數(shù)字圖像處理課堂教學(xué)研究與探索

蔣斌++張俊松++孟潁輝++張靜++張秋聞

摘 要：針對數(shù)字圖像處理課程在教學(xué)中存在的數(shù)學(xué)公式繁瑣、理論性強、學(xué)科交叉密集的特點，分析學(xué)生和教師兩個角度問題存在的原因，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，闡述對數(shù)字圖像處理課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的研究與思考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；教學(xué)模式；研究與探索

0 引 言

數(shù)字圖像處理是信息專業(yè)的重要必修課程，在本科生就業(yè)以及研究生深造方面都起到了重要的指導(dǎo)作用。一方面國內(nèi)外著名企業(yè)騰訊、百度、谷歌、華為等公司都在數(shù)字圖像處理的研發(fā)上投入了大量的精力，另一方面國內(nèi)眾多高校和科研院所也將數(shù)字圖像處理作為重要的研究方向。因此學(xué)生在本科教學(xué)階段掌握的數(shù)字圖像處理知識，將為畢業(yè)生未來的發(fā)展提供必要的技術(shù)儲備和研究基礎(chǔ)。然而數(shù)字圖像處理的課堂與實驗教學(xué)還存在一些亟待解決的問題，如果能夠較好地解決這些問題，就意味著學(xué)生能縮短從事數(shù)字圖像處理領(lǐng)域各個具體方向的入門時間，提高數(shù)字圖像處理的人才培養(yǎng)效果，減少本科生所學(xué)知識與數(shù)字圖像處理市場需求之間的差異，使得學(xué)生畢業(yè)后能夠盡快勝任大部分實際圖像處理工程[1]。

1 數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀

通過對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在數(shù)字圖像處理的學(xué)習(xí)過程中存在以下3個主要問題：①缺乏對數(shù)學(xué)方法的學(xué)習(xí)興趣。從對課堂教學(xué)的觀察中發(fā)現(xiàn)學(xué)生在緒論等數(shù)學(xué)公式不多、多媒體實例豐富的教學(xué)環(huán)境中，具有極大的學(xué)習(xí)熱情；而在數(shù)學(xué)原理復(fù)雜，例如圖像復(fù)原章節(jié)的學(xué)習(xí)上，課堂注意力明顯不夠集中，與教師的互動也呈現(xiàn)下降趨勢。②缺乏解決問題的思路和方法。在對課程作業(yè)的批改中發(fā)現(xiàn)學(xué)生擅長直接套用定理和計算公式得出答案，對于解題條件改變或沒有明顯公式暗示的題目，學(xué)生的答題情況并不樂觀。在對期末試卷的評分中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)學(xué)生在對綜合題目的分析和解答上，仍存在一定的不足。③缺乏在實際項目中的訓(xùn)練。在課下與學(xué)生的交流中，學(xué)生普遍反映對數(shù)字圖像處理的應(yīng)用非常感興趣，但是如果面臨實際項目，又會產(chǎn)生實踐訓(xùn)練不夠、工作力不從心的擔(dān)憂。

2 對存在問題的剖析

以上3個問題是目前制約學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理的過程中面臨的主要問題，我們分別從學(xué)生與教師兩個方面，分析上述問題產(chǎn)生的原因。

（1）對學(xué)生而言，課程需要的數(shù)學(xué)概念較多。這里以所用教材[2]為例，通過表1展示了數(shù)字圖像處理課程所需的數(shù)學(xué)知識，從中可以看出，數(shù)字圖像處理涉及的數(shù)學(xué)知識幾乎涵蓋了信息專業(yè)的全部數(shù)學(xué)課程。因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時需要對以往的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行有效的梳理和及時的復(fù)習(xí)，否則就會造成理解力不足的困境，進(jìn)而拖延學(xué)習(xí)進(jìn)程；而且數(shù)字圖像處理課程還引入了更多的數(shù)學(xué)知識。例如：仿射變化是對基本坐標(biāo)變換的深化，圖像恢復(fù)不但引入了優(yōu)化理論的概念，還將高等數(shù)學(xué)中針對實函數(shù)的拉格朗日乘子法用于矩陣計算之中。這些新的數(shù)學(xué)知識都增加了學(xué)習(xí)難度，極易引起學(xué)生的畏難情緒。對多數(shù)教師而言，首先默認(rèn)學(xué)生已經(jīng)掌握了上述基本的數(shù)學(xué)知識，就會忽略對相關(guān)數(shù)學(xué)概念的復(fù)習(xí)和重視，師生之間缺乏互動；其次，非數(shù)學(xué)專業(yè)的教師很難深入淺出地對數(shù)學(xué)公式的原理進(jìn)行說明，多是按照自己的理解照本宣科，講述內(nèi)容不夠生動，因此學(xué)生在面臨復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式、定理時，學(xué)習(xí)起來自然如食雞肋。

（2）對學(xué)生而言，不少人習(xí)慣于接受式、被動式的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)了A方法就可以解決A問題，學(xué)習(xí)了B方法就可以解決B問題，而很少分析方法的本質(zhì)是什么，某個方法為何適用于某類問題；缺乏主動思考，多數(shù)教材介紹的問題和方法都是最典型的問題和最直接的方法，學(xué)生所學(xué)有限，遇到問題自然技窮。對教師而言，不少數(shù)字圖像處理教材限于篇幅，僅是羅列了方法的對應(yīng)公式，并沒有提供該方法的詳細(xì)介紹。還有一些方法直接引用了某篇文獻(xiàn)，使得教師需要花費大量時間查找、理解方法的內(nèi)容，增加了教學(xué)工作的準(zhǔn)備時間，影響了教學(xué)工作的進(jìn)度。最主要的是一些新方法涉及很多數(shù)學(xué)概念，學(xué)生在現(xiàn)有的知識層面上很難理解。如果詳細(xì)講述，容易偏離教學(xué)進(jìn)程，增加了學(xué)生的理解難度；若是泛泛而談，又對學(xué)生沒有直接的幫助，因此教師也處在一個左右為難的尷尬境地。

（3）對學(xué)生而言，擔(dān)憂體現(xiàn)在兩個方面：①實驗課程學(xué)時不足。學(xué)生在有限的時間里，無法將教材中所有的方法都編程實現(xiàn)，進(jìn)而驗證自己對方法的掌握程度[3]；②實驗側(cè)重于訓(xùn)練學(xué)生對數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識的掌握，與實際項目相比還存在較大差距，學(xué)習(xí)到的知識還不足以應(yīng)對企業(yè)的需求。對教師而言，難題有二：①如何設(shè)計合理的實驗項目，既能鞏固學(xué)生所學(xué)知識，又能使學(xué)生掌握新的方法；②企業(yè)根據(jù)市場的需求在不斷變化對數(shù)字圖像處理人才的具體要求，目前數(shù)字圖像處理行業(yè)對FPGA數(shù)字圖像處理的需求在逐漸加大，然而非嵌入式專業(yè)的學(xué)生需要掌握的相關(guān)知識超出了數(shù)字圖像處理所涵蓋的范圍，這就對教師提出了更高的專業(yè)要求，并希望教師能對行業(yè)的發(fā)展具有較為明確的認(rèn)識。

3 對策與思考

在分析了上述問題的原因后，需從以下4點著手：

（1）加強與學(xué)生的溝通，提升教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字圖像處理是應(yīng)用數(shù)學(xué)知識較多的課程，雖然著名科學(xué)家霍金認(rèn)為多寫一個公式就會嚇跑一半讀者，但是我們不能為了減少公式，而縮減授課內(nèi)容、降低授課質(zhì)量。開課前期盡快了解學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的掌握情況，才能確定教學(xué)內(nèi)容上的關(guān)鍵點，提前準(zhǔn)備好數(shù)學(xué)內(nèi)容的介紹，使學(xué)生更容易接受所學(xué)的理論，減少畏難情緒。建立好基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的聯(lián)系。例如，2015—2016學(xué)年，我們在講授圖像編碼章節(jié)時，說明了圖像編碼隸屬于通信過程中的信源編碼，二者都追求以最少的數(shù)據(jù)量承載最多的信息。將通信原理、信息論與編碼這兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程和數(shù)字圖像處理聯(lián)系起來。在講解變長碼優(yōu)點時，又幫助同學(xué)們回憶了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程接觸到的漢明碼（Hamming Code）概念，進(jìn)而對比分析了等長碼的不足，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生自覺地歸納、思考專業(yè)基礎(chǔ)知識。

同時教師也要思考如何用生動、形象的授課方式來吸引學(xué)生的注意力。我們采用了兩種方法：首先，借鑒著名教材的成功經(jīng)驗。例如，周志華教授在《機器學(xué)習(xí)》一書中形象地采用挑選“西瓜”作為機器學(xué)習(xí)眾多知識點的引例，將基本術(shù)語、學(xué)習(xí)過程以及學(xué)習(xí)方法娓娓道來，增強了讀者的印象，對于數(shù)字圖像處理的講課技巧有很大啟發(fā)。其次，搜集圖像處理研究者提供的開源演示視頻，進(jìn)而分析影像背后對應(yīng)的數(shù)字圖像處理概念，使學(xué)生在鞏固圖像處理知識的同時拓展了眼界。endprint

（2）加強對課程的認(rèn)識，增加教學(xué)內(nèi)容。數(shù)字圖像處理是與其他領(lǐng)域聯(lián)系較多的課程，信息論與編碼、信號與系統(tǒng)、模式識別、機器學(xué)習(xí)、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等信息類課程都與數(shù)字圖像處理在內(nèi)容、方法和應(yīng)用領(lǐng)域方面存在著交匯。因此，教師應(yīng)當(dāng)介紹數(shù)字圖像處理知識點與上述課程之間的聯(lián)系，使學(xué)生將本專業(yè)的知識融會貫通，有利于拓展分析和解決問題的思路，從橫向上提高學(xué)生理解問題的能力；另一方面，教師要提前做好功課，在不影響教學(xué)進(jìn)程的前提下，增加對經(jīng)典方法的引申和擴展，從縱向上提高學(xué)生處理問題的能力。

（3）加強和業(yè)內(nèi)的交流，提高實驗效率。數(shù)字圖像處理是實用性較強的課程，不斷更新自身的知識儲備，增加對該領(lǐng)域就業(yè)需求的了解；制定出合理、明確的實驗方案，明確其他學(xué)科與圖像的聯(lián)系[4]，才能在有限的時間內(nèi)，完成對學(xué)生的實踐訓(xùn)練，增強學(xué)生解決數(shù)字圖像處理問題的能力和信心。我們以MATLAB仿真平臺為工具，以岡薩雷斯[5]提供的標(biāo)準(zhǔn)圖像庫為測試數(shù)據(jù)，配合數(shù)字圖像處理理論教學(xué)，使學(xué)生在有限的10個實驗學(xué)時內(nèi)，獨立完成8學(xué)時的驗證性實驗和2學(xué)時的綜合性實驗（見表2）。

尤其是綜合性實驗，教師將給出一個模擬項目，要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)獨立地分析問題、解決問題，提高對廣大學(xué)生的實踐鍛煉。鄭州輕工業(yè)學(xué)院的數(shù)字圖像處理團(tuán)隊承擔(dān)了多項國家自然科學(xué)基金課題，內(nèi)容包括圖像分割、圖像質(zhì)量評價和圖像視頻編碼。我們選拔優(yōu)秀學(xué)生，參與到教師的實際項目之中，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和經(jīng)驗。

（4）加強考核的難度，側(cè)重綜合能力的考核。近5年，我校數(shù)字圖像處理考題中80%的題目考核的是學(xué)生掌握的基礎(chǔ)概念。2017年我們將綜合分析類題目的比例增加到30%，并根據(jù)考核情況以及在教學(xué)過程中的調(diào)研，不斷調(diào)整綜合分析類問題的內(nèi)容，使之發(fā)揮更好的實戰(zhàn)效果。改革后的考核強調(diào)學(xué)生對知識的理解和運用，更加注重考查學(xué)生的知識積累和應(yīng)變能力。

4 結(jié) 語

數(shù)字圖像處理課程的思考是我們在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)并逐漸總結(jié)的。由于該課程的教學(xué)時間尚短，調(diào)研樣本還不夠豐富，所以一些觀點難免存在局限性，這就需要教師在今后的教學(xué)工作中不斷地去發(fā)現(xiàn)、思考、總結(jié)，找到更好的傳授數(shù)字圖像處理知識的方法，為學(xué)生打好就業(yè)與深造的基礎(chǔ)。同時，在當(dāng)前大力提倡工程教學(xué)的背景下，教學(xué)模式改革是一個長期的、任重道遠(yuǎn)的任務(wù)，對教師的要求不斷提高，教師不僅要具有深厚的理論功底，還要具備較強的工程實踐經(jīng)驗[6]，這也促進(jìn)教師將教學(xué)與科研聯(lián)系起來，通過科研反哺教學(xué)，以此實現(xiàn)二者的良性互動。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱旗， 孫涵. 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式改革研究[J]. 科教導(dǎo)刊， 2016（2）： 107-108.

[2] 章毓晉. 圖像工程（上冊）圖像處理[M]. 3版. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2012.

[3] 沈曉晶， 王艷， 趙慧娟. 應(yīng)用型院校數(shù)字圖像處理本科教學(xué)探索[J]. 計算機教育， 2012（1）： 86-88.

[4] 譚光華， 李仁發(fā). 本科圖形圖像課程一體化教學(xué)模式[J]. 計算機教育，2014（8）： 41-43.

[5] 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M]. 3版. 阮秋琦， 譯. 北京： 電子工業(yè)出版社，2011.

[6] 汪軍， 強俊. 面向應(yīng)用的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式的研究[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015， 32（5）： 94-98.

（編輯：郭田珍）endprint