獨(dú)立學(xué)院的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革的探索

［摘 要］數(shù)字圖像處理是電子信息類專業(yè)普遍開設(shè)的專業(yè)課程，具有理論結(jié)合實(shí)踐的特點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程的不足，從獨(dú)立院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)出發(fā)，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等的改革。實(shí)踐表明，這些改革的思路能有效提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，取得良好的教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字圖像處理 獨(dú)立學(xué)院 教學(xué)改革

［中圖分類號(hào)］ TN919.8 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2013）02-0133-03

數(shù)字圖像處理是一門迅速發(fā)展的新興學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷加深和擴(kuò)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)已取得長足的進(jìn)展，出現(xiàn)了許多新理論、新方法、新手段和新設(shè)備，并在軍事、航空、航天、遙感、醫(yī)學(xué)、通信、自控、天氣預(yù)報(bào)以及教育、娛樂、管理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。《數(shù)字圖像處理》是一門多學(xué)科交叉、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性課程，著重研究數(shù)字圖像處理的方法，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。本文從獨(dú)立學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的目的出發(fā)，主要針對(duì)該門課程傳統(tǒng)教學(xué)的不足，從理論和實(shí)踐教學(xué)的角度，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等各方面進(jìn)行教學(xué)改革的探索。

一、傳統(tǒng)課程教學(xué)的不足

（一）理論和實(shí)踐學(xué)時(shí)分配不平衡

在數(shù)字圖像處理課程的實(shí)際教學(xué)中，理論和實(shí)踐學(xué)時(shí)的分配不平衡成為獨(dú)立學(xué)院本科教學(xué)過程中存在的比較突出的問題。一是嚴(yán)格向普通本科院校看齊，而不顧獨(dú)立學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，過分強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的傳授，理論學(xué)時(shí)過多，達(dá)到64學(xué)時(shí)；二是忽略本科院校培養(yǎng)有一定科研能力人才的要求，缺乏學(xué)科知識(shí)體系的合理架構(gòu)，過分強(qiáng)調(diào)應(yīng)用技能的傳授，實(shí)踐學(xué)時(shí)過多，如主要強(qiáng)調(diào)Photoshop軟件的使用，達(dá)到16學(xué)時(shí)甚至更多。

（二）理論推導(dǎo)過多，導(dǎo)致學(xué)生興趣低落

數(shù)字圖像處理課程要求先修線性代數(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等，涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)內(nèi)容多，理論公式推導(dǎo)多，如在圖像的頻域變換一章中涉及了離散余弦變換、K-L變換、離散沃爾什-哈達(dá)瑪變換、小波變換等。如果只是片面依靠講授理論公式的推導(dǎo)，把大量的教學(xué)課時(shí)用在理論性較深的章節(jié)中，而忽略了這些理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生興趣低落，不利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過多，缺乏創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題

目前，在數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)中，偏重設(shè)置驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。（如表1所示）

表1 傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)一覽表

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學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，將過多的時(shí)間用在敲程序和調(diào)試程序的過程中，對(duì)程序的理解不夠，且無法發(fā)揮積極性和創(chuàng)造性。

二、理論教學(xué)改革的探索

（一）教學(xué)內(nèi)容的改革

對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理的內(nèi)容主要包括圖像采集、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像描述、圖像識(shí)別等幾部分內(nèi)容，但是對(duì)于應(yīng)用型本科教學(xué)的特點(diǎn)和學(xué)時(shí)的安排應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)選擇。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者總結(jié)出圖像描述、圖像識(shí)別作為圖像處理的高級(jí)處理的內(nèi)容，在本科階段可略講。而對(duì)于圖像采集、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼以及圖像分割等應(yīng)用性比較強(qiáng)的內(nèi)容，應(yīng)盡量詳細(xì)講解。

另外，針對(duì)教學(xué)過程中一旦出現(xiàn)理論性較強(qiáng)、公式推導(dǎo)過多的內(nèi)容，學(xué)生的聽課熱情就會(huì)降低，并且會(huì)影響教學(xué)進(jìn)度的問題，首先應(yīng)該根據(jù)獨(dú)立學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的接受能力進(jìn)行適當(dāng)取舍。在講解的過程中，應(yīng)注意理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，盡量使復(fù)雜的問題簡單化。比如小波變換算法，需要講清楚該算法主要應(yīng)用在JPEG2000中，并比較與JPEG標(biāo)準(zhǔn)中的DCT變換的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際問題闡述該算法的應(yīng)用，這比單純講解算法本身的公式推導(dǎo)要重要得多，對(duì)于學(xué)生來說也更加直觀，好理解。又如，在講圖像增強(qiáng)中比較重要的知識(shí)點(diǎn)直方圖時(shí)，如果從直方圖均衡化前后的對(duì)比效果圖入手，讓學(xué)生先直觀地了解直方圖均衡化的作用和應(yīng)用，再來講均衡化處理的原理和步驟，并且讓學(xué)生思考直方圖均衡化在實(shí)際生活中的應(yīng)用，更能夠帶動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

（二）教學(xué)方法的改革

在教學(xué)過程中，通過多媒體和板書相結(jié)合的方式進(jìn)行直觀教學(xué)，可以提高課堂教學(xué)中學(xué)生主體的積極性。首先，課件的制作多以圖像的形式展示教學(xué)信息，因?yàn)閳D像比語言和文字更容易被學(xué)生感知，且印象更深；采用動(dòng)畫的形式，提高信息的表現(xiàn)力，有利于學(xué)生詳細(xì)觀察和分析。同時(shí)，對(duì)于不可缺少的重要的公式推導(dǎo)，應(yīng)采用板書的形式，加深學(xué)生的記憶力，避免過分依賴課件造成學(xué)生對(duì)公式理解的不透徹。

在教學(xué)過程中，通過專題式教學(xué)可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。比如，讓學(xué)生在課程初期，通過查資料開始接觸GUI設(shè)計(jì)，配合課程的內(nèi)容——圖像采集、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼以及圖像分割等，分小組分專題進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，并打包成可執(zhí)行文件。教師在講授完每一部分內(nèi)容后，學(xué)生可進(jìn)行界面設(shè)計(jì)的展示。圖1為圖像邊緣檢測(cè)內(nèi)容結(jié)束后，學(xué)生進(jìn)行的GUI設(shè)計(jì)展示——圖像邊緣檢測(cè)界面，可實(shí)現(xiàn)圖像文件的打開、保存、退出、手動(dòng)邊緣檢測(cè)和自動(dòng)邊緣檢測(cè)，其中主要對(duì)Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子以及LOG算子四種常用算子進(jìn)行檢測(cè)并分析比較檢測(cè)結(jié)果。

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圖1 圖像邊緣檢測(cè)界面

這樣，一方面，學(xué)生可鞏固每一章的理論知識(shí)，并總結(jié)各個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行比較全面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更綜合的圖像處理的功能；另一方面，各小組成員通過代碼的改寫或參數(shù)的調(diào)試，逐步消除對(duì)編程的畏懼情緒，樹立學(xué)習(xí)的信心。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、師生交流、小組討論、展示和答辯，形成了一個(gè)良好的交流平臺(tái)，極大地促進(jìn)了學(xué)習(xí)的熱情，提高了分析問題、解決問題的能力，更培養(yǎng)了科研探究精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

三、實(shí)踐教學(xué)改革的探索

（一）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇

用于數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件平臺(tái)有很多，如Visual C++、Photoshop、MATLAB等。通過比較，選擇最適合于我院本科教學(xué)的一款軟件是MATLAB。MATLAB軟件有專門的數(shù)字圖像處理工具箱，包括一系列的圖像處理函數(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)圖像處理的操作，且難易適中，并且學(xué)生在數(shù)字信號(hào)處理課程中曾使用過，應(yīng)用起來更加得心應(yīng)手。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整

本門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中偏重驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性的不足，我們做了如下嘗試：1.對(duì)于必不可少的一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，加大思考題的比例，通過參數(shù)的修改，讓學(xué)生掌握函數(shù)的用法和處理的方法，并能夠進(jìn)行正確的結(jié)果分析。2.適當(dāng)減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，多設(shè)置應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。如圖像水印的嵌入和提取過程，圖像壓縮和解碼過程等。學(xué)生在了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯拢?～4人組成小組，進(jìn)行方案的討論、設(shè)定、過程和結(jié)果分析。3.對(duì)于一些開放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自愿選修，并作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題和今后畢業(yè)設(shè)計(jì)的重要研究方向。如指紋識(shí)別、車輛識(shí)別、動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤、數(shù)字視頻壓縮等，可擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生的編程能力和分析問題、解決問題的能力。4.輔助理論教學(xué)，在每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，都進(jìn)行簡單的GUI界面設(shè)計(jì)和練習(xí)，便于每一部分理論講授完后的GUI界面演示。具體調(diào)整如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整后一覽表

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（三）實(shí)驗(yàn)考核的改革

經(jīng)過幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂中學(xué)習(xí)熱情高漲，并且實(shí)驗(yàn)的演示系統(tǒng)能夠用于課堂理論教學(xué)的展示。于是筆者做了大膽嘗試，要求學(xué)生在所有實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后撰寫實(shí)驗(yàn)論文，并對(duì)各次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析和總結(jié)，以PPT進(jìn)行陳述和答辯。這就要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行回顧，必要時(shí)可自己重新做實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

筆者在幾年的數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)過程中，不斷總結(jié)，不斷思考，力求尋找一種適用于獨(dú)立學(xué)院的教學(xué)改革的思路。針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)中的不足，從理論教學(xué)改革和實(shí)踐教學(xué)改革兩個(gè)方面提出了一些改革的思路。通過教學(xué)實(shí)踐證明，這些思路有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的動(dòng)手能力、增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，這些通過課堂管理、學(xué)生評(píng)教、考試成績、科技創(chuàng)新和畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量等環(huán)節(jié)都有所體現(xiàn)。當(dāng)然，對(duì)于一門極具發(fā)展前景的學(xué)科，我們還需要繼續(xù)探索教學(xué)改革的思路和措施，不斷完善教學(xué)內(nèi)容和方法，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)而努力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

［1］ 王江濤等.面向?qū)嶋H應(yīng)用的數(shù)字圖像處理教學(xué)探討［J］.淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，31（4）：87-90.

［2］ 肖樟樹.基于工程訓(xùn)練的數(shù)字圖像處理教學(xué)方法探討［J］.科技資訊，2011，（35）：203.

［3］ 宮娜娜.應(yīng)用型本科的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革［J］.福建電腦，2012，（1）：41-42.

［4］ 夏海英.基于實(shí)踐能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)方法探索［J］.高等教育，2011，（9）：41.

［5］ 阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［6］ 岡薩雷斯等著.數(shù)字圖像處理（MATLAB版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［7］ 余波.獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程教學(xué)改革探究［J］.大學(xué)教育，2012，（4）：36.

［責(zé)任編輯：劉鳳華］