基于微知識點的數(shù)字圖像處理課程教學模式研究

盧 濤，張彥鐸

（1.武漢工程大學 計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學 人工智能學院，湖北 武漢 430205）

1 研究背景

近年來，借助通訊網(wǎng)絡共享教學資源的教學模式日益風靡，特別是以慕課（MOOC）為代表的線上教學模式極大促進了優(yōu)質(zhì)教學資源的共享。2011 年斯坦福大學推出的人工智能導論免費線上課程吸引了全世界近16 萬人注冊學習，線上課程無論是參與學習人數(shù)的規(guī)模還是廣度都是傳統(tǒng)教學方法難以企及的。Coursera 和可汗學院等開放性課程教學平臺的出現(xiàn)，進一步推動了慕課教育的發(fā)展[1-2]。從2012 年開始，我國也逐步推進慕課平臺和內(nèi)容的建設，2013 年清華大學推出了學堂在線平臺。2018 年，教育部建成了490門“國家精品在線開放課程”，使得我國的慕課數(shù)量處于世界第一。毋庸置疑，慕課教學模式極大提高了課堂教學的受眾面，促進了知識的傳播和教學資源的共享。然而，隨著終生學習觀點的普及，單純的線上教學模式已不能滿足越來越多的學習者對實時互動的需求。因此，近年來，結合線上教學與線下互動的新教學模式日益受到了重視[3]。

受到Web2.0 技術的影響，新一代的社交網(wǎng)絡提供了更為便捷的交互模式，例如微博、微信、抖音等進一步提供了課堂教學交互的平臺和手段。利用社交網(wǎng)絡教學也成為一種新的嘗試。法國南特商學院成功使用Facebook、Twitter 和Scoop.it 等社交平臺搭建教學輔助平臺，增加學生的參與性和互動性。微課利用碎片時間提供學習資源，將知識點離散化地呈現(xiàn)給讀者，進一步提高了教學的實效性。另一方面翻轉(zhuǎn)課堂利用交互手段，提高了學生的參與度，獲得較好的教學效果[4-5]。在微課的基礎上，本團隊提出了微知識點的教學模式，并提出了課程教學組織、評估考核等環(huán)節(jié)的展開模式，在實際的教學中取得了較好的效果[6]。

2 基于微知識點的教育模式

微知識點教學模式是一種新教學方法的嘗試，其主要的組織形式按照圖1 所示的5 個步驟展開。圍繞課堂教學，從優(yōu)化課程教學的內(nèi)容開始，使用多樣化的教學手段，充分利用網(wǎng)絡教學資源，開展社交媒體交互并進行教學效果的評估和考核，最后根據(jù)考核結果優(yōu)化課堂教學內(nèi)容，形成微知識點的教學閉環(huán)。通過圖1 可以循環(huán)迭代更新教學內(nèi)容，進一步提升教學效果。

圖1 微知識點教學模式結構圖

2.1 微知識點教學模式

2.1.1 優(yōu)化課堂教學內(nèi)容

數(shù)字圖像處理是智能科學與技術專業(yè)的基礎課程，近年來受益于機器視覺理論與實踐的快速發(fā)展，課堂教學內(nèi)容需要與時俱進[7]。例如，傳統(tǒng)的顏色空間理論是數(shù)字圖像處理課程中的必備內(nèi)容，無論是課堂教學還是實驗環(huán)節(jié)均設置了相關的內(nèi)容。在保留這些經(jīng)典教學內(nèi)容的基礎上，筆者所在課題組還結合圖像處理的發(fā)展，引入基于學習的圖像超分辨率重建、圖像去模糊等應用內(nèi)容，幫助學生理解數(shù)字圖像的成像過程和數(shù)字圖像處理的一般范式。這是從課程教學內(nèi)容的廣度出發(fā)優(yōu)化課堂教學內(nèi)容。另一方面，考慮到學生對教學內(nèi)容的掌握程度，對教學內(nèi)容的難度進行縱深方向調(diào)整，使得課堂教學內(nèi)容能夠更好地符合培養(yǎng)目標。

2.1.2 多樣化教學手段

數(shù)字圖像處理課程理論性強，數(shù)學推導和公式較多，一味推導數(shù)學公式會使得學生覺得學習內(nèi)容晦澀難懂。可以采用多種教學方法，增強理論教學效果，如啟發(fā)式教學和可視化教學兩者結合。啟發(fā)式教學可以調(diào)動學生的積極性，由淺入深、由近及遠、由表及里、由易到難地逐步提出問題、分析問題并解決問題 。另一方面則可以利用可視化教學，適當引入Flash 動畫，講課過程中可以用Matlab 軟件對算法過程進行編程和演示，把復雜的處理過程、繁瑣的數(shù)學公式和實際的代碼操作聯(lián)系起來，加強學生對算法原理的認知與理解等。此外，引入了微知識點教學模式本身也是對教學手段的一種補充，采用更讓學生喜聞樂見的教學模式。

2.1.3 利用網(wǎng)絡教學資源

利用網(wǎng)絡教學資源主要是引導學生開展自主性的學習和探索。從課堂布置的知識點出發(fā)，引導學生利用網(wǎng)絡資源進行知識點學習和提高動手能力。網(wǎng)絡資源主要集中在慕課教學視頻、源代碼、網(wǎng)絡技術帖、論壇討論內(nèi)容等。在此基礎上，要求學生系統(tǒng)掌握繪圖、信息檢索等基本技能，便于學生充分了解知識點的內(nèi)涵、外延與應用場景，構建開發(fā)性和啟發(fā)性學習模式。

2.1.4 社交交互

社交網(wǎng)絡交互是微知識點教學模式的主要手段，也是核心。學生可利用社交平臺增加多方互動，適當解決網(wǎng)絡教學中師生間、同學間互動不足的問題，如在該平臺上進行點贊、評價、打分甚至參與排名。事實上，準備微知識點的過程也是學生對核心知識點內(nèi)容理解貫通應用過程，對于知識點的背景、用途、發(fā)展進行全方位的剖析，有利于學生養(yǎng)成分析問題的能力；分組模式使得交互過程中貫穿了團隊協(xié)作，從選題、討論內(nèi)容等環(huán)節(jié)都需要隊員之間配合默契，有效提高了團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)；社交網(wǎng)絡上獲得的點評，點贊分享等模式是建立學生專業(yè)自信的有效途徑。

2.1.5 考核評估

考核評估是對教學效果的檢驗，也是對教學內(nèi)容調(diào)整的線索來源。為了充分發(fā)揮微知識點教學模式的優(yōu)勢，將網(wǎng)絡互動環(huán)節(jié)引入到考核評估中促進教學效果，鞏固教學質(zhì)量。同時，教師也會從考核環(huán)節(jié)中了解學生對課程教學組織、內(nèi)容設置、進度安排等方面的意見，便于優(yōu)化教學組織過程進而提高教學成效。課題組將試卷考試成績的比例設置成為60%、微知識點內(nèi)容質(zhì)量設置為20%、傳播性和科普接受度設置為20%，促使學生開展主動探索性學習。

2.2 微知識點數(shù)字圖像處理課堂教學模式的特點

數(shù)字圖像處理課程提供了圖像處理的基本知識和算法，是人工智能專業(yè)的學科基礎課。由于該課程內(nèi)容涵蓋面大，理論性強，特別是實踐操作具有一定的難度，因此學好這門基礎課對學生樹立良好的專業(yè)信心很有幫助。使用微知識點教學模式使得數(shù)字圖像處理的課程具有以下幾個方面的特點。

2.2.1 知識點覆蓋面廣

在原有涉及圖像表示、變換、編碼、增強、復原、分割、分類等基礎上，引入了新的應用方法，如超分辨率重建、人臉識別、字符識別、去霧、圖像補全等方面的知識點。這些知識點相對于前述基礎而言更具有應用性，也是對覆蓋知識點在面上的擴展，如原有25 個知識點，新增了10個知識點，延展了數(shù)字圖像處理的知識點覆蓋。

2.2.2 知識點漸進式演進

在教學進程中采用梯度漸進方式設置知識點，由易而難，由點及面，從基本概念入手逐步提高教學難度，在知識點掌握的基礎上突出學生的系統(tǒng)思維能力。從課程內(nèi)容的設計上更切合學生的認識規(guī)律。按照量化規(guī)則，課程設置難度從0.4～0.8 之間。同時，結課后對整體教學情況進行分析，依據(jù)反饋對教學內(nèi)容和難度進行調(diào)整，構建了教學效果多次演進提升的途徑。

2.2.3 知識性與趣味性融合

知識點經(jīng)過學生的發(fā)布后在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，增加了原有知識點的趣味性和科普性。為了保證知識點的合理性，知識點需經(jīng)過教師審核后才能夠發(fā)布，避免未經(jīng)審核的信息在網(wǎng)路上傳播，保證知識點傳播源頭的合理性。

3 基于微知識點的數(shù)字圖像處理課程教學模式效果分析

3.1 學生參與課程改革意愿

數(shù)字圖像處理是武漢工程大學智能科學與技術專業(yè)的專業(yè)基礎課，在大三上學期開設課程，從2017 年開始，在課堂教學中引入微知識點模式，迄今為止進行了2 年的教學實踐。在開課前，會對學生進行調(diào)查統(tǒng)計以獲得學生對課程改革的認可度。其中2014 級智能科學與技術專業(yè)2 個班共43 人，2015 級智能科學與技術專業(yè)1 個班共32 人參與了調(diào)查。

由圖2 數(shù)據(jù)可以看出學生參與新教學模式的意愿比較強烈，連續(xù)2 年都保持在93%以上，主要原因在于學生有超過70%的比例曾經(jīng)使用過網(wǎng)絡教學平臺，因此對微知識點模式能夠較快的接受，但是僅有不到30%的同學有在網(wǎng)上分享過學習內(nèi)容，因此對新的教學模式具有一定的好奇感。從另一個方面看，學生對新考核模式的接受程度比愿意使用新教學模式比例稍低，表明學生對成績考核仍然有所顧慮，特別是對增加的考核環(huán)節(jié)的不確定性擔心。因此，團隊加大了宣傳力度，使得第2 屆學生的接受度有所提升。

3.2 微知識點教學模式的交互性

為了記錄微知識點教學模式的交互性，團隊記錄連續(xù)2 年課程教學過程中的部分數(shù)據(jù)，用以探討微知識點教學模式的交互性。筆者選取了結課前的一個月中的發(fā)表知識點人數(shù)、累計點贊次數(shù)、教師高評分知識點的條數(shù)3 個方面的數(shù)據(jù)（以周為單位進行統(tǒng)計）（見表1）。從表1 數(shù)據(jù)中可以看出，隨著教學進度的展開學生參與知識點發(fā)布的數(shù)量和質(zhì)量均呈現(xiàn)上升的趨勢，同時累計的點贊次數(shù)超過了千次，說明微知識點教學模式的交互性較好。值得注意的是，教師給知識點評價的高分知識點數(shù)量也隨著發(fā)表知識點的人數(shù)增長而增長，說明學生在經(jīng)過訓練后能夠較好地掌握相關要求。

圖2 微知識點參與模式意愿調(diào)查

表1 本科生社交平臺發(fā)布學習成果情況表

3.3 課程考核成績分析

為了便于說明課程建設的成效，論文僅僅選取考試成績分析予以說明，盡管考試成績并不能全部代表教學質(zhì)量，僅僅從數(shù)據(jù)的角度開展說明（見表2）。筆者選取2013 級學生成績作為對比基準，但是2013 級學生僅僅只有考試成績，并未折算其他成績。2014 級和2015 級學生考試的平均分和其他各項子項目分數(shù)均處于上升趨勢，說明了教學內(nèi)容的更新和宣傳工作起到了作用，證實教學效果趨向正方向發(fā)展。粗略地看，和2013級學生相比，考試的平均分也是逐年提升，也證明了教學效果有相對明顯的提升，初步證明了微知識點教學模式的有效性。

表2 智能科學與技術專業(yè)數(shù)字圖像處理課程考試情況

4 結語

微知識點教學模式能夠優(yōu)化課程內(nèi)容、多樣化教學手段、利用網(wǎng)絡資源和社交平臺分享成果，融知識性和趣味性一體，具有良好的實用性和可擴展性。微知識點巧妙地運用了社交平臺的交互性，有效地彌補線上教學的不足，并且利用了社交網(wǎng)絡的傳播性，對知識點起到了良好的推廣作用。特別是結合數(shù)字圖像處理的教學特點，拓展教學知識點的覆蓋面和適用性，并且在2 年的教學實踐中進行應用，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明基于微知識點”的教學模式具有較好的教學實踐效果。在今后的教學實踐中應該加大推廣力度，完善教學內(nèi)容，進一步提升教學效果，切實做好智能科學與技術專業(yè)的專業(yè)課教學。