信息與計算科學專業《數字圖像處理》課程教學探討與實踐

楊奮林

摘 要： 《數字圖像處理》是信息與計算科學專業一門專業核心課。本文根據信計專業本身的特性、課程體系設置和教學目標，結合近四年來的教學實踐，從教材和教學內容、方法和實踐教學及考核方式等方面對信息與計算科學專業《數字圖像處理》課程教學進行了探討。

關鍵詞： 《數字圖像處理》 信息與計算科學 實踐教學 考核方式

信息與計算科學專業是原計算數學與應用軟件、運籌與控制科學、信息科學三個專業整合而成的多學科交叉的應用型專業。《數字圖像處理》是該專業一門專業核心課，內容涉及光學系統、微電子技術、計算機科學、數學等領域。隨著計算機的迅猛發展，圖像處理技術已在通信工程、工業控制、醫療診斷、機器視覺、虛擬現實、數字圖書館等眾多領域得到廣泛應用。通過學習該課程，學生很好地理解信息的內涵，知道信息與計算科學專業到底有什么用和怎么去用，以及該專業的前景。

本文通過分析信息與計算科學專業本身的特性，結合近五年來的教學實踐，從教材和教學內容選取，課堂的組織和實踐教學，以及考核方式等環節進行探討，取得較好的成效。

一、信息與計算科學專業特性

信息與計算科學專業是數學、計算機科學、信息工程等廣泛學科的交叉，遠超越出數學學科的范疇；以信息科學與科學計算為核心方向；主要研究“信息技術的核心基礎與運用現代計算工具高效求解科學與工程問題的數學理論與方法” 。該專業本科生主要學習數學、信息與計算科學的基本理論、方法和技能。因此，該專業學生具有較強的數學基礎和具備一定的計算機方面的功底[1，2，3]。

我校信息與計算科學專業是從2002年開始招生。數字圖像處理一直是該專業一門專業核心課。該課程一般安排在四年級上半學期。在學習數字圖像處理之前，學生已經學習了矩陣計算、微分方程數值方法、概率論與數理統計等數學類的專業基礎課，并且運用Matlab編寫簡單的程序[4，5]。

二、教材和教學內容選取

基于信息與計算科學專業的特性，教材選用岡薩雷斯版的《數字圖像處理》，該教材側重于對數字圖像處理基本概念和方法的介紹，是數字圖像信息處理領域的一本經典著作。主要內容包括數字圖像基礎、空間域和頻域的圖像增強、圖像復原、小波變換及多分辨率處理、1圖像壓縮、彩色圖像處理、形態學圖像處理、圖像分割、表示與描述和目標識別[6]。

教學中我們以灰度圖像為基礎，著重講述空間域和頻域的圖像增強、圖像復原、小波變換及多分辨率處理、圖像壓縮和圖像分割的基本理論、典型方法和使用技術。簡單介紹彩色圖像處理、形態學圖像處理、表示與描述和目標識別。

三、課堂的組織和實踐教學

實驗教學和實踐是學習掌握各種數字圖像處理技術的重要方法，也是鞏固所學知識、培養學生創新能力和動手解決實際問題能力的重要環節。由于數字圖像處理是綜合性很強的邊緣學科，對實驗和實踐教學的總體過程系統性、整體性的設計和安排要求高。雖然信息與計算科學專業學生具有較強的數學基礎和具備一定的計算機方面的功底，但受原有教學模式的影響，實驗和實踐內容沒有科學的論證和合理的規范，甚至一些至關重要的實踐環節也被省略，這在某種程度上導致學生對所學理論的理解和應用能力的降低[6-12]。

實驗教學主要強調理論知識和實踐能力的結合。為了很好地理解和掌握數字圖像處理技術，我們選擇圖像灰度增強、圖像壓縮、圖像域值分割中幾個最典型的算法，如圖像的讀取和顯示、直方圖均衡化、平滑和銳化濾波、膨脹和腐蝕等作為實驗教學的主要內容。這些內容形象、直觀、具有代表性，有助于學生通過實踐掌握理論知識，提高學生的編程能力。

在實驗教學期間，開展第二課堂。將學生分組，每組給出一個實際的學期項目，讓學生在實踐中錘煉，有助于較快地提高學生的理論認知水平和解決實際問題的能力，有效地培養學生的實際動手能力，提高學習積極性，促進對知識的綜合掌握和靈活應用。

四、 考核方式的探索

數字圖像處理是信息與計算科學專業的核心課，通過本課程的學習，使學生系統掌握數字圖像處理的基本概念、基本原理、實現方法和使用技術，了解數字圖像處理國內外的發展方向。培養學生解決實際問題的能力。課程考核主要是衡量學生對課堂所學內容的理解和掌握程度。就數字圖像處理這門課程而言，如果考核結果只由期終考試的分數來定，就很難調動學生學習積極性，達到本課程的學習目的，不利于發揮學生的主觀能動性培養學生的創造能力。為此，我們將期末考試成績、實驗成績、學期項目成績和平時成績納入考核，課程最終的考核成績綜合這四個部分。

經過對信息與計算科學專業多年的教學實踐和探索，我們通過對數字圖像處理的教學內容、教學體系、實驗體系的改進，極大地提高了學生的學習積極性，有效地培養了學生創新能力和動手解決實際問題能力。

參考文獻：

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[3]鄭秋紅，岑仲迪，奚李峰.信息與計算科學專業教學改革的方向和途徑初探[J].教育與職業，2009（17）.

[4]牛文琪，張慶國，汪宏喜，吳堅.談信息與計算科學專業實踐教學改革[J].中國電力教育，2009（8）.

[5]黃哲煌，黃建新.信息與計算科學專業實踐教學體系的構建與探索[J].中國科技信息，2010（19）.

[6]阮秋琦.數字圖像處理.電子工業出版社，2007.

[7]賈永紅.“數字圖像處理” 課程的建設與教學改革[J].高等理科教育，2007（1）.

[8] 張大明，樊曉香，劉華勇，李璐.信息與計算科學專業 “數字圖像處理”課程教學探索與實踐[J].合肥師范學院學報，2012（3）.

[9]曹玉東，王東霞，周軍.“數字圖像處理”課程教學改革與探索[J].遼寧工業大學學報，2013（2）.

[10]李熙瑩.“數字圖像處理” 課程設計與學生實踐動手能力的培養[J].計算機教育，2008（8）.

[11]李曉輝，吳蓓.“數字圖像處理” 課程實驗改革與實驗系統的研究[J].高等理科教育， 2003（4）.

[12]盛利元，李宏言.“數字圖像處理”實驗教學探索與實驗軟件研制[J].電氣電子教學學報， 2005（3）.

資助項目：吉首大學實驗教學改革研究項目（項目編號：2014SYJG025），吉首大學獨立設置實驗（實訓）課程建設項目（項目編號：JDDL2016007）。