“新工科”背景下數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革與實踐

■ 丁 衛(wèi)，王 偉

（常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

近年來，隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)界的科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)格局正在發(fā)生重大調(diào)整，在“新工科”背景下，學(xué)科交叉融合已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的重要趨勢[1]。數(shù)字圖像處理是一門融合電子學(xué)、數(shù)學(xué)及計算機科學(xué)等學(xué)科的交叉課程[2]，具有多學(xué)科交叉課程的一般特性，即呈現(xiàn)內(nèi)容覆蓋面廣、理論性強，對學(xué)生綜合能力要求高的特點[3]。在實際教學(xué)中，該課程具有如下特征：首先，數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容寬泛，但各個章節(jié)內(nèi)容獨立，導(dǎo)致學(xué)生難以構(gòu)建系統(tǒng)性的知識體系，容易失去學(xué)習(xí)興趣，影響后續(xù)學(xué)習(xí)[4]；其次，數(shù)字圖像處理課程注重理論講解，并未強調(diào)對學(xué)生開放性思維進行鍛煉，“重理論、輕實踐”，在面對實際的圖像處理問題時，學(xué)生往往束手無策[5]；再次，數(shù)字圖像處理課程知識點多，涉及內(nèi)容包括圖像增強、圖像壓縮、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像理解等，受課時限制，單純利用課堂時間和依靠書本教材并不能讓學(xué)生快速掌握學(xué)科基本理論知識，難以達到預(yù)期的教學(xué)效果；最后，數(shù)字圖像技術(shù)更新快，實際應(yīng)用多樣化，教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)之間存在脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容不足以解決實際應(yīng)用問題。隨著數(shù)字圖像處理課程在諸多人工智能、機器視覺領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，該課程正成為信息處理技術(shù)中發(fā)展最快且應(yīng)用范圍最廣的課程。因此，以數(shù)字圖像處理課程為代表，以培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力強的新型復(fù)合工科人才為目標(biāo)的多學(xué)科交叉課程的教育模式和教學(xué)內(nèi)容改革亟待探索。

一、數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)教學(xué)研究人員對數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程、實踐和創(chuàng)新教學(xué)、課程育人等方面進行了一系列探索和實踐改革。王偉等[6]探討了一種將傳統(tǒng)教學(xué)模式與在線教學(xué)結(jié)合的新的混合教學(xué)模式，將課堂教學(xué)與MOOC資源相結(jié)合，課外以豐富的視頻資源教學(xué)為主，課上針對視頻授課的內(nèi)容進行深入討論、答疑為主。李亞楠等[3]強調(diào)采用問題驅(qū)動法與過程性考核，基于PBL模式的教學(xué)流程具體分為創(chuàng)設(shè)問題情境、組織學(xué)習(xí)小組、認識、成果展示、交流與評價及反思與總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，使其逐漸形成觀察、思考和解決有關(guān)理論和實踐問題的能力；崔文超等[2]基于OBE理念，探索了以項目驅(qū)動的教學(xué)方式對數(shù)字圖像處理課程進行改革，從項目調(diào)研、項目設(shè)計、項目實現(xiàn)、項目運行反饋四個方面對課程內(nèi)容進行工程化重塑，多年的教學(xué)實踐表明該模式能有效提高學(xué)生的工程應(yīng)用實踐能力；羅曉清等[7]對研究生“計算機視覺原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革進行探索，對課程內(nèi)容和教學(xué)策略以及考核方式進行探索；田園等[8]以數(shù)字圖像處理實驗課程教學(xué)改革為例展開研究，數(shù)字圖像處理課程的實踐教學(xué)因秉承“一條主線、三個模塊”理念展開創(chuàng)新實踐，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到處理實際問題中；張儼娜等[9]基于翻轉(zhuǎn)課堂重新設(shè)計了教學(xué)流程和內(nèi)容，以期變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)思辨和創(chuàng)新能力；侯麗玲[10]針對高職專科院校“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了基于Halcon軟件的數(shù)字圖像處理教學(xué)方案。談玲瓏等[11]在實驗教學(xué)中增加面向工程實踐的特色實驗項目，在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，打破傳統(tǒng)教學(xué)的時間、空間限制，在實驗考核中增加對實驗創(chuàng)新性設(shè)計、操作演示情況以及線上學(xué)習(xí)情況的考核；劉東等[12]從課程內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法改革、實驗教學(xué)設(shè)置等三個方面探討了人工智能視域下數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革。

從上述研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)字圖像處理教學(xué)方法開展了深入研究，但是現(xiàn)有數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法尚未詳細闡明教學(xué)理論方法應(yīng)用于實際教學(xué)的具體實施過程；數(shù)字圖像處理課程知識點多且相互獨立，但尚未建立數(shù)字圖像處理課程中知識點之間的知識串聯(lián)模型；數(shù)字圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，應(yīng)用類目多樣化，而現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用之間存在脫節(jié)，導(dǎo)致無法真正學(xué)以致用。為了解決上述問題，本文基于OBE教學(xué)理念，以學(xué)生學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)為導(dǎo)向，以解決復(fù)雜工程問題為目標(biāo)，強化學(xué)生的主觀能動性和實踐能力，不斷提高數(shù)字圖像處理的教學(xué)質(zhì)量。

二、基于問題驅(qū)動的項目式融合教學(xué)方法

（一）基本原理

問題驅(qū)動教學(xué)是模擬人類學(xué)習(xí)發(fā)生機制，教師通過設(shè)計與學(xué)生知識儲備相匹配的問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性的教學(xué)方法。該方法可以以學(xué)生為教學(xué)中心，實現(xiàn)課堂由“教師知識灌輸”向“師生互動式學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變[3]。然而在實際教學(xué)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題驅(qū)動教學(xué)存在如下不足：首先針對具體教學(xué)內(nèi)容該如何合理設(shè)計問題，其次問題之間的內(nèi)在邏輯性和引導(dǎo)性不足，最后問題設(shè)計缺乏實際應(yīng)用問題考慮和知識拓展。為了解決上述問題，本文從數(shù)字圖像處理課程特點、人才培養(yǎng)需求和學(xué)生發(fā)展的角度出發(fā)，提出了一種新的問題驅(qū)動教學(xué)和項目式教學(xué)融合的教學(xué)方法，教學(xué)思維導(dǎo)圖如圖1所示。首先將教學(xué)知識點分解為以下三個問題，即“所學(xué)知識點是什么？”“知識點是如何實現(xiàn)的？”“知識點是如何應(yīng)用的？”，再依據(jù)每個問題的復(fù)雜度，分解為2—3個小問題，通過引導(dǎo)學(xué)生按照邏輯順序解決小問題，進而實現(xiàn)三個大問題的求解，在問題求解中，引導(dǎo)學(xué)生完成知識點學(xué)習(xí)。在問題設(shè)置時，需要考慮學(xué)生的前期知識儲備和能力，設(shè)計合理難度的問題，讓學(xué)生能夠“跳一跳，摘個桃”；其次，問題設(shè)計要具有一般解決問題的邏輯性，要符合由易到難，由簡單到綜合，且要注意解決問題的先后次序；最后，問題設(shè)計要理論聯(lián)系實際，引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)知識點的實際應(yīng)用。該方法以學(xué)生興趣培養(yǎng)為導(dǎo)向，強化學(xué)生的主觀能動性；以問題驅(qū)動為邏輯主線，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力；以實際工程應(yīng)用為教學(xué)情境，提升學(xué)生的應(yīng)用實踐能力。

圖1 教學(xué)思維導(dǎo)圖

（二）教學(xué)設(shè)計

本文以數(shù)字圖像處理中Hough變換為例，以無人駕駛中車道線檢測為應(yīng)用情境，以問題為邏輯主線展開知識點，具體實施方式如圖2所示。課前通過藍墨云班課手機APP發(fā)布課前預(yù)習(xí)任務(wù)，對學(xué)生的知識基礎(chǔ)、預(yù)習(xí)情況進行了解，為進一步課堂理論教學(xué)提供參考。在教學(xué)過程中，以智能車無人駕駛中車道線檢測為情境，播放相關(guān)視頻以吸引學(xué)生注意力，明確課程內(nèi)容。通過圖片演示，幫助同學(xué)具體回顧邊緣檢測知識，并提出問題，即邊緣檢測后，如何進一步自動連接斷開的輪廓并檢測道路線？從而引入課程內(nèi)容并建立新知識點和已學(xué)知識點之間的聯(lián)系。新課內(nèi)容由理論教學(xué)和教學(xué)演示組成，其中理論教學(xué)圍繞以下三個主要問題展開，即“什么是Hough變換？”“怎么實現(xiàn)Hough變換？”“如何應(yīng)用Hough變換？”。具體如下：

圖2 Hough變換教學(xué)設(shè)計

1.針對第一個問題“什么是Hough變換？”，將該問題分解為以下三個小問題：通過問題1引出參數(shù)和參數(shù)坐標(biāo)的概念；利用問題2觀察圖像坐標(biāo)與參數(shù)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，引出Hough變換的基本原理和性質(zhì)；通過垂直直線無法用直角參數(shù)方程表示，引出問題3：為什么直線要用極坐標(biāo)參數(shù)表達式表示。

2.針對第二個問題“怎么實現(xiàn)Hough變換？”，將該問題分解為兩個小問題，通過解決問題，使學(xué)生掌握Hough變換的計算原理和實現(xiàn)步驟。

3.針對第三個問題“如何實現(xiàn)Hough變換工程應(yīng)用？”，將該問題分解為三個小問題，通過問題1讓學(xué)生明白使用車道線檢測的具體實施步驟，通過算法設(shè)計，實現(xiàn)已學(xué)圖像預(yù)處理知識和新學(xué)知識的知識串聯(lián)；通過問題2引導(dǎo)學(xué)生了解圖像處理軟件中圖像處理模塊相關(guān)算子和參數(shù)的含義，能夠根據(jù)具體情況，靈活選用算子和修改參數(shù)；通過問題3讓學(xué)生掌握圖像處理編程軟件使用方法，實現(xiàn)基于Matlab或者Halcon的車道線檢測完整過程。

知識點講解完畢后，帶領(lǐng)學(xué)生回顧教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生對Hough變換的主要性質(zhì)和技術(shù)優(yōu)勢進行總結(jié)，在理解Hough主要思想的基礎(chǔ)上，知識拓展思考Hough變換還可用于哪些曲線的自動檢測。課后，通過二維碼給學(xué)生分享卡奈基梅隆大學(xué)的計算機視覺研究主頁，方便學(xué)生復(fù)習(xí)和知識拓展；通過藍墨云設(shè)置測試題目，使學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（三）教學(xué)改進

本教學(xué)設(shè)計基于OBE教學(xué)理念，采用以問題為中心的教學(xué)法，使學(xué)生掌握Hough變換的基本原理、實現(xiàn)步驟和實際應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生在類似智能系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)中學(xué)以致用。在教學(xué)過程中，教師可以通過藍墨云軟件設(shè)置調(diào)查問卷，以及通過QQ和微信等聯(lián)系方式與學(xué)生建立點對點關(guān)系，及時解決同學(xué)們學(xué)習(xí)過程中遇到的具體問題，課后的學(xué)生評價以及課后作業(yè)反映出了學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的問題，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況對教學(xué)方案作出調(diào)整，以確保教學(xué)質(zhì)量并且持續(xù)改進教學(xué)方案。

從數(shù)字圖像處理課程需求、學(xué)生需求和學(xué)生發(fā)展的角度出發(fā)，基于OBE教學(xué)理念，對數(shù)字圖像處理的教學(xué)過程和教學(xué)方法進行了探索，提出了一種新的基于問題驅(qū)動的項目式融合教學(xué)方法。該方法通過合理設(shè)置問題和引導(dǎo)式解決問題，強調(diào)了學(xué)生的主導(dǎo)性、能動性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過項目式融合教學(xué)，可將算法的理論知識與具體應(yīng)用緊密結(jié)合，增強各個獨立知識點之間的聯(lián)系，有利于為學(xué)生建立完整的知識體系，提高教學(xué)質(zhì)量，并為其他多學(xué)科交叉課程的教學(xué)實踐提供理論參考。