾何變換、圖像頻域處理、圖像特征提取與選取、圖像壓縮編碼以及圖像復原等知識[4]。以這些知識點為基礎，把相關的科研項目和實際項目滲透到授課中。比如，在介紹圖像處理的基礎知識的時候，我們可以結合工業(yè)檢測系統(tǒng)來講述圖像處理的過程;將牌照識別、人臉識別、圖像檢索等實際項目穿插到圖像增強、圖像分割、頻域處理以及特征提取與選取中。同時，把神經(jīng)網(wǎng)絡、分形理論、馬爾可夫隨機場、小波分析等概念滲透到部分章節(jié)中，并給出該理論解決問題的結果，以提高學生學習新理論的興趣，促使部分同學自學新的理論，培養(yǎng)學生的自學能力。

5#8201;適當進行雙語教學，提高學生外文文獻閱讀能力和寫作能力

針對教學內(nèi)容，有的實行全部英文教學，有的是掌握關鍵詞的英語表達，教學過程中，為學生提供一些國外著名的學術網(wǎng)站鏈接，以便使學生能夠了解到圖像處理技術的最新應用和發(fā)展方向。通過數(shù)字圖像處理課程的雙語教學，使學生能夠充分了解數(shù)字圖像處理技術和其它相關技術如計算機技術英語專業(yè)術語，熟悉圖像處理及其相關領域的廣泛應用背景，激發(fā)學生將計算機軟硬件知識應用于圖像處理問題以及其他信息處理問題的興趣和積極性，拓寬他們的知識面和視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，為學生外文文獻閱讀能力和寫作能力的提高打下良好的基礎。

布置某些專題進行設計，引導和鼓勵學生從學校電子圖書館參閱與專題相關的中英文期刊論文、學士和碩士畢業(yè)論文，并將多渠道獲取的相關資料進行整理研究。學生在搜集整理資料的過程中，對專題內(nèi)容涉及的基礎有一定的理解、對其應用和發(fā)展也有一個大致的了解，同時也提高了英文文獻閱讀能力和寫作能力。這個過程使得整個教學過程對學生具有預知性和透明性，它不僅培養(yǎng)了學生學習的主動性，也增強了學生解決問題的能力。

在“數(shù)字圖像處理學”授課中，將課程內(nèi)容的基礎性、先進性和應用性相結合，盡量做到系統(tǒng)性、科學性、完整性、先進性及實踐性的高度統(tǒng)一，為探索研究性教學做了一些嘗試。通過研究性教學，探索適合工科類專業(yè)課程教學的新模式，使學生不但能夠掌握專業(yè)課程的基本理論和方法，同時理解其應用，通過設計研究性實驗鍛煉動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)學生跟蹤世界前沿技術最新發(fā)展趨勢的能力，拓寬學生的國際視野，啟迪創(chuàng)新思路和意識，為進一步培養(yǎng)高質(zhì)量的現(xiàn)代專業(yè)技術人才做出貢獻。

參考文獻

[1] 陳建平，范欽珊，鄧宗白.從工科基礎課程的特點出發(fā)開展研究性教學[J].中國大學教學，2008，5:20～22.

[2] 胡伏原，王儉.數(shù)字圖像處理教學改革探索[J].中國科技信息，2009，14:248～249.

[3] 岡薩雷斯[著]，阮秋琦[譯].數(shù)字圖像處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[4] 章毓晉.圖象工程[M].北京:清華大學出版社，2004.