基于建構主義理論的“圖像傳輸與處理”課程教學方法改革

吳峰，朱錫芳，李楊，謝浩

(1.常州工學院電子信息與電氣工程學院，江蘇 常州 213002;2.常州工學院光電工程學院，江蘇 常州 213002)

0 引言

在信息大爆炸的今天，圖像仍然是一種最常見的信息載體，它具有信息量大、直觀和易于理解等特點。發展數字圖像處理技術，對于提高圖像信息利用率，降低圖像采集成本，推動人工智能、機器視覺、工業自動化等技術的發展有重要意義。“圖像傳輸與處理”課程重點講授數字圖像處理的基本理論和方法，成為電子信息工程專業的重要課程，它的開設適應了時代信息技術發展的需要。

“圖像傳輸與處理”課程內容涉及數學、物理、信息和計算機等多個學科，并在遙感、醫學、生物制藥、通信以及社會生活的各個領域均有廣泛應用。［1］該課程教學應使學生牢固掌握并靈活運用基本理論，培養學生分析問題、解決問題的能力。教師往往根據教學內容通過演示和講解圖像處理的實例，活躍課堂氣氛，在鞏固理論知識，提高學生應用能力方面取得了一定的效果。［2-3］然而學生自學能力差、消極應付作業等現象屢見不鮮，其解決實際問題的能力提高有限。歸根結底，上述教學方式仍沒有脫離傳統的教學模式。

本文研究建構主義學習理論，討論師生在教學中的地位及相互關系，分析知識建構的內涵，研究以學生為中心的教學策略。在此基礎上，設計和開發密切聯系課程內容的教學輔助軟件，并將之運用到“圖像傳輸與處理”課程教學中。教學實踐表明，教輔軟件提供了符合課程內容的情境，通過啟發學生探究、引導課堂交流和討論，激發學生的主觀能動性和學習興趣，有利于培養圖像處理領域“能學習、會應用”的有用人才。

1 建構主義學習理論的分析

建構主義興起于20世紀80年代，是在研究兒童認知規律的基礎上發展而成的一種新的學習理論，被譽為“當代教育心理學中正在發生著的一場革命”［4］。建構主義學習理論認為知識是學習者在一定的情境下，借助其他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得［5］，指出理想的學習環境由“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”等四部分組成［6］。分析建構主義學習理論，可得出以下結論。

首先，學生是學習活動的主體，教師起指導和輔助學生學習的作用。傳統教學過程側重于老師“教”和學生“學”，形成“教師講、學生聽，教師問、學生答，教師考、學生背”的模式。教師支配著教學過程，是教學活動的主體，學生處于被動學習的地位。雖然為了提高學生學習興趣，教師會精心設計教學內容［7］，合理安排教學過程，并充分運用講課藝術，使教學內容生動，但是學生不善于主動思考和提問，參與教學的熱情不高，甚至消極應付。教學不可避免地變成了硬性灌輸知識的過程，學生難免會表現出厭學情緒。建構主義學習理論表明知識是學生自主構建的，而不是灌輸的，教師只起輔助作用。正確處理師生在教學中的地位和作用，就能解決學生課堂玩手機、課堂秩序差、逃課和抄襲作業等問題。教師引導學生成為教學活動主體，積極幫助學生主動建構知識，有利于教學良性發展。

其次，符合教學內容的情境是學生聯系原有知識、建構新知識的橋梁。學習是一個不斷積累新知識的過程，而原有知識是新知識的生長點，意義建構是學習過程的最終目標。學生只有對新知識所反映的事物性質、規律和相互關系產生深刻認識，才能理解新知識、掌握新知識，并靈活運用它們。傳統的教學過程往往忽視學生的原有知識結構，很少給予密切聯系新舊知識點的具體內容或實例，當學習內容難度較大時，學生經常會囫圇吞棗，不能消化和長久地記憶教學內容，導致產生厭學情緒。如果教師創設符合教學內容的情境，幫助學生使用原有知識解釋新現象，建立知識點之間的相互聯系，將有利于他們順利實現對新知識的意義建構。

最后，在學習過程中，相互交流、討論必不可少。目前教學中仍然存在“老師永遠是對的”觀念，認為教師的安排總是正確的，所授知識即是真理。這一觀念束縛學生不敢思考，制約他們勇于創新，使教學過程缺乏交流和討論，學生經常害怕被提問，而教師缺乏了解學生真實的學習狀況。理想學習環境中“協作”、“會話”兩個要素表明，教師和學生之間、學生和學生之間的協商不可缺少。［8］教師應提高教學互動，引導學生主動思考，探討授課內容，批判性地學習，達到“意義建構”的目的。教師則能清楚把握學生的想法和學習狀態，明確教學得失，從而改進授課方法，實現教學相長。

由以上分析可見，建構主義學習理論體現了一切以學生為本的教育理念，為改革“圖像傳輸與處理”課程教學方法指明了方向。

2 課程改革的探索

“圖像傳輸與處理”課程理論豐富，知識點實踐性強，應用廣泛。圖像作為該課程的主要研究對象，具有直觀、可見、信息豐富等特點。在教學中，利用多媒體技術，顯示圖像在傳輸與處理過程中的變化及處理結果，能使抽象的理論知識形象化，有利于學生理解和掌握課程知識。同時，計算機程序設計是將該課程理論轉化為實際應用的橋梁，也是教學演示的必要基礎。因此，計算機應用在“圖像傳輸與處理”課程教學中具有舉足輕重的作用。另一方面，隨著計算機的普及使用，學生對計算機技術興趣高，操作計算機的能力強，學習新軟件的效率也很高。以上這些狀況為“圖像傳輸與處理”課程改革提供了思路。本文設計和開發教學軟件，將之運用到教學實踐中，使學生能夠在玩中學，提高他們的自學能力和應用能力，提升教學質量。

2.1 教學輔助軟件的設計

在MathsWorks公司的Matlab軟件平臺上，利用其圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)功能，根據課程教學內容，按照模塊化方法，設計教學軟件。

第一步，劃分模塊，設計主界面?！皥D像傳輸與處理”課程主要包含數字圖像的基本處理、正交變換、增強、復原、幾何變換、形態學處理、壓縮編碼、分割以及圖像特征分析和識別等知識點。其中圖像特征分析和圖像識別屬于圖像高級處理的內容，理論復雜，難度大，只要求學生有所了解。為此，按照以上教學內容，將軟件分成8個主要模塊。根據對應章節的知識點，每個模塊又細分為多個子模塊。由于圖像復原、幾何變換、形態學處理模塊內容較少，這幾個模塊不再細分。在此基礎上，合理安排每個模塊在主界面上的位置，使軟件布局合理、美觀。設計得到的主界面如圖1所示。

第二步，設計子模塊界面。根據教學內容和教學思路，選擇合適的控件安置在子模塊界面上。子模塊設計成具有友好的人機交互界面，主要由圖像顯示區、用戶操作區、程序代碼區等三部分組成?！皥D像采樣與量化”子模塊界面上三個部分的分布如圖2所示。圖像顯示區顯示原始圖像、處理結果圖像，或者以圖像的方式顯示中間過程的數據，展現基本原理的應用過程和效果。用戶操作區允許用戶自由選擇原始圖像，改變處理條件和參數。程序代碼區給出當前圖像處理的程序代碼清單，允許用戶修改和執行程序代碼。

圖1 教學輔助軟件主界面

圖2 “圖像采樣與量化”子模塊界面

第三步，進行程序設計，分別完善各子模塊功能，根據模塊間的相互關系，設計它們相互觸發的功能。

2.2 教學軟件應用舉例

本節以“傅里葉基本操作”子模塊為例，詳細說明軟件在教學中的具體應用。該子模塊的界面如圖3所示，其中左上部分為圖像顯示區，分別顯示原始圖像、傅里葉頻譜圖、濾波器圖、處理結果。右邊是用戶操作區，用戶可以選擇和輸入原始圖像，修改濾波器種類和參數。程序代碼區位于界面左下部分，用戶修改其中的代碼，點擊“運行程序”按鈕，圖像顯示區將顯示執行結果。

首先，學生使用該子模塊，對如圖4(a)所示圖像作傅里葉正逆變換(選擇高通濾波，截止頻率為0)，觀察傅里葉頻譜圖，如圖4(b)所示。選擇對數變換和直方圖拉伸處理，觀察頻譜圖，如圖4(c)所示。啟發學生比較前后頻譜圖和代碼區的變化，使他們熟悉傅里葉變換和對數變換過程，及對數變換的特點。

然后，學生分別執行低通、高通濾波處理。當截止頻率fc分別取最高頻率fmax的10%、20%、30%時，低通、高通濾波結果如圖5和6所示。啟發學生分析截止頻率與濾波結果的關系，開展討論，得出傅里葉頻譜中低頻、高頻信息分別代表圖像的概貌和細節的結論。

圖3 “傅里葉基本操作”子模塊界面

圖4 對數變換前后的頻譜圖

圖5 低通濾波結果

圖6 高通濾波結果

接著，針對如圖7(a)所示的圖像，引導學生思考處理方法。經過傅里葉變換，頻譜圖如圖7(b)所示，發現其中有少數突出的亮點，分析得出圖像降質的原因是原圖受到周期性噪聲的干擾，使用帶阻濾波處理可以改善圖像。通過濾波處理，證實以上想法，結果如圖7(c)所示。

最后，啟發學生思考圖像頻域處理有哪些優點，并展開討論，學生點擊“知識要點”，驗證討論結果。

實踐表明，采用軟件輔助“圖像傳輸與處理”課程教學，取得了較好的成效。

圖7 帶阻濾波舉例

第一，學生在使用軟件的過程中，軟件提供的圖像處理視覺效果能激發其好奇心，引導他們探究并自我建構知識，有助于使學生成為教學活動的主體。

第二，軟件提供課程知識點與其他知識相互聯系的特定情境，學生自由選擇輸入圖像和前提條件，自由改變程序指令，能充分發揮學生的想象力和創造力，使他們加深理解知識之間的關系，實現意義構建的目標，并提高其分析問題的能力。

第三，學生頻繁地接觸常用圖像處理語句和命令，便于逐漸熟悉基本的圖像處理程序設計方法，有利于掌握編程技巧，提高解決問題的能力。

3 結語

建構主義學習理論強調學習是學生以自我為中心主動構建知識的過程，教師建立符合教學內容的情境有利于學生理解知識點的內涵及其相互聯系，課堂交流有助于促進教學相長。本文設計的教學輔助軟件緊密聯系“圖像傳輸與處理”課程教學內容，模塊化設計合理，運用該軟件開展課程教學，能引導學生主動參與教學，變被動學習為主動學習，成為教學活動的主體。軟件各模塊與課程重要知識點相對應，提供聯系新舊知識的具體實例及其存在的問題，激發學生探究學習，提高他們的自學能力和應用能力。以該軟件輔助教學，便于開展啟發式教學，引導學生討論，增強互動，提高課程教學質量。

［1］呂朝輝.“數字圖像處理”課程教學改革與實踐［J］.高教論壇，2010(11):58-59，62.

［2］吳鍇，葛海鮮，郭海霞.《數字圖像處理》課程教學改革的研究［J］.山西農業大學學報，2007，6(6):160-161.

［3］王俊祥.數字圖像處理課程的特色教學方式研究［J］.中國信息化，2013(8):320-320.

［4］Slavin R E.Education Psychology:Theory and Practice［M］.Massachusetts:Needham Height，1994.

［5］傅四保.建構主義學習理論指導下的項目教學法初探——以“教育技術學研究方法”課程教學為例［J］.中國大學教學，2011(2):56-58.

［6］劉松.學習主體認知結構構建的過程模型［J］.當代教育論壇，2011(27):25-27.

［7］劉忠艷，周波，車向前，等.“數字圖像處理”課程教學改革實踐［J］.中國電力教育，2012(20):59-60.

［8］鄭輝.協作教學模式在制圖課教學中的研究［J］.教育教學論壇，2012(20):51-52.