面向邏輯思維與表達能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理課程教學方法探討與實踐

張永飛

(北京航空航天大學　計算機學院，北京　100191)

?

面向邏輯思維與表達能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理課程教學方法探討與實踐

張永飛

(北京航空航天大學計算機學院，北京100191)

摘要：隨著社會的發(fā)展，大學生面臨的機遇和挑戰(zhàn)越來越多。要想在激烈的競爭中立于不敗之地，就必須提高大學生的綜合素質(zhì)，其中很重要的一點就是要提高大學生的邏輯思維和表達能力，這是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵所在。“數(shù)字圖像處理”是高等院校信息類學科的重要課程。論文在分析探討邏輯思維與表達能力培養(yǎng)重要性的基礎(chǔ)上，結(jié)合“數(shù)字圖像處理”等課程教學，對培養(yǎng)學生的邏輯思維與表達能力進行了探索與實踐，為更好地開展“數(shù)字圖像處理”等相關(guān)課程教學提供參考，逐步培養(yǎng)和增強學生的邏輯思維與表達能力，更好地促進學生綜合素質(zhì)與能力的提升。

關(guān)鍵詞：高等教育；邏輯思維與表達；數(shù)字圖像處理課程

隨著社會的迅猛發(fā)展和技術(shù)的日新月異，大學生面臨的機遇和挑戰(zhàn)越來越多。要想在日益激烈的競爭中立于不敗之地，就必須積極培養(yǎng)和提高大學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。邏輯思維與表達能力是綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)和重要組成部分。邏輯思維能力是指對事物進行觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理的能力，而邏輯表達能力就是一種清晰準確、有理有據(jù)地表達自己思維過程的能力[1，2]。因此，培養(yǎng)和提高大學生的邏輯思維能力，是提高大學綜合素質(zhì)的重要方法，也是為國家和社會培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才的有效方法。

一、邏輯思維與表達能力培養(yǎng)具有重要意義

邏輯思維與表達能力的培養(yǎng)對提高大學生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新性人才都具有重要意義[3]。

1.較強的邏輯思維能力促使大學生更好地學習和掌握專業(yè)知識。具備較強邏輯思維能力的人，在思考問題的時候思維清晰、邏輯嚴密，能夠透過事物和現(xiàn)象的表面，較深入地理解和分析其本質(zhì)。在學習過程中，好的學習方法通常能使學習產(chǎn)生事半功倍的效果，因此，掌握邏輯思維方法，具備較強的邏輯思維能力有利于開展各個學科和知識的學習和掌握。

2.較強的邏輯思維能力有助于提高大學生的綜合素質(zhì)與能力。高等教育的主要任務(wù)之一就是培養(yǎng)和提高學生的綜合素質(zhì)與能力。高素質(zhì)的人才應(yīng)該會學習、會思考、具備較強的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，應(yīng)該能夠很快地適應(yīng)不斷發(fā)展和變化的社會環(huán)境。邏輯思維能力可以提高大學生運用專業(yè)知識的能力，更好地提高自身的綜合素質(zhì)與能力。因此，要提高大學生的綜合素質(zhì)，就需要大力培養(yǎng)和提高大學生的邏輯思維能力。

3.較強的邏輯思維和表達能力可以提高大學生的社會競爭力[4]。所有學生畢業(yè)后都要面臨找工作、求職面試。無論是招聘考試還是面試，用人單位除了考察必須的專業(yè)知識外，他們都越來越重視求職者發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力以及語言表達能力和一些臨場應(yīng)變能力，而這些都是以邏輯思維與表達能力為基礎(chǔ)的。因此，邏輯思維和表達能力的培養(yǎng)能夠提高學生的社會競爭力，在日益激烈的社會競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

4.邏輯思維和表達能力的培養(yǎng)對創(chuàng)新性和創(chuàng)造力的提升意義重大。已有研究表明，大學生邏輯思維能力與和創(chuàng)新性和創(chuàng)造力之間存在密切聯(lián)系[5]。邏輯思維能力強的學生，往往能更加系統(tǒng)地分析問題，抓住問題的本質(zhì)，從而提出有效可行的思路，解決問題。而邏輯思維能力較弱的學生，做事時往往是人浮于事，解決問題的能力和創(chuàng)造力水平一般也都較低。另一方面，邏輯表達能力強的學生，往往能與老師、同學和本領(lǐng)域?qū)＜覍W者更好地進行思想交流與碰撞，從而激發(fā)出創(chuàng)新性的靈感。

5.較強的邏輯思維和表達能力對提高國家綜合國力和核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義。今年兩會上，李克強總理在政府工作報告中指出要把“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”打造成推動中國經(jīng)濟繼續(xù)前行的“雙引擎”之一。創(chuàng)新教育愈來愈成為我國高等教育的核心與關(guān)鍵。如上所述，邏輯思維和表達能力的培養(yǎng)對創(chuàng)新性和創(chuàng)造力的提升意義重大。因此，在高等教育教學中，重視學生邏輯思維和表達能力的培養(yǎng)，并在研究生教育中進一步加強，對培養(yǎng)創(chuàng)新型高級人才、對促進整個社會和國家的科技創(chuàng)新能力，從而提高國家綜合國力和核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

在國外，邏輯教育與邏輯思維能力培養(yǎng)一直被作為一種面向全體受教育者的素質(zhì)教育。聯(lián)合國1974年公布的基礎(chǔ)學科分類目錄，將基礎(chǔ)學科分為數(shù)學、邏輯學、天文學和天體物理學、地球科學和空間科學、物理學、化學、生命科學七大類。其中，邏輯學就被排在第二位；聯(lián)合國教科文組織的一份報告指出，一次由50個國家500多位教育家列出的16項最關(guān)鍵的教育目標中，把發(fā)展學生的邏輯思維能力列為第二位[6]。

歐美一些國家以及亞洲一些國家(如印度等)在中小學教育、大學教育中，都十分重視邏輯素質(zhì)教育，認為邏輯教育和邏輯訓練，對于提高受教育者的科學素質(zhì)、思維素質(zhì)、文化素質(zhì)、思想素質(zhì)等，具有不可缺少的重要作用。歐美政府教育部門對思維能力的培養(yǎng)非常重視，紛紛出臺政府文件，明確將培養(yǎng)思維能力寫進國家課程標準或培養(yǎng)目標[7]。1991年，美國國家教育目標制定小組就曾將“思維能力、交際能力和解決問題的能力”列為21 世紀大學生培養(yǎng)目標。1999年英國國家課程標準提出了學習者應(yīng)具備的五種思維能力，分別是：信息處理能力、推理能力、質(zhì)詢能力、創(chuàng)造性思考能力和評價能力。印度從中小學到大學都把邏輯學知識的學習和對學生進行邏輯訓練定為教學的重要內(nèi)容，要求從小學教育、中學教育到大學教育，都開設(shè)一定的與之相適宜的邏輯學課程或者加有邏輯學知識的課程，重視加強大學生的邏輯思維素質(zhì)。

但縱觀當前形勢，邏輯思維教育在我國的教育體制中還沒有得到足夠的重視，我國大學生的邏輯思維能力普遍不高。國內(nèi)高校很少有專門開設(shè)邏輯思維課程，也鮮有專門針對邏輯思維與表達能力培養(yǎng)的訓練。學校的教學大綱中沒有針對邏輯思維與表達能力的培養(yǎng)方案，而在教學考核中，也大多以具體題目解算為主的考試作為評價指標，大學生邏輯思維和表達能力的培養(yǎng)得不到足夠重視。這種情形對中國創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是很不利的，也不利于國家綜合國力的提高和競爭。廈門大學研究生馬向華在其碩士論文《大學生邏輯思維能力現(xiàn)狀調(diào)查研究》[8]中通過對廈門大學文理科二三年級342 名同學的邏輯思維能力現(xiàn)狀進行了對比研究后得出結(jié)論，大學生邏輯思維能力有待提高，并特別建議大學老師應(yīng)結(jié)合專業(yè)知識的講授有意識、有針對性地培養(yǎng)和提高學生的邏輯思維能力。

多年來在教學、科研和學生指導一線、特別是各種答辯和面試中常常見到一個現(xiàn)象：“我們培養(yǎng)的學生，在基礎(chǔ)理論、技術(shù)算法、動手實踐能力方面應(yīng)該還是具有扎實的基礎(chǔ)和優(yōu)勢，但是，邏輯思維能力和表達能力方面則很不樂觀”。針對具體的理論推導或算法實現(xiàn)，我們的大多數(shù)學生表現(xiàn)的非常優(yōu)秀，游刃有余。然而，更進一步的，針對具體的實際問題，準確有效的凝練出技術(shù)問題，理清別人怎么做的(研究現(xiàn)狀)？你為什么這么做？這么做的好處(創(chuàng)新性)？針對諸如此類問題，卻有相當一部分學生不會像前面那樣從容回答。究其原因，有一部分學生是根本沒有深入的分析和思考這些問題，同時也有一部分學生是不知道如何把自己的思路條理清晰地表達出來。

針對此類問題，作者通過對現(xiàn)有的在學生邏輯思維和表達能力培養(yǎng)方面的問題和解決方法調(diào)研與分析，結(jié)合高等院校信息類學科重要課程“數(shù)字圖像處理”，通過合理設(shè)計系統(tǒng)性的大作業(yè)、教師授課與學生自主學習討論有機結(jié)合、增加“前沿技術(shù)學術(shù)辯論”等邏輯思維和表達能力培養(yǎng)形式和措施，探索一套切實有效的、易推廣的邏輯思維和表達能力培養(yǎng)模式，在日常教學實踐中鼓勵和培養(yǎng)學生的問題分析、思考、解決的能力和溝通表達的能力，逐步培養(yǎng)和增強學生的邏輯思維與表達能力，更好地促進學生綜合素質(zhì)與能力的提升。

三、面向邏輯思維與表達能力培養(yǎng)的數(shù)字圖像處理課程教學方法探討與實踐

針對目前國內(nèi)高校學生在邏輯思維與表達能力方面有所欠缺的問題，結(jié)合作者在“數(shù)字圖像處理”課程教學中的經(jīng)驗，探索和設(shè)計了一套“三步走”的邏輯思維和表達能力培養(yǎng)模式。

1.課程內(nèi)容安排與設(shè)計

在課程內(nèi)容安排與設(shè)計方面，針對不同課程內(nèi)容的特點，探索教師授課與學生自主學習討論有機結(jié)合，增加學生自主學習和討論、報告內(nèi)容，鼓勵和培養(yǎng)學生的自主學習、邏輯思考和溝通表達能力。現(xiàn)有很多課程，特別是像“數(shù)字圖像處理”一類的課程，教學內(nèi)容多，課時又有限，授課老師必須在有限的課時內(nèi)講授大量的內(nèi)容，對老師也是很大的負擔，學生也只能繃緊神經(jīng)，一路跟著老師走，根本沒有自主思考和吸收的機會，最終也只能導致囫圇吞棗，事倍功半。

針對此問題，根據(jù)不同課程內(nèi)容的特點，探索教師授課與學生自主學習討論的有機結(jié)合的方式，對于主要核心難點、重點內(nèi)容，仍采用老師授課的方式傳授，學生可以較輕松地跟著老師學習并有時間思考；而對于一些非重點算法的詳細推導或者理論的應(yīng)用，則安排為學生課外自學內(nèi)容，但采用大作業(yè)、課堂報告、專題講授與研討[9]等方式來監(jiān)督和考核學生對相關(guān)內(nèi)容的掌握。

以“數(shù)字圖像處理”課程視頻編碼技術(shù)相關(guān)內(nèi)容為例，若要老師把MPEG系列還有H.26X系列所有的視頻編碼標準及算法都在課堂上授課，那無論對于老師還是學生，都是一件相當痛苦的事情。另一方面，如果授課教師利用2-4課時講授視頻編碼的必要性、可能性和視頻編碼的框架與關(guān)鍵技術(shù)，具體從MPEG-1、H.261到H.264/AVC，再到最新的H.265/HEVC國際視頻編碼標準的逐步發(fā)展與技術(shù)革新，則由學生自主學習和分組討論；然后，再利用2-4課時分組讓各小組委派代表走上講臺匯報自學的結(jié)果，即不同視頻編碼標準的區(qū)別和核心算法的演進，教師再以點評和討論的方式補充學生不足或謬誤之處，并引導和發(fā)起隨堂討論，吸引學生質(zhì)疑和參與研討；最后結(jié)束時由老師總結(jié)和評述，并布置相應(yīng)的課外作業(yè)和實驗，以加深學生對知識點的理解。這樣，可以把學生從填鴨式的教育中解脫出來，發(fā)揮其主觀能動性，積極思考，積極討論，在幫助學生牢固掌握課程內(nèi)容的同時，培養(yǎng)和鍛煉他們的邏輯思維與表達能力。

2.課程大作業(yè)設(shè)計與布置

在課程大作業(yè)設(shè)計與布置方面，根據(jù)教學進度與重點、難點內(nèi)容，合理的設(shè)計系統(tǒng)性的大作業(yè)，鼓勵和培養(yǎng)學生的問題分析、思考和解決能力。現(xiàn)有部分課程作業(yè)或大作業(yè)多是強調(diào)學生對一個知識點的理解與掌握，而實際上培養(yǎng)學生對一個知識面內(nèi)相關(guān)知識點的融會貫通和靈活應(yīng)用才更加重要。因此，在課程教學過程中，應(yīng)在繁多的知識點中精煉出幾個典型的大作業(yè)的內(nèi)容，設(shè)計一系列面向知識面內(nèi)各個知識點綜合應(yīng)用的大作業(yè)，以及與學生密切相關(guān)的問題，鼓勵學生積極思考分析并解決問題。這樣既能在系統(tǒng)掌握專業(yè)知識的基礎(chǔ)上提高邏輯思維與表達能力，又不增加學生額外負擔。

例如在“數(shù)字圖像處理”課程教學中，當講完圖像平滑相關(guān)算法后，現(xiàn)有的大作業(yè)大多是讓學生編寫程序驗證中值濾波、鄰域平均法等空域圖像平滑方法，或低通梯形濾波器、低通高斯濾波器、低通指數(shù)濾波器、巴特沃思低通濾波器等頻域圖像平滑算法的有效性。這樣做可以讓學生實現(xiàn)和體會每種算法的特點，但并沒有促使他們深入思考，如不同噪聲的特點、以及不同的圖像平滑算法的特點、優(yōu)勢和不足；如何針對不同的原因，如不同類型的噪聲，如何選擇并設(shè)計不同的算法，才能更有效的實現(xiàn)圖像的平滑。針對此問題，可以設(shè)計一組含有不同類型噪聲(單類型噪聲或復(fù)合型噪聲)的圖像，讓學生分析不同圖像噪聲的特點，并根據(jù)不同的圖像平滑算法的特點、優(yōu)勢和不足，有理有據(jù)地分析和選擇最優(yōu)的圖像平滑算法，并進行實現(xiàn)和驗證。同樣在“數(shù)字圖像處理”課程教學主要內(nèi)容結(jié)束后，鼓勵學生貢獻自己喜歡但又質(zhì)量不佳的(欠/過曝光、運動或?qū)共粶室鸬哪：⑽蹞p等)照片，3～5人分為一組，通過對質(zhì)量不佳的照片的特點的觀察，分析討論影響照片質(zhì)量的原因；另一方面，通過對不同濾波器特性的比較和分析以及多人之間的溝通和交流，推理和判斷哪些算法可能對哪些照片有效；然后再分頭去實現(xiàn)和實驗，驗證自己整個思考和判斷過程的正確性。最后，按小組匯報本組的任務(wù)、解決思路和最終結(jié)果等，通過大家一起分析和討論，百家爭鳴，取長補短。通過這樣，在激發(fā)學生的積極性和主動性的同時，培養(yǎng)學生對一個知識面內(nèi)相關(guān)知識點的融會貫通和靈活應(yīng)用，提高他們的邏輯思維和表達能力。

3.前沿技術(shù)學術(shù)辯論

在“數(shù)字圖像處理”等快速發(fā)展和完善的學科和技術(shù)課程教學方面，增加“前沿技術(shù)學術(shù)辯論”環(huán)節(jié)，進一步培養(yǎng)和提高學生的邏輯思維、表達與創(chuàng)新能力。例如，對于“數(shù)字圖像處理”“計算機視覺”“多源信息融合”這樣發(fā)展日新月異的學科來說，能不能跟上最前沿的學術(shù)動態(tài)，是能否創(chuàng)新的關(guān)鍵。因此，針對此類課程教學，在現(xiàn)有課程教學的基礎(chǔ)上，增加 “前沿技術(shù)學術(shù)辯論”環(huán)節(jié)，在每門課程重要知識點講授完成或者課程全部講授完成后，以某個方向的應(yīng)用為例，鼓勵學生積極學習和掌握前沿技術(shù)動態(tài)，并通過辯論討論等形式，培養(yǎng)和提高學生的邏輯思維與表達能力。

以“數(shù)字圖像處理”課程中的圖像分割為例，在給定的同一組待分割圖像的任務(wù)下，引導和鼓勵學生根據(jù)興趣選擇T-PAMI、IJCV等本領(lǐng)域頂級期刊或CVPR、ICCV、ACCV等頂級會議論文中最新的技術(shù)與算法(例如Level Set、Graph Cuts、Random Walker、Superpixel、Mean-Shift、Turbepixels、Geodesic等)來處理這些圖像。學生根據(jù)自己的興趣在一定范圍內(nèi)自由選擇某一篇文章作為研究內(nèi)容，并組成若干個“興趣小組”，經(jīng)過小組成員略讀、小組討論、個人分別精讀、小組討論等多輪推進，最終形成一篇綜合性的報告向全班同學介紹該文章的主要內(nèi)容、研究方法或技術(shù)的創(chuàng)新性、存在的問題，以及小組是否討論并提出一些改進的意見和思路。在此基礎(chǔ)上，全班同學都可以參與討論和辯論，群策群力，就各種算法的優(yōu)勢、局限性等展開討論和辯論，讓學生在交流和討論中碰撞出創(chuàng)新的火花。如有興趣和可能，教師將創(chuàng)造機會和提供相應(yīng)的條件，幫助學生驗證和實現(xiàn)這些新的想法，并最終以報告或文章的形式發(fā)表。通過此過程，每個同學只需花一份的時間，就可以學習和掌握多個研究課題的研究現(xiàn)狀和最新動態(tài)，達到事半功倍的目的。最主要的是，通過此教學法，可以在最大程度上增強交流，刺激和發(fā)揮每個學生思考問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)造實踐能力。此外，也可提高學生表達自己學術(shù)觀點、進行學術(shù)交流與合作以及團隊協(xié)作等綜合素質(zhì)與能力。

四、結(jié)語

為了培養(yǎng)和增強學生的邏輯思維與表達能力、更好地促進學生綜合素質(zhì)與能力的提升，作者通過對現(xiàn)有教學課程和教學活動進行深入調(diào)研分析，探討和設(shè)計了若干在日常教學和科研實踐過程中能逐步培養(yǎng)學生邏輯思維與表達能力的方法，并將其應(yīng)用在信息類學科重要課程“數(shù)字圖像處理”教學過程中，極大地促進了學生的主動性和積極性，課堂教學的學生參與度顯著提高，課堂氣氛活躍、互動頻繁、討論熱烈，取得了良好的反饋和積極的效果。

邏輯思維與表達能力的培養(yǎng)和增強、學生綜合素質(zhì)與能力的提升具有重要意義，這也對授課教師提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。“數(shù)字圖像處理”作為信息類學科重要基礎(chǔ)課程和信息方向研究熱點之一，是信息類課程的教學重點。我們還將繼續(xù)探索實踐，不斷完善教學內(nèi)容和方法，并在相關(guān)課程中進行推廣和不斷反饋完善，逐步培養(yǎng)和增強學生的邏輯思維與表達能力，更好地促進學生綜合素質(zhì)與能力的提升。

(責任編輯：梁京章)

參考文獻：

[1]劉文芳，高校大學生邏輯思維能力培養(yǎng)的重要性及影響因素探析[J].長春教育學院學報，2011，27(10)：26-27.

[2]張志超，汪安平.淺析大學生邏輯思維能力培養(yǎng)[J].民營科技，2011(11)：111-112.

[3]劉曄.試論邏輯學在大學生素質(zhì)教育中的重要性[D].重慶：西南大學，2009：19-24.

[4]王姿燕.競爭就業(yè)中本科生邏輯思維能力培養(yǎng)的思考[J]. 湖北函授大學學報，2014，27(1)：33-34.

[5]葛纓，何向東，呂進.大學生邏輯思維能力與創(chuàng)造力傾向關(guān)系的研究[J].青年探索，2006(4)：50-51.

[6]靳曉燕，智育.重在學什么[EB/OL].光明日報光明網(wǎng).[2014-01-28]. http：//news.gmw.cn/2014-01/28/content_10249299.htm.

[7]王淑花，吳尚義.國外思維能力培養(yǎng)研究綜述[J].教育與職業(yè)，2010(18)：176-178.

[8]馬向華.大學生邏輯思維能力現(xiàn)狀調(diào)查研究[D].廈門：廈門大學，2005.

[9]周海芳.“數(shù)字圖像處理”課程研討式教學[J].計算機教育，2010(24)：93-97.

Logical Thinking and Expression Ability Training-Oriented Teaching Method Discussion and Practice of Digital Image Processing

ZHANG Yong-fei

(School of Computer Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract：With the fast development of the society and high-tech，the college student are facing more and more opportunities as well as challenges. To remain invincible in the fierce competition，it is necessary to improve college students' comprehensive quality. One of the very important points is to improve students' logical thinking and expression ability，which is also the key to cultivating innovative talents. “Digital Image Processing” is an important course in Information Science in colleges and universities. Based on the analysis of the importance of cultivating the logical thinking and expression ability，this paper presents some exploratory teaching method to cultivate students' logical thinking and expression ability，with special focus on the teaching of “digital image processing” course. This paper provide a reference for the better development of “digital image processing” course teaching and help gradually develop and enhance students' logical thinking and expression ability and finally better promote and enhance the students' comprehensive qualities and abilities.

Key Words：college education；logical thinking and expression；Digital Image Processing

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9719(2016)4-0056-04

作者簡介：張永飛(1982-)，男，陜西寶雞人，副教授，研究方向為視頻圖像的處理編碼與傳輸。

收稿日期：2016-02-25修稿日期：2016-03-15