數字圖像處理課堂教學研究與探索

蔣斌++張俊松++孟潁輝++張靜++張秋聞

摘 要：針對數字圖像處理課程在教學中存在的數學公式繁瑣、理論性強、學科交叉密集的特點，分析學生和教師兩個角度問題存在的原因，從教學內容、教學方法等方面提出相應的改進方案，闡述對數字圖像處理課堂教學和實驗教學的研究與思考。

關鍵詞：數字圖像處理；教學模式；研究與探索

0 引 言

數字圖像處理是信息專業的重要必修課程，在本科生就業以及研究生深造方面都起到了重要的指導作用。一方面國內外著名企業騰訊、百度、谷歌、華為等公司都在數字圖像處理的研發上投入了大量的精力，另一方面國內眾多高校和科研院所也將數字圖像處理作為重要的研究方向。因此學生在本科教學階段掌握的數字圖像處理知識，將為畢業生未來的發展提供必要的技術儲備和研究基礎。然而數字圖像處理的課堂與實驗教學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，就意味著學生能縮短從事數字圖像處理領域各個具體方向的入門時間，提高數字圖像處理的人才培養效果，減少本科生所學知識與數字圖像處理市場需求之間的差異，使得學生畢業后能夠盡快勝任大部分實際圖像處理工程[1]。

1 數字圖像處理課程的教學現狀

通過對數字圖像處理課程教學的歸納總結，發現學生在數字圖像處理的學習過程中存在以下3個主要問題：①缺乏對數學方法的學習興趣。從對課堂教學的觀察中發現學生在緒論等數學公式不多、多媒體實例豐富的教學環境中，具有極大的學習熱情；而在數學原理復雜，例如圖像復原章節的學習上，課堂注意力明顯不夠集中，與教師的互動也呈現下降趨勢。②缺乏解決問題的思路和方法。在對課程作業的批改中發現學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，學生的答題情況并不樂觀。在對期末試卷的評分中進一步發現學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練。在課下與學生的交流中，學生普遍反映對數字圖像處理的應用非常感興趣，但是如果面臨實際項目，又會產生實踐訓練不夠、工作力不從心的擔憂。

2 對存在問題的剖析

以上3個問題是目前制約學生在學習數字圖像處理的過程中面臨的主要問題，我們分別從學生與教師兩個方面，分析上述問題產生的原因。

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

（2）對學生而言，不少人習慣于接受式、被動式的學習，學習了A方法就可以解決A問題，學習了B方法就可以解決B問題，而很少分析方法的本質是什么，某個方法為何適用于某類問題；缺乏主動思考，多數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，學生所學有限，遇到問題自然技窮。對教師而言，不少數字圖像處理教材限于篇幅，僅是羅列了方法的對應公式，并沒有提供該方法的詳細介紹。還有一些方法直接引用了某篇文獻，使得教師需要花費大量時間查找、理解方法的內容，增加了教學工作的準備時間，影響了教學工作的進度。最主要的是一些新方法涉及很多數學概念，學生在現有的知識層面上很難理解。如果詳細講述，容易偏離教學進程，增加了學生的理解難度；若是泛泛而談，又對學生沒有直接的幫助，因此教師也處在一個左右為難的尷尬境地。

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

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）加強與學生的溝通，提升教學質量。數字圖像處理是應用數學知識較多的課程，雖然著名科學家霍金認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，而縮減授課內容、降低授課質量。開課前期盡快了解學生對數學知識的掌握情況，才能確定教學內容上的關鍵點，提前準備好數學內容的介紹，使學生更容易接受所學的理論，減少畏難情緒。建立好基礎課、專業基礎課和專業課之間的聯系。例如，2015—2016學年，我們在講授圖像編碼章節時，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據量承載最多的信息。將通信原理、信息論與編碼這兩門專業基礎課程和數字圖像處理聯系起來。在講解變長碼優點時，又幫助同學們回憶了數據結構課程接觸到的漢明碼（Hamming Code）概念，進而對比分析了等長碼的不足，極大地提高了學生的學習興趣，促使學生自覺地歸納、思考專業基礎知識。

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驗。例如，周志華教授在《機器學習》一書中形象地采用挑選“西瓜”作為機器學習眾多知識點的引例，將基本術語、學習過程以及學習方法娓娓道來，增強了讀者的印象，對于數字圖像處理的講課技巧有很大啟發。其次，搜集圖像處理研究者提供的開源演示視頻，進而分析影像背后對應的數字圖像處理概念，使學生在鞏固圖像處理知識的同時拓展了眼界。endprint

（2）加強對課程的認識，增加教學內容。數字圖像處理是與其他領域聯系較多的課程，信息論與編碼、信號與系統、模式識別、機器學習、人工智能、數據挖掘等信息類課程都與數字圖像處理在內容、方法和應用領域方面存在著交匯。因此，教師應當介紹數字圖像處理知識點與上述課程之間的聯系，使學生將本專業的知識融會貫通，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，在不影響教學進程的前提下，增加對經典方法的引申和擴展，從縱向上提高學生處理問題的能力。

（3）加強和業內的交流，提高實驗效率。數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，增加對該領域就業需求的了解；制定出合理、明確的實驗方案，明確其他學科與圖像的聯系[4]，才能在有限的時間內，完成對學生的實踐訓練，增強學生解決數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]提供的標準圖像庫為測試數據，配合數字圖像處理理論教學，使學生在有限的10個實驗學時內，獨立完成8學時的驗證性實驗和2學時的綜合性實驗（見表2）。

尤其是綜合性實驗，教師將給出一個模擬項目，要求學生在規定時間內獨立地分析問題、解決問題，提高對廣大學生的實踐鍛煉。鄭州輕工業學院的數字圖像處理團隊承擔了多項國家自然科學基金課題，內容包括圖像分割、圖像質量評價和圖像視頻編碼。我們選拔優秀學生，參與到教師的實際項目之中，培養學生的實踐能力和經驗。

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

4 結 語

數字圖像處理課程的思考是我們在實際教學過程中發現并逐漸總結的。由于該課程的教學時間尚短，調研樣本還不夠豐富，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工作中不斷地去發現、思考、總結，找到更好的傳授數字圖像處理知識的方法，為學生打好就業與深造的基礎。同時，在當前大力提倡工程教學的背景下，教學模式改革是一個長期的、任重道遠的任務，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驗[6]，這也促進教師將教學與科研聯系起來，通過科研反哺教學，以此實現二者的良性互動。

參考文獻：

[1] 朱旗， 孫涵. 數字圖像處理課程教學模式改革研究[J]. 科教導刊， 2016（2）： 107-108.

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

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

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

[5] 岡薩雷斯. 數字圖像處理[M]. 3版. 阮秋琦， 譯. 北京： 電子工業出版社，2011.

[6] 汪軍， 強俊. 面向應用的數字圖像處理課程教學模式的研究[J].重慶工商大學學報（自然科學版）， 2015， 32（5）： 94-98.

（編輯：郭田珍）endprint