翻轉課堂在數字圖像處理實驗教學中的應用分析

張儼娜 周珂

摘 ?要： 傳統的數字圖像處理實驗教學中，存在教學方式、教學手段與教學目標不匹配的現象，在協同育人模式探索過程中，翻轉課堂作為“以學生為中心”的一種新型的教學方式，在解決學用結合方面有獨特的優勢。翻轉課堂重新設計了教學流程和內容，能夠充分發揮教與學兩個方面的優勢，有助于學生對數字圖像知識的理解和領會，變被動學習為主動學習，使其在知識的探索過程中完成學習任務，主動構建并擴展自身知識體系，培養思辨和創新能力，做到學用結合。

關鍵詞： 數字圖像處理; 協同育人; 翻轉課堂; 實驗教學

中圖分類號：G642.423 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2020）03-53-04

Research on application of flipped classroom in experiment teaching of digital image processing

Zhang Yanna1， Zhou Ke2

（1. Department of Laboratory and Equipment Management， Henan University， Kaifeng， Henan 475004， China;

2. School of Computer and Information Engineering， Henan University）

Abstract： In the traditional experimental teaching of digital image processing， there is a phenomenon that the teaching methods， teaching means and teaching objectives do not match. In the process of exploring the collaborative education model， flipped classroom， as a new teaching method of "student-centered"， has a unique advantage in solving the problem of combination of learning and application. The flipped classroom redesigns the teaching process and content， which can give full play to the advantages of teaching and learning， help students to understand and comprehend the digital image knowledge， change passive learning into active learning， make them complete the learning task in the process of knowledge exploration， actively construct and expand their own knowledge system， cultivate the ability of thinking and innovation， and achieve the combination of learning and application.

Key words： digital image processing; collaborative education; flipped classroom; experiment teaching

0 引言

數字圖像處理是一門抽象性和工程性都很強的課程，對學生的數學基礎、編程與抽象思維要求較高[1]。該課程的基本原理和技術被廣泛應用于軍事、公共安全、航天和航空、無人駕駛、通信工程、生物醫學工程等諸多領域。

在教學過程中，若突出強調數學要求，勢必影響到實踐訓練，與應用的銜接不夠順暢，難以調動學生主動學習的積極性;若僅限于把概念、定理和證明機械地傳授給學生，更加難以激發學生對課程的興趣。所以在具體實施時，容易導致一方面未能很好地將學以致用的教學思想貫穿于教學過程，另一方面鑒于課程的實際難度，若沒有好的教學方法相配合，一般學生接受知識困難，特別是當看不到應用價值時，極易埋沒這門課程的價值。

當前常用的教學手段中，教學內容多以文字、圖片等方式呈現，視頻動畫等因要求有較多儲備資源而應用較少。新的教學手段，需要教師對教學材料進行收集、整理、制作，付出工作量較多。在實驗教學中，要求更高，難度更大，工作量也成倍增長。同時因為評價機制未及時跟進等諸多因素，影響了教師變革教學手段的積極性。

近年來，諸多老師將源于美國的翻轉課堂理念引進高校[8-11]，其最初的目的是要努力保證缺課的同學不會落下課程，之后在協同育人模式探索過程中，作為一種新型的以“學生為中心”的教學模式，得到了諸多專家、學者的積極響應，并在不同課程領域中進行了深入探討和實踐。實踐表明“翻轉課堂”能夠充分發揮教與學兩個方面的優勢，變被動學習為主動學習，學習過程是在知識探索的過程中完成的;教師成為知識學習的“路由器”，協助學生發現問題、分析問題并探索新知。因此通過翻轉課堂改革數字圖像處理實驗教學兼具理論和應用價值。

1 翻轉課堂教學模型

傳統的課堂教學模型（如圖1傳統課堂教學模型所示）中，教師居于核心位置，首先是教師對課程及相關學科知識體系的認識和理解的程度如何，然后是教師對學生進行知識傳播的手段和方法怎么樣，最后才是學生的學習;學生處在被動接受的位置。這種教學模式容易發生課程與課程之間的斷裂，難于形成有效的學科知識體系架構，增加了學生對知識掌握的難度。

“翻轉課堂”（Flipped Classroom）以信息技術為手段，通過課前預習、課中交流和課后總結三段組織，教學可根據學生的狀況進行動態調整，是主動學習的課堂，個性化學習的課堂。這種教學組織模式重新調整了學習參與者的權利分配，將學習決定權讓渡給了學生[8]。教師從主導轉為參與，學生從參與轉為主導，因此在面授時，學生能夠更專注于其發現問題的解決，更能夠激發和強化學生對知識的理解掌握，保障教學目標實現[9];同時，由于是主動學，學生就能夠通過看視頻、閱讀電子書和網絡討論、查資料等多種學習和交流方式進行學習，切實激發學習的原動力。

通過對傳統的教學的變革性改造，形成翻轉課堂的教學模型（如圖2翻轉課堂教學模型）。從學生學習知識的角度看，教師與學生地位同等，但又有不同，教師需要在開展教學之前具有對教學內容的宏觀把控能力，確保教學內容符合要求。教師的主導作用被弱化，從主導教學變成了教學過程設計者，協助學生完成學習過程。學生主動性要求提升，需要開展主動學習，按照自身的情況并結合教師提供的指導進行學習。讓學生真正成為學習的主體，自主完成個人知識體系架構的構建[11]。

在具體實施過程中，需要結合課程實踐，對翻轉課堂各教學環節進一步完善，設計出更加合理、可行、完備的教學過程。其中，信息技術的支撐和學習活動的設計是創設翻轉課堂的基礎，也是保證翻轉課堂有效實施的關鍵。翻轉課堂的教學過程一般可按照時間次序劃分，分為課前、課中以及課后三階段[12]。

1.1 課前環節

課前環節工作內容包括兩項，一是教師準備教學素材;二是學生課前預習。

傳統教學方式中教學素材載體以板書為主;在翻轉課堂中，載體多為音頻、視頻等多媒體。素材來源可以是開放教育資源，也可由相關教師制作。開放教育資源的利用，一方面節省了新技術、新方法、新知識引入課程時人力、物力成本，另一方面也使學生與國內外最新教學內容直接接觸，促使學生掌握領域知識的最新動態或進展，是協同育人理念在教學過程中的應用。課程教師可根據學生的具體情況對教學內容進行優化調整和針對性講解，甚至自制視頻等多媒體素材。

對比傳統的教學模式，翻轉課堂更加需要課前預習。對此，教師可以考慮通過郵件、微信、QQ等提供網絡交流支持。學生可以通過微信群、QQ群等，與同學進行溝通交流。學生與學生、教師和學生、教師與教師之間能夠進行互動交流以確認教學效果。

1.2 課中環節

翻轉課堂的優勢在于觸發學習事件的角色發生變換。學習效率提高的一種有效途徑就在于如何縮短學生原有知識體系與新知識的銜接過程。知識的獲得應該是學生在場景中借助于交流來實現知識體系建構的過程。教師在設計課堂內容時，要充分利用布設場景、密切交互、開放協同等方法充分激發學生主動學習的積極性，協助學生完成自身知識體系的生長。學生在課前預習的基礎上，以更高的效率學習。翻轉課堂的課中階段還需要考慮的內容有：明確目標、自主協同、成果交流、反饋與評價。

1.3 課后環節

翻轉課堂的課后環節，主要是教師對學生學習效果的檢驗和教學組織的回頭看，發現學生表現的共性問題、優點，收集材料再加工等。通過課后環節的梳理和評估檢驗，強化對學生知識體系構建過程的跟蹤，及時發現采集學生在學習過程中的表現，形成教學數據集，還為后續教育教學改進提供一手材料。

2 翻轉課堂在數字圖像處理實驗教學中的應用

2.1 數字圖像處理實驗教學

“數字圖像處理”的課程教學目標是：①提高圖像的質量;②特征或信息提取;③圖像變換。其內容包括了數字圖像的基礎表達、濾波與變換、編碼與處理、圖像分割與信息提取等[13]。“數字圖像處理實驗教學” 是學生在教師的指導下，預設目標和既定的工作步驟，通過對圖像數據施加各種影響，引起圖像數據的變化，從這些現象的變化中獲取圖像數據處理知識的教學組織方法。

2.2 數字圖像處理實驗教學設計

⑴ 教學體系設計要注重“應用導向，教研結合”。

教學內容從解決問題出發，突出應用需求，特別重視圖像處理相關概念的提出及其對應處理過程與方法的建模，從典型問題解決到共性問題模式化處理，實現共性與特性相結合，教學和科研、應用相結合。在教學方法上采用問題導入、需求導向、循序漸進的方法，課堂答疑與線上資源相融合，教材與拓展材料搭配。

⑵ 教學手段要多樣化，展示方式媒體化。

借助現有的網絡資源，構建微視頻教學的演示平臺，提煉授課當中的難點，通過演示系統形象的展示，輔助學生理解和消化。基于校園網或現有的即時通信環境，讓學生能夠結合課程教學要求在網上自主選擇所需要的學習內容。要同時注重多媒體與線上資源建設。

⑶ 實驗內容要注重計算思維的培養

數字圖像處理實驗內容在實現圖像基本處理操作的基礎上，結合應用問題，啟發學生主動發現，自主設計綜合創新性實驗，強化實踐要求。通過問題的解決加深對計算思維的理解，強化學生對問題的抽象，分析，解決等能力的全方位訓練，促進創新意識的養成。

3 翻轉課堂在數字圖像處理實驗教學中的應用分析

3.1 教師角色分析

翻轉課堂意味著教與學角色的切換。教師以輔助角色對教學活動進行規劃。學生按需請求教師的指導。教師真正成為學生成長的人梯，成為學生收集、整編、利用、挖掘、應用資源與知識到真實場景中的培訓師和工具箱。

在這個教學過程中，教師需要使用新的教學方法，提高教學組織技能，積極適應教師核心職能的轉變。在完成每個教學單元的學習之后，需要教師通過多種手段和方式，及時地了解學生知識的掌握情況。同時還要注意完善教學評測方式，做出及時優化，更好地促進學習質量提高。

3.2 學生角色分析

翻轉課堂教學是充滿互動交流的，需要學生發揮主觀能動性、創造性，并高度參與。學生在網絡信息技術支持下構建的開放學習環境中，根據教師提供的教學資源來自學，反復地與同學、教師進行交互以理解、掌握、擴展自我的知識體系。因此，翻轉課堂的教學過程是一個由學生主動構建并擴展自身知識體系的過程，其能力的發揮的程度是衡量翻轉課堂實施成敗的主要因素之一。

3.3 翻轉課堂實施的建議

翻轉課堂的成功實施是一項系統工程，其涉及到教學，教輔，管理等多個環節，通過前述分析，對數字圖像處理實驗課程實施翻轉課堂提出以下建議。

⑴ 翻轉課堂需作為現行育人模式的重要組成。由于信息技術跨領域大范圍的應用，高校的信息學科知識教育難以滿足社會對最新技術的教學需求。而翻轉課堂在教育領域就是一個“好工具”，可以很好地幫助我們解決許多問題。數字圖像處理實驗課程完全可以利用“翻轉課堂”來鍛煉學生的主動學習能力、團隊協作能力等，為學生后續工作學習做好全方位的準備。

⑵ 翻轉課堂要高度重視課堂教學環節。課堂是集中對學生問題進行分析解答，促進學生交流表達能力、團隊協作能力的培養陣地。同時，預習時間難以把控，需要考慮知識點的規劃設計，建議全部在課堂上消化和落實，避免學生因增加的工作量而產生厭學情緒。要保證學生能夠自覺的去完成視頻學習，便捷易用、安全可靠的互動交流平臺（學習成果匯總展示，點評分享）也是必不可少的。

⑶ 教學考評機制也需要做相應的調整。教師在實施翻轉課堂時需要投入更多的精力和時間來錄制視頻、準備素材，做精心的課堂設計和學生學習狀態分析，需要教學主管部門給予適當的響應。

4 結束語

數字圖像處理技術以其實踐性和可展示度的優勢而得到了廣泛的應用，圖像處理課程也越來越成為學生就業或進一步深造所需的重要知識組成。通過翻轉課堂的實施，我們對教學大綱按照培養目標進行準確的定位和再設計、再優化。研究結果表明將翻轉課堂引入到數字圖像處理實驗課程中，結合教學效果對翻轉課堂的實施進行優化，能夠進一步提升教學質量。

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