基于學習產出的數字圖像處理課程教學改革

夏潤秋 劉力雙 劉洋 呂勇

摘要：針對學生在光電競賽、畢業設計等環節出現的對數字圖像處理系統結構原理不清楚、對數字圖像處理算法設計及實現不熟悉等問題，提出了基于學習產出教育模式（OBE）的教學改革方案。以光電信息科學與工程專業學生的培養目標為出發點，改進課程大綱與教學方法，將主要依賴于理論教學、實驗教學的傳統課程重新劃分為多個階段，同時增強各教學階段知識點的關聯性，按數字圖像處理系統設計、算法設計、算法實現與優化等核心要求設置不同階段項目，通過增加實訓課程考核產出成果。實訓課程有別于傳統實驗，在各階段項目中學生需要自主學習、自主設計、自主實現，從而培養并提高學生對數字圖像處理相關知識的理解與運用能力，提升學生的自主學習能力，最終達到應對處理復雜工程問題的能力。該改革對數字圖像處理教學進行了有益的探索，對提高本專業的工程教育質量具有重要意義。

關鍵詞：數字圖像處理;OBE;教學;改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0189-03

基于學習產出的教育模式（Outcome-Based Education，OBE）是“華盛頓協議”工程教育認證體系所認可的教育模式之一[1]，其最早出現于美國并逐步得到了發展與普及。自2016年我國正式成為華盛頓協議會員以來，OBE教學模式也在國內眾多高校工科專業教學中得到了推廣運用[2]。新形勢下，以本校光信息科學與技術專業培養符合國家和北京市經濟社會發展需求，在光電信息檢測與處理領域具有扎實的基礎理論和專業知識，具備解決復雜工程問題的實踐能力和創新能力，能夠從事研發、制造、技術支持、維護和運行管理等工作，并具有一定的人文科學素養和國際化視野的高素質應用型人才的培養目標為出發點，結合開展工程教育認證的相關要求，探索數字圖像處理課程目標設置、教學內容與方法以及課程評價體系等方面的教學改革，對提高學生的工程實踐能力、解決復雜工程問題的能力具有重要的作用與意義。

一、OBE模式數字圖像處理教學改革的意義

數字圖像處理課程是本校光信息科學與技術專業的專業必修課和測控技術與儀器專業的專業任選課。目前我們以北京大學出版社出版的由曹茂永等編著的《數字圖像處理》教材為主線，以Rafael C. Gonzalez等著的《Digital Image Processing》等教材為輔助，同時兼顧當前圖像處理及機器視覺相關領域的前沿動態。該課程主要向學生講述利用計算機開展圖像的去噪、增強、特征提取等處理的原理與方法。為了提高學生的實踐能力，該課程還有與其相應的實驗課程，實驗課程共8學時，為專業任選課。實驗主要內容有圖像直方圖處理、圖像平滑以及邊緣提取等。

數字圖像處理要求學生具有較好的線性代數與信號處理相關知識基礎，同時相關處理方法的運用與實現又要求學生具有較好的實踐能力，是一門邏輯性、理論性與實踐性都較強的專業課。但在以往的教學過程中發現，學生僅僅通過課堂學習還不足以理解如何運用相關圖像處理方法，同時由于實驗課程的課時較短、內容設置固化，且以驗證獨立的知識點為主，對學生工程實踐能力培養有限，不能夠滿足本專業培養高素質應用型人才的目標[3，4]。

由于上述問題的存在，使得現有數字圖像處理課程不能達到理想的教學效果。為了構建更為合理有效的教學方法以及課程評價體系，我們引入OBE教育模式，圍繞專業的培養目標與畢業要求，改進教學方法，著重革新改進實踐教學環節的內容與評價體系，以提高該門課程的教學效果，加強對學生工程實踐能力的培養。

二、課堂教學環節設計

根據歷年的教學效果反饋可以發現，學生僅通過數字圖像處理課程中各個知識點的學習，尚不能夠形成對圖像處理流程的整體認知，同時由于教師在課堂上花費了大量的時間講解相關算法的數學原理及推導方法，導致學生在學習過程中只重視數學原理而忽略了在實踐中該算法應用在何處、如何被應用等問題。

針對上述問題，按照本專業培養高素質應用型人才的培養目標做出改革。首先，教學過程中對相關算法原理部分的內容進行壓縮，并在此基礎上增加部分算法應用的內容，采用啟發式教學加強師生課堂互動，結合實際案例在解決問題的過程中探討圖像處理算法的應用。其次，課后作業的設置相對于傳統的作業內容進行了改進，減少了對算法數學過程計算的要求，同時將多次小作業合并為1～2次的大作業，且作業內容以調研分析為主。鼓勵學生通過網絡、文獻檢索數據庫調查數字圖像處理以及計算機視覺領域的最新技術進展，分析新技術中的圖像處理算法技術特點，研究數字圖像處理算法的發展方向，并通過文字報告或課堂分享的形式進行考核。通過課堂內外相互結合的方法提高學生的主觀能動性與自主學習能力，加強學生對所學相關數字圖像處理原理與實際運用之間關聯的認知。

三、實踐教學環節設計

本課程改革前的實踐環節為針對單個知識點的利用MATLAB開展的驗證性實驗[5]，主要內容有圖像直方圖處理、圖像平滑以及邊緣提取等。根據學生們的反饋總結，目前的實踐環節存在以下問題：①實驗內容與實際運用過程脫節，實驗課程的訓練不能提升學生對數字圖像處理應用的認識。②實驗工具軟硬件傾向于培養研究型人才，不能完全契合培養應用型人才的目標。③實驗考核方法單一，僅以復現課本內容作為考核依據，不能完全體現學習效果與學生個體差異。

換言之，現行的實踐課程設置及其考核評價體系已經不能夠適應工程教育認證的需求，也不能滿足我校培養應用型人才的目標，因此需要對現行實踐環節進行較大調整。實踐環節主要包含如圖1所示的八個環節。

1.小組劃分。該環節是開展實踐課程的基礎，小組由學生自由組建，成員不超過三人，建議學生按照系統整體設計、硬件平臺搭建、軟件實現劃分各自的主要職責，同時在實際開展過程中相互協調、共同推進。

2.平臺選擇。為了適應當前的技術發展以及實際應用中的軟硬件環境，為學生提供個人計算機以及嵌入式硬件（如樹莓派）兩種硬件平臺，并提供多種焦距分辨率可見光相機、照明光源、可測量工件等相關實驗條件，同時為了讓學生接觸最新的機器視覺科研與工程實現熱點，還為學生提供了Intel神經計算棒等深度學習應用加速推斷硬件，軟件平臺可根據個人興趣以及技術基礎使用C++、C#、Python、Java等主流高級語言，圖像處理函數庫可使用OpenCV、ImageMagick、EmguCV、PIL等開源圖像處理庫，也可以自行編寫圖像處理函數實現相關功能。較為開放的平臺條件有助于學生按照自己的基礎與學習能力選擇適合于本小組的軟硬件。

3.選題調研。選題環節是課程能否順利達到預期目標的關鍵。一方面，選題難度應該與學生的能力相配匹，難度盡量適中;另一方面，應該照顧到個體之間的差異。因此，在該環節中首先會提供一些傳統的數字圖像處理應用選題如工件測量、零件分選等，同時給予能力較強的學生一些自由度，使其可以自行通過調研嘗試實現一些較為新穎的應用，并對選題難度進行評估，分析可行性。

4.開題。完成選題后各小組成員即開展開題相關工作，包括實現選題的初步設想、人員分工、時間節點（中期與終期）、工作達成度等內容，該環節任課教師需要對上述內容的可行性做出評價，并給出改進意見。

5.詳細設計。完成開題后小組成員根據分工開展設計，包括選題系統的整體構成、工作流程，明確硬件的細節要求以及軟件的算法原理與實現流程。

6.中期檢查。中期檢查環節教師應該按照開題階段設定的時間節點目標進行檢查，評價各小組的目標達成度。對于未按照節點要求完成的小組提出警告。

7.達成檢查。達成檢查是對選題實現結果產出的最終檢查，需要對最終實現結果與預期目標的達成程度進行評價。

8.結題驗收。結題驗收是各小組實踐教學階段的總結與展望的過程。各小組應完成結題報告，各成員自我闡述在小組中發揮的作用、評價個人在團隊中的價值。若存在未能按照預期完成目標的情況，需要分析原因并給出改進手段與方案。教師需對所有小組給出評價，對于給出的改進方案進行評估，以合理評價各小組成績。

實踐課程除了統一安排給定節點的檢查時間外，不限制學生的上課時間，實驗室在工作日及部分周末全天開放，學生可以自由選擇學習時間。上述實踐教學內容設計的主要出發點和特點是突出數字圖像處理算法在實際系統中的應用，將課本中的分立知識點在運用過程中逐步體系化，使其貫穿于整個實踐環節中，并最終以學生產出作為考核指標，有效訓練學生解決復雜工程問題的能力。

四、結語

OBE教育理念作為一種革新教育模式，在優化教學內容、改進教學手段以及優化評價體系等方面具有重要的指導意義。基于該理念，從課堂教學與實踐教學兩個方面開展數字圖像處理課程的教學改革，重點改進了實踐教學環節的內容及其評價體系。通過一年的教學實踐，雖然初期學生普遍反映實踐教學環節中需要花費的學習時間以及學習難度相對于一般課程有所增加，并存在一定的抵觸心理，但完成實踐課程后，學生們基本認為通過該課程的鍛煉學到了在實際工作中可能需要的知識，大大提高了解決復雜工程問題的能力，這也契合了本校高素質應用型人才的培養目標。

參考文獻：

[1]胡麗霞，郭曉梅.基于OBE的Web前端技術課程改革探討[J].山東工業技術，2018，No.272（18）：231+238.

[2]梁正平，朱澤軒，王志強.OBE導向全程緊張的操作系統教學改革[J].計算機教育，2018，No.282（06）：61-64.

[3]呂勇，劉力雙，劉洋，等.適應工程教育認證的實驗教學示范中心教學體系建設[J].實驗技術與管理，2017，（02）：197-200.

[4]齊書宇，李國香.《華盛頓協議》畢業生素質規定及其對地方高校工程人才培養的啟示[J].高校教育管理，2018，（1）：48-53.

[5]呂勇，牛春暉，劉力雙.基于實踐能力培養的《數字圖像處理》課教學改革研究[J].現代計算機，2013，（26）：60-62.

Teaching Reform of the Course in Digital Image Processing Based on OBE

XIA Run-qiu， LIU Li-shuang， LIU Yang， L? Yong

（School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： In photoelectric competitions and graduation designs， students often have difficulties in understanding the structure principles of digital image processing system， and the design and implementation of digital image processing algorithm. In view of these problems， a teaching reform plan is put forward based on the learning outcome-based education model. The reform takes the educational objectives of the photoelectric information science and engineering majors as the starting point to improve the syllabus and teaching methods. The traditional courses， which mainly rely on theoretical teaching and experimental teaching， are reclassified into several stages based on the digital image processing system design， algorithm design， algorithm realization and optimization. The practical training course is different from the traditional experiment. In the various stages of the project， students need to learn， design and realize independently to improve their understanding of knowledge related to digital image processing， and finally improve their ability of self-learning and enhance their ability to deal with complex engineering problems. The reform takes a useful exploration of the teaching of Digital Image Processing， and is significant to improve the quality of engineering education of photoelectric information science and engineering.

Key words： Digital Image Processing; OBE; teaching; reform