農(nóng)業(yè)院校《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

摘 要： 《數(shù)字圖像處理》課程是高校信息電子類專業(yè)的核心專業(yè)課，在農(nóng)業(yè)信息處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。針對該課程理論知識與實(shí)踐操作結(jié)合緊密、傳統(tǒng)教學(xué)方法和模式難以改進(jìn)二元式授課狀態(tài)這一現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容、方法、實(shí)踐等方面對課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。在教學(xué)中將基礎(chǔ)理論與學(xué)科前沿知識相結(jié)合，開闊學(xué)生視野；在實(shí)驗(yàn)課上，提出以項(xiàng)目為主導(dǎo)的思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)意識與合作精神，使學(xué)生由傳統(tǒng)的知識接受者變?yōu)橹R的探索者。經(jīng)過近三年的改革實(shí)踐，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)際動手能力，對農(nóng)業(yè)院校培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 《數(shù)字圖像處理》課程 教學(xué)改革 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

一、教學(xué)現(xiàn)狀與課程特點(diǎn)

（一）農(nóng)科院校《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)現(xiàn)狀

《數(shù)字圖像處理》是一門系統(tǒng)研究各種圖像理論、技術(shù)和應(yīng)用的課程[1]，它是電子信息工程、生物醫(yī)學(xué)工程、通信工程、遙感科學(xué)技術(shù)、電子信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動化、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息與計算科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)工程、測繪工程、地理信息系統(tǒng)等專業(yè)本科生的專業(yè)課[2]。數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展使其分支幾乎擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)信息科學(xué)的全部領(lǐng)域，在此背景下，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等眾多涉農(nóng)高校都開設(shè)了《數(shù)字圖像處理》及相關(guān)課程[3]。

受計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展的影響，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，在農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境等涉農(nóng)專業(yè)均有了較好的應(yīng)用，已經(jīng)滲透到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)、果實(shí)采摘機(jī)器人、農(nóng)業(yè)裝備智能導(dǎo)航、農(nóng)產(chǎn)品分級分類、作物信息無損檢測、虛擬現(xiàn)實(shí)等，使學(xué)生了解和掌握了圖像處理的主要內(nèi)容和方法，引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)和增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力，提高了實(shí)際動手能力，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)計算機(jī)視覺、模式識別等課程奠定了基礎(chǔ)，對于提高學(xué)生的動手能力、完成與圖像處理相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計、項(xiàng)目研發(fā)等具有較好的推動作用。

（二）《數(shù)字圖像處理》課程的特點(diǎn)

《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)具有以下三個顯著特點(diǎn)[4-5]：

1.內(nèi)容多：該課程教學(xué)內(nèi)容涉及圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼、圖像變換、圖像分割、圖像描述、圖像識別等內(nèi)容，但該課程的教學(xué)時數(shù)通常不大多48學(xué)時[6]，如何在有限的學(xué)時內(nèi)進(jìn)行課程講授具有非常大的挑戰(zhàn)性。

2.理論強(qiáng)：數(shù)字圖像處理技術(shù)大都是建立在數(shù)學(xué)理論支撐基礎(chǔ)上的，例如傅立葉變換、小波變換、圖像變換等，掌握難度較大，如何順利開展相關(guān)內(nèi)容的講授需要具備極強(qiáng)的課程設(shè)計能力。

3.更新快：作為一門開放性學(xué)科，數(shù)字圖像處理技術(shù)所涉及的理論和知識不斷完善，新的圖像處理手段和方法不斷涌現(xiàn)。例如圖像分割技術(shù)，幾乎每天都會涌現(xiàn)出十幾種新的方法，教材無法及時更新。如何將新的技術(shù)和理論引入課題教學(xué)，需要任課教師具有極深的理論功底。

通過分析《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，如何在有限的課時長度內(nèi)合理、科學(xué)地講授內(nèi)容，如何將新穎有效的圖像處理方法融入教學(xué)中，是數(shù)字圖像處理課程改革的一個重要環(huán)節(jié)。針對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)科院校科研的實(shí)際情況，我們主要從以下方面進(jìn)行了改革嘗試。結(jié)合具體的課堂學(xué)時，合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，開展以案例啟發(fā)、項(xiàng)目引導(dǎo)為主的教學(xué)實(shí)踐模式，取得了較好的效果。

二、授課內(nèi)容改革

（一）以精講與啟發(fā)式教學(xué)為主

受課時的限制，在授課中以解決基本問題、重點(diǎn)問題為主，通過實(shí)踐性練習(xí)深入解決問題，并且時刻貫穿創(chuàng)意設(shè)計，這樣可以在完成課程學(xué)習(xí)的同時，完成軟件與創(chuàng)意的結(jié)合，縮短學(xué)生學(xué)習(xí)的適應(yīng)時間。

在教材選擇方面，我們以北京航空航天大學(xué)張弘主編的國家級規(guī)劃教材《數(shù)字圖像處理與分析》為主，同時以西北農(nóng)林科技大學(xué)何東健主編的國家級規(guī)劃教材《數(shù)字圖像處理》和岡薩雷斯的《數(shù)字圖像處理》作為輔助教材，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的全面性、知識的新穎性，保證教學(xué)重點(diǎn)突出，實(shí)踐性強(qiáng)。

該教材共分九章，內(nèi)容涉及數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)、圖像處理基本方法和技術(shù)、數(shù)字圖像分析的基本原理和技術(shù)三個模塊的內(nèi)容。考慮農(nóng)業(yè)院校科研工作的應(yīng)用需求及學(xué)生的實(shí)際需要，我們對教材內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，重點(diǎn)對圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像描述與圖像分類識別進(jìn)行了系統(tǒng)講授，在授課內(nèi)容之后，有針對性地選取了六個實(shí)驗(yàn)，保證了學(xué)生全面掌握圖像處理的基本理論和技術(shù)，建立了一個比較完整的圖像處理和分析的理論體系，并了解和掌握了常用的圖像處理和分析技術(shù)。

（二）加強(qiáng)教學(xué)組織工作

通過課程組教學(xué)研討、答疑等多種方式及時了解學(xué)生的掌握情況，實(shí)施調(diào)整教學(xué)方法、更新教學(xué)手段，并輔以分組、競賽等形式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。《數(shù)字圖像處理》是一門實(shí)用性較強(qiáng)的課程，和現(xiàn)實(shí)生活有著緊密聯(lián)系。但目前教材中的一些實(shí)例和生活聯(lián)系不太緊密，很多學(xué)生對該課程有何用處非常茫然，無法激發(fā)學(xué)生的興趣。為此，我們對教學(xué)實(shí)例進(jìn)行了改革，引用常見實(shí)例進(jìn)行講解。比如在教學(xué)過程中，我們增加了鳥群計數(shù)方法、碎紙機(jī)圖像的自動修復(fù)方法、指紋圖像的識別方法等案例，在圖像增強(qiáng)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的授課中，我們要求學(xué)生利用自己的頭像進(jìn)行處理，并編程實(shí)現(xiàn)各種操作，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。

（三）注重教學(xué)實(shí)施

對于概念性內(nèi)容通過反復(fù)講解、對比講解、結(jié)合農(nóng)業(yè)信息處理的實(shí)際案例與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行剖析講解等方法，深入淺出地讓學(xué)生理解并掌握；對于各種算法，通過實(shí)例、圖解、對比等方法，直觀地講述算法的原理和流程，同時通過多種算法的比較獲得較好的講解效果。例如，在教學(xué)過程中，我們分別利用蟻群算法、分水嶺算法、模擬退火算法進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的講授，通過實(shí)例一步步的引導(dǎo)，取得了較好的教學(xué)效果。

（四）加強(qiáng)案例分析工作

案例分析、綜合訓(xùn)練等創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的配合，更能夠讓學(xué)生對于深奧抽象的概念和算法有直觀生動的認(rèn)識[8]。因此，加強(qiáng)該環(huán)節(jié)的案例選取、作品點(diǎn)評、教改與研究是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。在教學(xué)過程中，我們分別以自然場景下的蘋果、西紅柿目標(biāo)的分割、重建，植物葉片圖像的矩形度、圓形度、重心、角點(diǎn)檢測、面積測量，大米籽粒的計數(shù)等為例進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的講授，通過給定學(xué)生測試圖像及例程的方式，加深了學(xué)生的理解。

（五）加強(qiáng)項(xiàng)目教學(xué)法及seminar

教師在教學(xué)中承擔(dān)的是“題目的設(shè)計者、過程的組織者、信息的咨詢者和創(chuàng)新的啟發(fā)者”等角色[9-10]。交互式教學(xué)利用多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生之間的雙向互通。項(xiàng)目教學(xué)法能保證學(xué)生在對問題有一定研究積累的基礎(chǔ)上進(jìn)行seminar，可以鼓勵學(xué)生開展創(chuàng)新研究，提出新的觀點(diǎn)。在充分掌握課本理論知識的同時得到學(xué)習(xí)快樂，樹立學(xué)習(xí)研究的信心，老師退出主導(dǎo)地位，僅負(fù)責(zé)對學(xué)生遇到的問題進(jìn)行指導(dǎo)，有利于學(xué)生能力的進(jìn)一步提高。

比如：在圖像的顏色空間表達(dá)這一模塊的教學(xué)中，我們以RGB顏色空間、HIS、HSV、YCbCr、YUV等不同顏色空間下的果實(shí)目標(biāo)識別為例，將學(xué)生分為了不同的小組分別測試不同顏色空間下目標(biāo)表達(dá)的效果。各個小組通過收集到的不同測試圖像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完畢后，要求各組分別組織PPT，現(xiàn)場講解不同顏色空間的含義及其處理效果。講解完畢后，任課老師針對PPT準(zhǔn)備情況加以引導(dǎo)，指出學(xué)生的創(chuàng)新點(diǎn)、不足等內(nèi)容，引導(dǎo)感興趣的同學(xué)在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)，這樣不僅使學(xué)生清楚地了解了不用顏色空間的含義及其應(yīng)用場合，還加深了學(xué)生對特定內(nèi)容的思考，為大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目的申報奠定了基礎(chǔ)。

三、教學(xué)方法與手段改革

在《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)實(shí)踐中，課程組根據(jù)學(xué)科的發(fā)展和社會對人才的培養(yǎng)要求，在教學(xué)方法和教學(xué)手段上積極進(jìn)行探索和改革。

（一）課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。

課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生及時把所學(xué)知識付諸實(shí)踐，在實(shí)踐中產(chǎn)生成就感，從而提高對本課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用研究的熱情。在具體實(shí)施過程中，我們首先將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用具體實(shí)例的方式進(jìn)行剖析講授，并將預(yù)先準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)素材、實(shí)驗(yàn)需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)、編程技巧等提前放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。對于課程作業(yè)的布置情況，我們始終堅持少而精的策略，在整個《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)過程中，我們僅布置了4次作業(yè)，每一次作業(yè)完成的周期均在兩周左右，為學(xué)生進(jìn)行資料的查閱、程序的調(diào)試及作業(yè)的撰寫預(yù)留充足時間，這樣不僅鍛煉了學(xué)生的數(shù)字圖像編程能力，而且鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考和發(fā)現(xiàn)問題的能力。另外，所有課程作業(yè)必須提交至西北農(nóng)林科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，便于和學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上交流，極大調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

（二）課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及其在教學(xué)中的普及，網(wǎng)絡(luò)給傳統(tǒng)教學(xué)帶來了很大的沖擊，原有的教學(xué)理念、教學(xué)形式和教學(xué)手段發(fā)生了根本性的變化。借助先進(jìn)的多媒體網(wǎng)絡(luò)工具向?qū)W生展示圖、文、聲、像相結(jié)合的電子課件，能夠使教學(xué)內(nèi)容更豐富，教學(xué)方法更多樣、更靈活。更重要的是，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中體現(xiàn)的是一種平等的教與學(xué)的關(guān)系。在虛擬環(huán)境中，教師與學(xué)生的交往日益平等化，有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的發(fā)展。充分利用西北農(nóng)林科技大學(xué)開發(fā)的本科生網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，將課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，使以教師為主體的教學(xué)模式向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的方式轉(zhuǎn)變，不僅能體現(xiàn)個性化培養(yǎng)、創(chuàng)造型人才培養(yǎng)的教育思想，而且，集視頻、動畫、圖像、聲音和文字為一體的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（三）傳統(tǒng)的面對面交流和網(wǎng)上交流相結(jié)合

在傳統(tǒng)的面對面交流的基礎(chǔ)上，增加了利用Internet技術(shù)進(jìn)行交流的方式，如開辟師生交流區(qū)、電子郵件、QQ群等交流方式。這種非直接的交流方式有利于避免“面子”問題，還可以促進(jìn)學(xué)生相互交流，加深對某些問題的認(rèn)識，改進(jìn)與完善師生交流方式。

通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變作業(yè)提交方式。由傳統(tǒng)的作業(yè)本方式改為通過Internet下載作業(yè)要求和上載所完成的作業(yè)，加快了教師批改作業(yè)（尤其是程序）的速度。借助西北農(nóng)林科技大學(xué)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理平臺，我們已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)提交與批改。該系統(tǒng)具有學(xué)生互動、提問交流、答疑討論、個人資源等功能，通過該平臺，達(dá)到了很好的雙向交流效果。

（四）多媒體教學(xué)的合理應(yīng)用。

對于重要算法的原理、實(shí)現(xiàn)和推導(dǎo)等難度較大的內(nèi)容，以板書為主，并適當(dāng)輔以多媒體課件對圖像處理結(jié)果進(jìn)行演示，增強(qiáng)所學(xué)知識的生動性和趣味性，從而加深學(xué)生對授課內(nèi)容的理解。除此之外，通過精心制作多媒體電子教案進(jìn)一步強(qiáng)化教學(xué)效果，使得理論講述更加清楚、直觀。

如在講授某一種圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)時，或比較同一處理目的的幾種不同處理方法的處理效果時，通過圖像處理程序，立即將處理結(jié)果展示給學(xué)生，收效非常好。

（五）“一人一題”，防止抄襲。

當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度松懈，作業(yè)抄襲現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、自主性，導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力低下。在數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)尤其是課程作業(yè)的布置和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，提出了“一人一題”的考試方式。

例如，在圖像顏色空間變換作業(yè)中，我們對電信專業(yè)的兩個班級分別要求使用不同的測試對象，其中一個班級以成熟的蘋果為測試對象，另一個班級以成熟的西紅柿為測試對象，在每個班級的分組中，要求同一個組的同學(xué)以不同的測試圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于所使用的圖像不同，程序中參數(shù)的設(shè)置也有所不用，即使是參考別人的程序，也無法運(yùn)行，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報告的撰寫時，可以非常容易地判別出是否存在抄襲現(xiàn)象。通過三年教學(xué)實(shí)踐，我發(fā)現(xiàn)不僅學(xué)生抄襲現(xiàn)象有了明顯改善，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、分析問題與解決問題的能力也大幅度提高。

四、教學(xué)成果

通過近三年的教學(xué)改革，對實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了強(qiáng)化，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容從簡單到復(fù)雜，剛接觸時以理論學(xué)習(xí)為主，隨著課程的深入，逐漸過渡到以軟件設(shè)計為主，并且結(jié)合各種各樣的項(xiàng)目，讓學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)編程軟件，實(shí)踐教學(xué)效果顯著。近三年學(xué)生共主持國家級、校級大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目20余項(xiàng)，以學(xué)生為主體，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文8篇，大多發(fā)表在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》、《計算機(jī)工程與應(yīng)用》、《吉林大學(xué)學(xué)報》（工學(xué)版）等知名學(xué)術(shù)期刊上，共有三名同學(xué)通過努力被北京大學(xué)錄取免試攻讀碩士學(xué)位。

五、結(jié)語

結(jié)合現(xiàn)代信息科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用示例，達(dá)到了培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新能力的目的，通過以項(xiàng)目示例教學(xué)等手段，有效提升了實(shí)踐教學(xué)水平，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)教學(xué)模式向探究式教學(xué)模式的過渡，提高了農(nóng)科大學(xué)生學(xué)習(xí)信息科學(xué)的興趣。通過對《數(shù)字圖像處理》課程上述環(huán)節(jié)教學(xué)改革，取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生畢業(yè)后走上工作崗位打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：西北農(nóng)林科技大學(xué)2012年本科優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目。

通訊作者：何東健