基于 PBL 模式的《數字圖像處理實驗》課程的教學改革與實踐

徐晨光 張紹泉 鄧承志

摘要：新工科建設對南昌工程學院《數字圖像處理實驗》課程提出了新的要求。作為應用型為主的實驗課程，傳統的教學模式已不利于培養未來新工科所需的人才。PBL教學模式能夠較大的提高學生的學習興趣，激發學生的學生潛能，增強學生與學生、學生與老師間的協作配合能力。文章把PBL教學模式引入到《數字圖像處理實驗》課程中，從優化教學方法、考核方式、角色互換等多方面出發，以提高和完善我校該課程目前現有的實踐教學方式和教學質量為目的，為應用型為主的實驗課程的教學模式提供借鑒。

關鍵詞：PBL;數字圖像處理;實驗課程;教學改革

一、引言

基于問題的學習（problem-based Leanling，簡稱 PBL），發端于 20 世紀 60 年代西方醫學教育領域內的改革，巴羅斯教授制定的“三年規劃”標志著 PBL 的誕生[1]。國外最早使用 PBL 進行教學的是美國的神經病學教授霍爾德·巴羅斯（Howard Barrows） [2]在加拿大的麥克馬斯特大學首創，強調學習要圍繞著具體而復雜的任務和問題展開，鼓勵學生自主學習、反思式學習、培養學生高級思維能力[3-4]。而我國則在 1986 年引入該模式，并在上海第二醫科大學和原西安醫科大學進行嘗試引入[5-6]，近年來教育者們在各個不同的領域中都引入了 PBL 模式。該模式被譽為“多年來專業教育領域最引人注目的革新”[7]。在新時代新工科背景下，培養符合 PBL 的學習模式，能夠較大的提高學生的學習興趣，激發學生的學生潛能，增強學生與學生、學生與老師間的協作配合能力[8]。

《數字圖像處理實驗》課程是電子信息類專業的必修實驗課程，是理論教學的補充，是理論與實踐相結合的總要手段之一，也是一門涉及多學科的交叉實踐課程[9]。涉及到的相關專業有電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術和自動化專業等。同時也是機器視覺、多媒體通信技術等的必備基礎實踐課程。

目前，在我校大多數實驗環節，往往習慣于“教師講、學生聽”的授課模式，而且在大部分傳統的教學方式上，教師和學生對課程的實踐部分都不夠重視，導致實踐與理論相互脫離，學生在課本上所學的知識無法與實踐內容結合起來。在新時代新工科背景下，研究如何將 PBL理念引入到《數字圖像處理實驗》課程教學的改革，對于提升課程教學理念內涵、培養學生工程素養和創新能力、適應社會、行業和相關產業發展需求等方面具有重要意義。

二、《數字圖像處理實驗》課程的傳統教模式

2.1 傳統的教學模式

以前，我校《數字圖像處理實驗》課程和大多數實驗課程的教學模式一樣，都是老師介紹、講解、演示后再指導學生操作。當學生進行某一實驗時，指導教師會先對該實驗的原理和方法、實驗目的、要求、注意事項、實驗步驟等等內容進行詳細的講解和演示，一直到得到實驗結果。然后要求學生重復老師操作過程，對照實驗指導書做錯相同的結果，最后經過檢驗合格就算實驗通過[10]。

長期以來，指導教師和學生都已經習慣于這種“教師講、學生聽”的授課模式。采用這種教學模式，每個實驗的內容都是從基礎理論到簡單實踐，完成的實驗都是本實驗課程內的最簡單的內容，與其他實驗、方法、技術基本沒有關聯性。這樣零散的既定的實驗很難使學生掌握數字圖像處理的整個處理過程，無法培養學生的創新能力，無法從整體上去了解數字圖像處理的原理。例如，在圖像去噪的實驗中，如果按照目前的實驗內容，學生很容易通過實驗指定的方法完成圖像去噪。但是，換成別的圖，給定的方法就不一定適用。對其他不確定噪聲的圖像，如何選取較好的去噪方法，就不是一個簡單的問題了。

2.2 傳統的考核方式

以前，我校《數字圖像處理實驗》課程與其他課程一樣，都是以分數來體現學生的成績和名次的。實驗課程的分數主要由現場操作、考勤和實驗報告完成情況等幾部分組成，由于各實驗要求完成的實驗內容形式單一且簡單，所以很難從實驗過程上區分出學生的掌握情況。經常出現學生的成績基本相近的情況。這樣的考核評價方式明顯暴露出采用傳統的教學模式進行實驗教學存在的弊端。

三、PBL 模式的《數字圖像處理實驗》課程的教學改革

3.1 基于PBL的教學模式

基于PBL的教學模式，是先給學生布置“問題”，讓學生按小組自己去想辦法，通過查資料、試驗研究、探索等等一系列工作直至解決“問題”。在解決問題的過程中，學生起主導作用，教師起輔助、協調、保證安全等作用。這種教學模式不僅對學生是一種挑戰，對指導教師也是一種考驗。因此，對教師和學生而言，這種教學模式的改變不可避免地存在障礙性問題。要解決這一問題，需要對上課學生進行實驗前的說明，讓學生充分認識實施PBL教學模式的重要意義，了解教學過程，課前做好充分準備，參加并完成學習任務。同時對實驗課教師進行一定的技術能力和組織能力的培訓，提高PBL教育能力。

在前面應對不確定噪聲圖像去噪的例子中，解決這一問題，需要學生在實驗之前，進行學習、查資料、研究、探討等大量的準備工作。同樣，也要求指導教師不能只有單一實驗的技能和知識，還要具有豐富的知識、指導能力、組織能力來幫助或解決教學過程中學生面臨的問題。

3.2 基于PBL的考核方式

PBL教學模式注重學生的綜合能力，如查閱資料能力、團結合作能力、創新思維能力、發現問題并解決問題的能力[11]等等。所以，對學生成績的考核方面，與傳統的教學方法截然不同。PBL教學模式更注重解決問題的過程，可以解決采用傳統教學模式學生成績拉不開檔次的問題。但是，對指導教師的要求更加嚴格，要求指導教師認真抓好PBL教學過程，掌握學習小組的每位成員的平時表現，根據完成任務（即解決問題）所做的貢獻，公平合理給學生評定成績。

3.3 PBL模式下角色互換

PBL教學模式，師生角色發生了很大的變化。從以教師教為主的“講授”模式轉變成“以學生小組為中心研究討論解決問題”的模式。在這種模式下，教師需要不斷提升個人的能力，培養具備PBL教學模式所需的組織能力、管理能力和創新思維能力。學生需要以小組的形式，針對“問題”去查閱資料、研究討論、互相合作、回顧反思進而解決問題。要求學生投入大量的課外時間，具有學習主動性、積極性，具有團隊意識和合作能力，還要求學生在尋求答案的過程中發揮創新思維能力[12]。學校需要建設PBL專用題庫，該題庫是針對“問題”的設置和制定多種解決“問題”的方案而設計的。題庫中“問題”的設計，不僅要符合《數字圖像處理實驗》的教學目標要求，還要配合專業的培養目標，遵從知識綜合性、真實可用性、趣味性、研究探索性、結果可驗證性及答案不唯一性等原則，而且要在內容和格式方面規范化[13]。

四、已有成效

通過三年持續不斷的PBL教學模式《數字圖像處理實驗》課程的改革和實踐，學生對PBL教學模式認可度和認同感有很大的提高，課程的分數和學生的學習能力也逐年增加。學生實踐和創新能力增強，我校電子信息工程和通信工程專業近三年學生參加國家級、省級、校級的比賽積極程度增加，獲獎率也逐年增多。獲得省級創新創業項目十余項，國家級項目3項目。

本文將 PBL 理念引入到《數字圖像處理實驗》課程的教學中，通過優化教學方法、考核方式、角色互換等多方面對本校《數字圖像處理實驗》課程進行完善和創新，并取得了初步的成效。這些成果也為應用型為主的實驗課程教學模式改革提供了較好的經驗，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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[13]劉春城，張樹軍，張國斌，等.采用PBL教學模式進行工程訓練時“問題”的設置[J].實驗技術與管理，2012， 29（6）： 143-145.

作者簡介

徐晨光（1985-），男，南昌工程學院信息工程學院，中級。（江西 南昌330099）

基金項目

本文系南昌工程學院教學改革研究課題 （項目編號： 2020JG028）;江西省教育科學規劃課題（項目編號：21YB218）;江西省學位與研究生教育教學改革課題（項目編號：JXYJG-2016-162）