具有行業特色的《數字圖像處理》教學改革

梁志貞，江海峰，楊小冬

（中國礦業大學計算機科學與技術學院，徐州　22116）

具有行業特色的《數字圖像處理》教學改革

梁志貞，江海峰，楊小冬

（中國礦業大學計算機科學與技術學院，徐州22116）

0　引言

“卓越計劃”是由教育部2010年推出的一項重要的教育改革試點項目［1-2］，目的在于培養一批具有創新能力和動手實踐能力的高級工程技術人才，從而提高我國工程人才培養質量。“卓越計劃”有三個顯著的特點：一是增強學生的工程能力和創新能力；二是按行業標準培養現代化的工程人才；三是相關企業參與培養學生。這些特點決定了高校在課程教學中應實施學校和企業協同合作，同時注重結合理論知識與工程應用，重點培養學生的工程意識、實踐能力和創新精神，為企業輸送優秀工程師。

數字礦山是以計算機技術、通訊技術和網絡技術為基礎，具有明顯的行業特色和學科特點。礦山數字化教育部工程研究中心依賴于中國礦業大學計算機應用技術、通信與信息系統、檢測技術與自動化裝置、控制理論與控制工程等博士點學科進行建設。該工程中心以礦山數字化和礦山智能生產為主要目標，建立三個重要方向的產業化平臺：（1）基于智能傳感器的礦山信息的獲取；（2）礦山數字化網絡技術；（3）礦山智能信息處理技術。建立工業控制網絡技術中心、軟件分析測試中心以及成果轉化基地，且與國內知名礦山企業聯合建立4-6個試驗基地。

中國礦業大學的計算機專業、電子信息專業、測繪專業等學院開設了《數字圖像處理》及相關課程。但是各個學院開設這門課側重點不同，這由于各專業所強調的知識點所決定的。針對我院學科的特點和行業背景，借助卓越工程計劃的進行，強化學生的實踐能力和創新精神，增強學生綜合運用所學工程知識解決實際問題的能力，確保提高工程人才培養質量。計算機專業的學生一般具有較強的編程能力，《數字圖像處理》作為培養體系中的一門重要課程，其教學改革也應依據“卓越計劃”的目標及要求來進行。

為適應 “卓越計劃”對培養實踐型和創新型工程人才的要求，擬從教學方法和教學內容等方面上對該課程進行改革，結合本院實際情況，在課程教學中，對課程的相關理論進行實踐性轉化，對每個章節涉及到的實踐內容進行編程實現，并通過礦井下獲得的一些圖像來實現數字圖像處理的一些算法，結合VC++、OpenCV進行講解，使學生能更好地掌握新知識，滿足目前社會的需求，使學生具有更好的就業競爭力。

1　《數字圖像處理》課程特點

《數字圖像處理》課程［3-5］內容非常多，難度不小，大多數章節都能夠單獨作為一個重要的研究方向。這門課程不僅與其他課程（模式識別、電視技術、通信技術、計算機技術、數學物理）聯系緊密，而且與實際聯系緊密，如礦井下視頻圖像處理等。因此《數字圖像處理》課程理論性和實踐性都很強。然而，在傳統教學過程中，學生非常難以理解復雜的數學公式所表示的物理意義，不能很好地將其它相關課程所學知識融入到該課程的學習中。另外，大多數學生不了解圖像處理技術的最新發展，不能很好地掌握煤礦行業中圖像處理技術的最新前沿知識和最新動態。傳統的《數字圖像處理》的教學內容有三個主要顯著特點：（1）課程內容涉及面過于廣泛。該課程研究內容涉及圖像的獲取和存儲、時域和頻域圖像增強、圖像恢復、圖像壓縮、彩色圖像變換、圖像分割以及圖像識別等。但是在目前我院教學中，該課程的教學時數為32學時，所以很難在有限的課時內詳細講解每一個章節的內容；（2）課程內容的理論性偏強。數字圖像處理的每種方法都依賴于相關的數學理論，例如傅立葉變換、圖像壓縮等。這些數學概念和知識對一些我院校的卓越班學生，可能存在理解不透徹或者從未學習的情況；（3）課程內容更新快。數字圖像處理是一門融和多學科的課程，其涉及的理論和知識點不斷得到更新，所以如何將最新圖像處理方法融入到我們當前教學中是該課程改革的一個重要環節。

2　教學改革措施

2.1課程內容的優化

我院信息科學系卓越班的學生是原班級中學習成績相對比較好的學生，有較好的基礎。而且他們畢業后樂意選擇從事工程技術工作。學生自身特點對教師優化課堂教學大有好處。針對我院的特色和卓越班的特點，我們對《數字圖像處理》課程［6-7］部分教學內容需進行了調整。既然礦井下獲得的圖像一般是模糊不清的，我們重點講解了圖像增強和圖像復原這部分內容，并介紹了最近幾圖像增強算法和圖像復原算法和選擇一些內容新穎的相關書籍、專題性的資料作為輔助性教材。在教學改革過程中，結合本專業和學生的特點，強化知識的運用情況和知識結構的完整性講解，把教學的重點放在對知識理解和實踐能力的培養上。

2.2教學方法的改進

數字圖像處理課程涉及的知識點非常多，把所有書本的知識點都講解清楚是不可能的，而且從我院學生的學習效果來看，學生普遍存在基礎知識不牢固和自學能力較差等問題。因此對教學方法的改革必須進行。如何提高學生對本課程的學習興趣，培養學生自學這門課能力，以及改善教學效果是非常關鍵的。針對卓越班的學生的實際情況，我們對重點的知識點進行詳細講解，且讓學生自學一些章節，同時將具有礦業相關圖像的前沿性和交叉性的內容聯系到各個章節中進行講解，這不僅鍛煉了學生的自學能力，同時也讓學生了解了煤礦下數字圖像處理技術的當前的發展現狀和應用領域。課堂上，也充分調動學生的學習主觀能動性，讓學生了解如何運用知識解決實際問題，這遠遠要勝過講述理論本身。在課堂上主要以啟發式教學法為主，多提問一些數字圖像處理問題，多引導和鼓勵學生積極思考，參與互動過程。學生主動參與到教學過程才能有效提高教學質量和效果。由于多媒體教學的優勢，充分利用圖像、動畫、聲音、視頻等多媒體手段進行輔助教學，從而提高教學效果。為幫助學生充分理解圖像處理的基礎知識，結合C++、OpenCV等工具，以直觀的方式向學生展示數字圖像處理一般的過程和結果。這不僅加深了學生對理論知識和相關算法的理解，也讓學生了解到算法的在實際情況下的具體應用。

2.3課程教學中培養團隊意識

由于我院卓越班的學生畢業后大多數從事工程技術工作，培養學生的團隊意識是相當關鍵的。學院信科系的學生有30人，在實際教學中將學生分成6個學習小組，每個小組完成一個數字圖像處理的相關的課題。每位組長負責組內成員的課題的分工。他們自由選擇課題的題目。但是最后要實現相應的算法。每個小組課后網上和圖書館查閱相關的算法的資料。小組組長可以根據學生的能力安排組內成員分別負責一種圖像處理算法，寫出具體算法詳細報告，并在小組內進行充分的討論。根據交流討論的結果和報告內容，各個小組設計算法實現方案，并驗證和比較多種算法。小組成員完成算法設計流程及算法驗證等，最后做PPT。由小組長在課堂上根據PPT匯報結果。匯報完完畢后，由教師和其他組同學進行評價，最終評價結果作為該組成員的項目成績。

2.4考核評價體系改革

我院的原有學生這門課學習成績通常由兩部分組成：平時成績和期末考試，一般期末考試在總成績中占的比重達70%，很顯然這種評價方法已經不適合卓越班的學生。卓越班的學生重點培養他們的實踐能力，因此我們增加了項目完成情況作為成績的一個重要組成部分，它所占的比重達到30%，其他的比重占70%。項目成績是這樣的得到的：在項目匯報時由各小組之間相互評分，作為小組學生的項目成績，最后綜合得到各位學生的成績。期末考試雖然采用筆試閉卷方式，但是考卷中增加了應用題的比重，重點放在學生分析和解決煤礦環境下數字圖像問題的能力。

3　結語

根據卓越計劃的具體要求，充分考慮到我院專業具有較強的煤礦背景且課程的建設依托國家級工程中心來進行，讓學生直接參與到項目實施中。把項目模式等引入《數字圖像處理》課程的教學過程，增強學生的實踐動手能力，強化學生的煤礦背景下工程實踐能力和創新能力，才能夠把握未來煤礦人才市場的實際需求，真正解決學生就業的問題，從而實現高校、煤礦企業和學生共贏的局面。以“緊跟學科發展、適應社會需求、增強實踐能力、發揮工程技能、培養團隊精神、提高創新能力”為卓越工程師培養的教學理念為基礎，積極開展數字圖像處理教學改革研究與實踐，開發出針對礦業行業的數字圖像處理軟件，充分發揮煤礦行業背景和相應的學科優勢，在煤礦下工程應用的背景下，從教學內容和教學方法等多方面進行該門課程改革落實，為培養優秀的卓越工程師打下基礎。

［1］林健.面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革［J］.高等工程教育研究，2011:1-9.

［2］中華人民共和國教育部.教育部關于實施“卓越工程師教育培養計劃”的若干意見［Z］.教高［2011］1號，2011.

［3］魏晗，陳剛，唐永旺等.《數字圖像處理》的教學改革與實踐［J］.中國信息技術教育，2014:12-13.

［4］寧紀鋒.數字圖像處理教學改革研究與探索［J］.中國電力教育.2013:122-123.

［5］阮秋琦.數字圖像處理學（第二版）［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［6］楊淑瑩，張樺.《數字圖像處理》理論與實踐相結合的教學模式［J］.計算機教育，2009:84-86.

［7］潘建軍，李紅蓮，周金和.數字圖像處理課程的教學改革與實踐［J］.中國科教創新導刊，2007（15）：102-104.

Talented Engineers；Curriculum Reform；Innovative Ability；Digital Image Processing

Teaching Reformation of Digital Image Processing with Industry Characteristics

LIANG Zhi-zheng，JIANG Hai-feng，YANG Xiao-dong

（China University of Mining and Technology，Jiangsu 221116）

1007-1423（2015）34-0022-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.006

梁志貞（1976-），男，山東莒縣人，博士，副教授，研究方向為 數字圖像處理和模式識別

江海峰（1978-）男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向為計算機應用技術

楊小東（1972-）男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向為計算機應用技術

2015-11-03

2015-11-30

根據卓越計劃下人才培養的目標，修改原有數字圖像處理課程的教學目標，在新的課程建設中，從教學內容、教學方法、培養團隊意識、考核方面等方面論述煤礦行業下計算機專業的數字圖像處理教學改革過程。實踐表明這一系列的教學改革對于提高學生的學習興趣和學習效果有明顯作用，為培養學生實踐能力和創新能力打下較好的基礎。

卓越工程師；課程改革；創新能力；數字圖像處理

2015年中國礦業大學教育教學改革工程項目（No.2015YB25）

According to the goal of talent cultivation，modifies the teaching objectives of the original Digital Image Processing course，and discusses the teaching reformation process of Digital Image Processing in terms of teaching contents，teaching methods，cultivating team sprits and evaluating grades in the coal mining industry.It has proved that this series of teaching reformation programs can improve students'learning interest and obtain remarkable learning effects so that it provides a good foundation for cultivating students'practical ability and innovative ability.