互動式教學(xué)在數(shù)字圖像處理課程中的應(yīng)用

摘 要：“數(shù)字圖像處理”是一門理論與實踐、原理與應(yīng)用結(jié)合緊密的課程。根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的問題，將互動式教學(xué)方法融入到數(shù)字圖像處理課程的課堂教學(xué)與實驗教學(xué)中，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下主動參與到教學(xué)活動中，通過師生互動充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性。實踐證明，這種方式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 互動 課堂教學(xué) 實驗教學(xué)

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0153-02

目前，許多高等院校都為電子信息、工業(yè)自動化等本科生開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”課程，其目的是為了使學(xué)生熟悉常見的圖像處理技術(shù)，以便將其應(yīng)用到工程學(xué)、計算機科學(xué)、信息科學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域中。該課程是學(xué)習(xí)“數(shù)字圖像處理”的基本理論、方法、實用技術(shù)以及典型應(yīng)用的一門工程技術(shù)課程，是一門理論與實踐、原理與應(yīng)用結(jié)合緊密的課程，具有理論性較強，涉及的基礎(chǔ)課程多，同時又要求實踐性高的特點。

1 教學(xué)過程中存在的問題

傳統(tǒng)的“數(shù)字圖像處理”教學(xué)中側(cè)重理論知識的介紹，由此帶來了許多方面的問題：（1）基本原理在整門課程中占有較大比重，從而導(dǎo)致學(xué)生接觸與實際應(yīng)用相關(guān)的前沿內(nèi)容太少；（2）大量的公式推導(dǎo)和證明造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生畏難情緒，不利于激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣和積極性；（3）學(xué)生對數(shù)字圖像處理缺少直觀上的了解，即使掌握圖像處理算法的原理，也不易和實際效果相聯(lián)系[1]。面對教學(xué)中存在的普遍問題，在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生進行圖像處理實驗的主觀能動性，緩解學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識時的抵觸情緒成為教師必須思考的問題和改善的現(xiàn)象。

2 互動式教學(xué)在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用

互動式教學(xué)指在課堂教學(xué)過程中，通過一定的教學(xué)手段，使教師、學(xué)生、環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容等互相協(xié)調(diào)、互相促進，提高教學(xué)效果的一種教學(xué)模式。大學(xué)課堂師生互動是指在特定的課堂教學(xué)情境下，為了實現(xiàn)教師的教和學(xué)生的學(xué)，師生之間相互作用和影響的貫穿于整個教育教學(xué)活動的一種教學(xué)手段，是一種特殊的人際互動，具有目標性、啟發(fā)性、可操作性、反思性、可評估性等特點[2]。

在“數(shù)字圖像處理”的課堂教學(xué)中，主要以講授其基本原理和方法為主要同容。傳統(tǒng)課堂教學(xué)中多以教師為主導(dǎo)，強調(diào)知識的灌輸，缺乏與學(xué)生的交流，互動教學(xué)內(nèi)容單一，這種教學(xué)模式會使學(xué)生對本來理論性偏強的課堂教學(xué)失去學(xué)習(xí)的興趣，無法與實際應(yīng)用相結(jié)合。課堂教學(xué)是教師與學(xué)生共同參與的活動，將互動式教學(xué)融入到“數(shù)字圖像處理”的課堂及實驗教學(xué)中，使學(xué)生意識到自己在教學(xué)中的重要地位和作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有助于學(xué)生克服對枯燥理論的抵觸心理。教學(xué)流程可分為以下幾部分。

2.1 課前教學(xué)準備

做好充分的課前準備是進行互動教學(xué)的基礎(chǔ)，教師應(yīng)該從兩個角度來準備上課內(nèi)容，首先是站在教師的角度，教師要對本堂課的主要內(nèi)容非常熟悉，要了解本堂課的教學(xué)目的、要求、重點和難點，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容采用合適的教學(xué)手段和方法。互動是師生共同完成的過程，所以教師在備課時理應(yīng)站在學(xué)生的角度思考一些問題，想學(xué)生之所想，關(guān)于重點內(nèi)容如何講解才能引起學(xué)生的興趣和重視，哪里會成為學(xué)生不易理解的難點問題，進而進行課前準備，這樣才能達到事半功倍的效果。例如，第一講緒論中會介紹數(shù)字圖像的發(fā)展、應(yīng)用、特點、定義等內(nèi)容。通過這一講需要讓學(xué)生對數(shù)字圖像處理建立正確的認識，但是大部分學(xué)生在開始接觸這門課時都會產(chǎn)生一個誤區(qū)，認為圖像處理就是利用Photoshop等軟件處理圖像，所以，介紹數(shù)字圖像處理在文化藝術(shù)的應(yīng)用時要向?qū)W生著重強調(diào)這些軟件只是數(shù)字圖像處理的應(yīng)用，在學(xué)生開始學(xué)習(xí)前及時更正這一誤區(qū)，同時也會促進學(xué)生對本課程更加深入地了解。

2.2 授課內(nèi)容引入

高爾基說“文章的開頭為定調(diào)”，好的開頭是成功的一半，一堂課引人入勝的開場白則是為互動營造氛圍，同時可以吸引學(xué)生的注意力，鉗住學(xué)生的思維，為互動提供了主觀條件。內(nèi)容引入的方法有許多種，只要合理、積極的選擇就可達到很好的效果。例如，在介紹圖像增強的時候，以一個生活中常見例子為開場白：同學(xué)們平時使用手機或旅游時使用數(shù)碼相機都可以拍照，會不會遇到這樣一種情況，雖然你所使用的拍攝工具的分辨率很高，或者拍攝者的攝影技術(shù)很好，可是拍攝的圖像依然會模糊。學(xué)生會回應(yīng)遇到過這種情況，并開始想知道為什么會這樣。無形中增加了學(xué)生對這堂課的吸引力，提高學(xué)生的興趣，營造一種輕松自由的課堂氛圍。在這種氛圍中，學(xué)生的思維比較活躍，注意力比較集中，學(xué)習(xí)積極性也有所提高，這就為互動話題的展開提供良好的條件。

2.3 互動教學(xué)展開

教師對本堂課的基本原理進行講解，提出若干問題留出時間讓學(xué)生思考并對問題進行分析、轉(zhuǎn)化和整理，按問題劃分小組討論，每一組挑選一個學(xué)生來敘述討論結(jié)果，并由其他學(xué)生進行提問和補充。當(dāng)所有學(xué)生認為沒有問題之后，教師根據(jù)討論過程進行適當(dāng)?shù)狞c評，并及時對提出問題和解決問題的學(xué)生予以充分在肯定，并鼓勵其他學(xué)生也踴躍參加，最后由教師對整個過程進行歸納總結(jié)。

例如，學(xué)習(xí)傅里葉變換的目的是為了利用圖像在頻域的性質(zhì)和特點，將圖像由所在的空間域轉(zhuǎn)換到頻率中進行頻域處理，然后再反變換回原圖像。掌握傅里葉變換的性質(zhì)是進行頻域處理的基礎(chǔ)。在講解傅里葉變換時，先講解二維離散傅里葉變換的公式，再將圖像的二維離散傅里葉頻譜的實例展示給學(xué)生（見圖1所示）。圖像的頻譜特性與圖像的灰度變化是有對應(yīng)關(guān)系的，頻譜圖表示圖像能量的分布，很明顯該圖像的大部分能量都集中在頻譜圖中心，并且關(guān)于中心對稱。根據(jù)傅里葉變換的公式并規(guī)定圖像的空間坐標原點在左上角，而頻譜圖的頻率坐標原點在中心，提出四個問題：（1）為什么圖像的能量都集中在了原點周圍？（2）為什么頻譜圖的原點在中心？（3）為什么能量關(guān)于中心對稱？（4）根據(jù)頻譜如何重建原圖像？學(xué)生分成四組分別討論其中一個問題。在討論過程，學(xué)生可以向教師提出自己的疑問，教師進行適當(dāng)?shù)奶崾荆⑶伊私鈱W(xué)生的討論情況進而對整體進行把握。討論結(jié)束后由每組選一個代表來回答問題。學(xué)生通過討論和思考后認為：第一個問題是因為頻譜的原點對應(yīng)圖像灰度的平均值；第二個問題是因為圖像進行了中心化，中心化的依據(jù)是傅里葉的平移性；第三個問題是因為傅里葉變換具有共軛對稱性；第四個問題是根據(jù)周期性圖像可重建。雖然在回答問題過程中學(xué)生也會出現(xiàn)不確定、回答錯誤或是被其他學(xué)生質(zhì)疑的情況，但是經(jīng)過教師的引導(dǎo)都可以很好地回答出問題。最后教師再對傅里葉變換的性質(zhì)進行歸納總結(jié)。采用這種方式，學(xué)生把傅里葉變換的性質(zhì)和圖像很好地結(jié)合起來，同時加深了印象，為后面介紹頻域處理打下了良好的基礎(chǔ)。

2.4 課堂小結(jié)

在教師進行課堂小結(jié)之前，先讓學(xué)生自行進行總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容都有哪些，哪些知識比較容易，哪些知識比較難理解，課堂互動過程中提出了哪些問題，解決了哪些問題，主要的解決方法是什么等等，最后由教師進行補充和擴展，因為限于學(xué)生的知識范圍，當(dāng)所有學(xué)生都發(fā)表完自己的觀點之后，難免會遺漏一些重要的知識點，這就需要教師在學(xué)生討論過程中記錄這些相關(guān)的知識點，最后進行補充，并進行詳細地分析和講解，讓學(xué)生對這部分內(nèi)容有足夠的認識和理解[3]。

2.5 實驗教學(xué)互動

實驗教學(xué)是數(shù)字圖像處理課程中的一個重要內(nèi)容，通過MATLAB上機編程使學(xué)生將理論知識與具體的應(yīng)用結(jié)合起來。為了充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，在實驗教學(xué)中通過互動關(guān)注學(xué)生的分析能力、綜合能力以及探索創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。整個過程可分為內(nèi)容領(lǐng)會階段、分析實現(xiàn)階段、綜合及創(chuàng)新階段。第一階段，讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進行回顧，知道本次實驗要解決和驗證的問題。教師采用現(xiàn)場提問來引導(dǎo)學(xué)生對實驗內(nèi)容的思考并通過讓學(xué)生自己制定實驗流程圖來調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。第二階段，根據(jù)學(xué)生自己制定的實驗流程圖，教師確定其是否合理，如果合理，讓學(xué)生自己去編程實現(xiàn)，如果不合理，則指出問題所在并讓他思考調(diào)整實驗流程。在這一階段，老師只扮演引路人的角色，不能替代他們解決問題，只能告訴他們解決問題的思路，具體要讓學(xué)生自己去實現(xiàn)。第三階段，重點培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力，學(xué)生依據(jù)自己寫下的過程報告總結(jié)在實驗過程中遇到的問題及其解決方法，要求學(xué)生回過頭來看本次實驗，對自己制定的實驗流程進行剖析，歸納出它的優(yōu)缺點，并思考本次實驗中采用的方法能否還可以與其他方法綜合在一起，提高實驗效率。此外，還要對實驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)其中是否包含某種規(guī)律性。最后，找到本次實驗方法和過程中存在的不足，并思考其改進方法，力求發(fā)現(xiàn)新問題，提出新思路[4]。

例如，對含有噪聲的圖像進行均值濾波處理，讓學(xué)生分別使用MATLAB圖像處理工具箱的已有函數(shù)和利用MATLAB基礎(chǔ)工具箱進行流程圖設(shè)計及編程仿真，運行結(jié)果如圖2所示。很明顯，二種方法的處理結(jié)果并不一致，由此引發(fā)學(xué)生對兩種算法的分析及深入理解。在基本方法的基礎(chǔ)上改善和優(yōu)化程序，提高學(xué)生的邏輯分析能力和編程水平。

3 結(jié)語

課堂互動過程不是簡單地教與學(xué)，不是單一地輸入與輸出的靜態(tài)展示，而是充滿各種可能的互相影響、相互制約的動態(tài)展現(xiàn)[5]?；邮浇虒W(xué)應(yīng)用到數(shù)字圖像處理課程的課堂教學(xué)和實驗教學(xué)中，充分的課前教學(xué)準備是互動的前提，引人入勝的開場白是互動的基礎(chǔ)，重點及難點內(nèi)容是互動的話題，課堂小結(jié)是互動的結(jié)尾。通過實踐，互動可以充分發(fā)揮學(xué)生在課堂中的主人翁意識，促進學(xué)生參與到課堂教學(xué)中來，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，有效的提高了課堂的教學(xué)效果。

參考文獻

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