“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革

陳穎頻，喻 飛，王靈芝，林 凡，陳育群

（閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州，363000）

0 引言

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”、“天大行動(dòng)”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》。閩南師范大學(xué)深入貫徹落實(shí)教育部指示，于2017年申請(qǐng)環(huán)境工程、電子信息工程、食品科學(xué)與工程三個(gè)專業(yè)的IEET（Institute of Engineering Education Taiwan）工程教育認(rèn)證。閩南師范大學(xué)的電子信息工程專業(yè)于2018年12月16-18日接受工程認(rèn)證專家實(shí)地訪評(píng)，并于2019年獲工程教育認(rèn)證。工程教育認(rèn)證秉承三大核心理念，即以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式OBE（Outcomes-based Education）［1］、持續(xù)改進(jìn)［2］。

本文通過工程教育背景下的“數(shù)字圖像處理”課程改革反映工程教育認(rèn)證對(duì)教學(xué)效果帶來的正面影響，重點(diǎn)圍繞以學(xué)生為中心、畢業(yè)要求與課程目標(biāo)的關(guān)系、成果導(dǎo)向理念的應(yīng)用、持續(xù)改進(jìn)等方面論述工程教育背景下的工科課程教學(xué)改革［3］。在后文中將詳細(xì)闡述如何根據(jù)人才培養(yǎng)方案的核心目標(biāo)確定課程目標(biāo)，如何有效在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中貫穿工程教育認(rèn)證的三大核心理念，同時(shí)展示了課程教學(xué)改革一年來取得的成效。

本文在工程教育方面的主要貢獻(xiàn)有：

（1）歸納出工程教育認(rèn)證中三大核心理念的意義和價(jià)值；

（2）實(shí)踐和探索了工程教育認(rèn)證三大核心教學(xué)理念；

（3）總結(jié)了本次教學(xué)改革以來取得的教學(xué)成果，對(duì)工科其他課程具有一定的參考價(jià)值。

本文余下內(nèi)容組織如下：第二部分從理論教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法闡述工程教育背景下的課程教學(xué)改革具體措施。第三部分展示了教學(xué)改革一年來取得的教學(xué)成效。第四部分總結(jié)全文。

1 “數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革

1.1 課程目標(biāo)的制定過程

工程教育認(rèn)證要求受認(rèn)證專業(yè)制定專業(yè)畢業(yè)要求和課程目標(biāo)，并在課程目標(biāo)中支撐畢業(yè)要求。閩南師范大學(xué)電子信息工程系的教師充分與企業(yè)專家、外校同行、畢業(yè)校友、在校本科生進(jìn)行溝通，制定出本科人才培養(yǎng)計(jì)劃中的畢業(yè)要求與課程目標(biāo)。在確定了人才培養(yǎng)畢業(yè)要求之后，課程教研組組織專任教師根據(jù)畢業(yè)要求確定相應(yīng)的課程目標(biāo)，確保開設(shè)的課程能夠有效支撐學(xué)生畢業(yè)要求的培養(yǎng)。

圖1展示了課程目標(biāo)的制定過程。從圖中可以看到，工程教育認(rèn)證背景下，對(duì)課程目標(biāo)制定以及課程內(nèi)容的制定是非常嚴(yán)格的，需要考慮到學(xué)生的就業(yè)和深造，同時(shí)要關(guān)注企業(yè)需求以及外校同行的開展情況。通過科學(xué)的課程目標(biāo)制定機(jī)制，有利于課程組對(duì)課程開發(fā)的全局進(jìn)行把握。

圖1 課程目標(biāo)制定過程示意圖

經(jīng)過上述過程，課程組制定了如下課程目標(biāo)：課程目標(biāo)1：能通過數(shù)學(xué)理論和信號(hào)處理理論理解、建模圖像處理問題；課程目標(biāo)2：能利用高級(jí)編程語言求解圖像處理領(lǐng)域復(fù)雜工程問題（體現(xiàn)“成果導(dǎo)向”的教學(xué)理念）；課程目標(biāo)3：能通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到合理有效的結(jié)論（體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念）；課程目標(biāo)4：能通過搜索和閱讀中外文文獻(xiàn)獲得解決圖像處理領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的方案（體現(xiàn)“持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)理念）。不同于傳統(tǒng)課程目標(biāo)，本次課程目標(biāo)的制定，充分體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證中的三大教學(xué)理念，明確了課程目標(biāo)和人才培養(yǎng)方案畢業(yè)要求的支撐關(guān)系。

1.2 理論教學(xué)方法改革

1）“以學(xué)生為中心”理念的理論教學(xué)設(shè)計(jì)

“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念包括如下幾層含義：①.把學(xué)習(xí)的主體地位還給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)其自學(xué)能力；②.尊重學(xué)生的個(gè)體差異，形成循序漸進(jìn)的教學(xué)體系，充分引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入自主學(xué)習(xí)的主體地位；③.教學(xué)過程中的所有教學(xué)設(shè)計(jì)、講解，都應(yīng)以服務(wù)課程目標(biāo)，最終達(dá)到服務(wù)學(xué)生的功能。

課程組在貫徹“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念時(shí)，主要有下列幾個(gè)舉措：課程目標(biāo)的制定，翻轉(zhuǎn)式教學(xué)，層次化教學(xué)，以及結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)的課程開發(fā)模式。課程目標(biāo)的制定本質(zhì)上也是貫徹“以學(xué)生為中心”的理念，在圖2中有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。下面重點(diǎn)介紹“翻轉(zhuǎn)式教學(xué)”、“層次化教學(xué)”以及“課程與畢業(yè)設(shè)計(jì)融合教學(xué)模式”的教學(xué)舉措。

圖2 “以學(xué)生為中心”教學(xué)理念的課程教學(xué)舉措

（1）翻轉(zhuǎn)式教學(xué)：工程教育認(rèn)證背景下，筆者采取翻轉(zhuǎn)式課堂充分調(diào)動(dòng)本科生的參與度，改變了教師課上“一堂灌”的教學(xué)模式，讓學(xué)生帶著問題討論，然后由教師點(diǎn)評(píng)，真正做到“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變。在教學(xué)內(nèi)容的把關(guān)上，課程組引入國(guó)際權(quán)威期刊論文和業(yè)界頂級(jí)會(huì)議論文作為專題研討的對(duì)象，將這些論文中涉及的課程重要知識(shí)點(diǎn)加以總結(jié)，呈現(xiàn)在課堂中，引導(dǎo)本科生思考課程知識(shí)在工程中如何應(yīng)用。表1記錄了“數(shù)字圖像處理”課程中的“翻轉(zhuǎn)式教學(xué)”討論內(nèi)容。從表1中可以看到，課程安排的討論問題都是具有一定挑戰(zhàn)度的，本科生在進(jìn)行翻轉(zhuǎn)式討論之前，需要查閱大量的文獻(xiàn)資料，有利于本科生提高文獻(xiàn)搜索能力、問題分析和解決能力。

表1 “數(shù)字圖像處理”翻轉(zhuǎn)式教學(xué)專題討論課

（2）層次化教學(xué)：層次化教學(xué)是課程組在課程教學(xué)改革中的一個(gè)重要組成部分。課程組在充分考慮課程目標(biāo)之后，將課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，并根據(jù)難易程度將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行層次化教學(xué)，循序漸進(jìn)，既照顧到基礎(chǔ)一般的同學(xué)，讓這部分同學(xué)能獲得基本概念，形成基本能力，又充分考慮到基礎(chǔ)較好的同學(xué)，為他們?cè)O(shè)計(jì)了具有一定挑戰(zhàn)度的教學(xué)內(nèi)容。進(jìn)一步地，課程組還設(shè)計(jì)了與理論教學(xué)相配套的層次化實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)反過來理解理論知識(shí)，同時(shí)提高編程能力，形成教學(xué)良性循環(huán)。表2總結(jié)了經(jīng)過知識(shí)點(diǎn)梳理后的層次化教學(xué)體系，課程開展從易到難，逐步推進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣。例如，在“圖像高斯噪聲去除數(shù)學(xué)建模”專題，課程組遵循從一階全變分建模到高階全變分建模的體系講解；又如，“圖像解模糊技術(shù)”安排在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和圖像去噪專題之后，有利于學(xué)生順利理解稀疏正則化技術(shù)起到的重要作用，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步推進(jìn)。

表2 “數(shù)字圖像處理”層次化教學(xué)知識(shí)點(diǎn)安排

（3）課程與畢業(yè)設(shè)計(jì)融合教學(xué)模式：在課程案例設(shè)計(jì)中，筆者充分將本科畢業(yè)設(shè)計(jì)引入課程教學(xué)中。筆者在為學(xué)生選題的時(shí)候，有意讓題目有所拔高，同時(shí)課題之間又要有些聯(lián)系，這樣做的好處非常明顯，由于研究方向比較相近，非常有利于學(xué)生在課題研究過程中進(jìn)行充分的討論，教學(xué)指導(dǎo)會(huì)更加順暢，從以往的單方向的教師指導(dǎo)學(xué)生模式中跳出，形成學(xué)生之間的討論和互助的模式。經(jīng)過本科生消化的專題，再經(jīng)過指導(dǎo)教師進(jìn)一步總結(jié)凝練，有助于新課的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善。這種從畢業(yè)設(shè)計(jì)升華到課程開發(fā)的過程是一種典型的從點(diǎn)到面課程開發(fā)模式，這種教學(xué)模式有助于教師不斷積淀一個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)性知識(shí)，為進(jìn)一步形成課程奠定良好基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。表3展示了2019年部分本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目與對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)點(diǎn)。從表中可以看到，課程組出的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是課程知識(shí)點(diǎn)的綜合和推廣，有利于課程案例的積累和深化，為本科生進(jìn)一步提高自學(xué)能力、動(dòng)手能力奠定良好的基礎(chǔ)。這些畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于課程案例的開發(fā)意義重大，它們能讓課程教學(xué)內(nèi)容變得更加豐富。圖2總結(jié)了課程組在“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念指導(dǎo)下實(shí)施的措施。

表3 2019年部分本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目與對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)點(diǎn)

2）“持續(xù)改進(jìn)”理念的理論教學(xué)設(shè)計(jì)

“持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)理念有如下幾層含義：①.教師的在教學(xué)上的“持續(xù)改進(jìn)”；②.學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的“持續(xù)改進(jìn)”。為此，需要在教學(xué)過程中充分了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在什么樣的困惑，教學(xué)上可以如何進(jìn)一步降低這些難點(diǎn)。

工程教育認(rèn)證背景下，筆者根據(jù)認(rèn)證要求設(shè)計(jì)了課程指導(dǎo)記錄表，記錄學(xué)生在授課過程中提出的問題，并一一進(jìn)行詳解。課程結(jié)束后，向本科生發(fā)出問卷，了解本科生對(duì)課程的評(píng)價(jià)和建議，以期在未來的教學(xué)中進(jìn)一步改進(jìn)。持續(xù)改進(jìn)的教學(xué)理念滲透于平時(shí)的授課，筆者在了解到本科生學(xué)習(xí)過程中的困難后，會(huì)在課堂上講評(píng)多數(shù)同學(xué)感到困惑的問題。通過這種機(jī)制，將課程教學(xué)過程中的難點(diǎn)逐個(gè)掃除。在課程中期，課程組還要根據(jù)學(xué)生反饋的問題進(jìn)行教研討論。實(shí)踐證明，這種教學(xué)反饋機(jī)制對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有不可替代的作用。

圖3總結(jié)了課程組在“持續(xù)改進(jìn)”理念實(shí)施的教學(xué)舉措。

圖3 “持續(xù)改進(jìn)”教學(xué)理念的課程教學(xué)舉措

3）“成果導(dǎo)向”理念的理論教學(xué)設(shè)計(jì)

“成果導(dǎo)向”教學(xué)理念有下列幾層含義：①.教學(xué)評(píng)價(jià)必須考慮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的階段性標(biāo)志性成果，這就要求將教學(xué)進(jìn)一步層次化劃分，建立階段性評(píng)價(jià)體系；②.工程教育的最終目標(biāo)，是讓受教的本科生能夠解決復(fù)雜工程問題。從這個(gè)層面上看，“成果”的另一層含義是解決復(fù)雜工程問題的標(biāo)志性代表作品。工程教育認(rèn)證的第三個(gè)重要核心理念是OBE教學(xué)模式，為此，筆者要求學(xué)生完成若干次的基礎(chǔ)作業(yè)和一次綜合性大作業(yè)。其中基礎(chǔ)性作業(yè)屬于課程講授過程中重要知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用和強(qiáng)化。表4展示了本門課程布置的基礎(chǔ)性作業(yè)。綜合性實(shí)驗(yàn)為開放性課題，不限定作業(yè)題目，由學(xué)生自由發(fā)揮，形成代表性成果。表5展示了部分同學(xué)完成的綜合性大作業(yè)。從表4和表5可以看到，基礎(chǔ)作業(yè)一般以課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)為強(qiáng)化訓(xùn)練對(duì)象，而綜合性大作業(yè)則要求同學(xué)充分運(yùn)用多方面知識(shí)解決復(fù)雜工程問題。前者為后者奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖4總結(jié)了課程組在“成果導(dǎo)向”理念實(shí)施的教學(xué)舉措。

表4 基礎(chǔ)性作業(yè)與對(duì)應(yīng)的課程知識(shí)點(diǎn)

表5 部分綜合性大作業(yè)題目

圖4 “成果導(dǎo)向”教學(xué)理念的課程教學(xué)舉措

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

1）基于“以學(xué)生為中心”理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“以學(xué)生為中心”的關(guān)鍵是促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，激發(fā)其自學(xué)能力。這就對(duì)教師的教學(xué)能力提出非常高的挑戰(zhàn)。為了有效提高學(xué)生的自學(xué)能力，并形成解決復(fù)雜工程問題的能力，筆者在教學(xué)過程中有意識(shí)地設(shè)計(jì)了大量“層進(jìn)式”實(shí)驗(yàn)。

我們?cè)趨⒖嘉墨I(xiàn)［4］中詳細(xì)闡述了“層進(jìn)式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施方法。通過有目的的分層逐級(jí)訓(xùn)練，可以讓本科生在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中反復(fù)對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行理解和應(yīng)用，真正做到“以學(xué)生為中心”。

通過這種“庖丁解牛”式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，配合理論課程講解，學(xué)生能夠從中得到極大的鍛煉，形成良好的自學(xué)能力，并逐步形成解決復(fù)雜工程問題的基本素質(zhì)。

2）基于“持續(xù)改進(jìn)”理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在“持續(xù)改進(jìn)”方面，筆者堅(jiān)持記錄“課業(yè)指導(dǎo)記錄表”，記錄學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出的問題，并收集了電子信息工程專業(yè)2015級(jí)的“好”、“中”、“差”三種實(shí)驗(yàn)報(bào)告樣本，分析學(xué)生在消化知識(shí)點(diǎn)過程中存在的問題和教學(xué)中需要強(qiáng)化的地方，實(shí)踐證明，這種過程性的“反思”和“反饋”教學(xué)活動(dòng)，非常有益于提高教師的授課質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量［4］。

3）基于“成果導(dǎo)向”理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在“成果導(dǎo)向”方面，筆者將研究課題與教學(xué)相互結(jié)合，引導(dǎo)本科生閱讀圖像處理領(lǐng)域的頂級(jí)刊物論文，并幫助他們實(shí)現(xiàn)論文中的算法。在學(xué)生在真正吸收論文思想后，筆者則引導(dǎo)本科生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中繼續(xù)挖掘，幫助他們?cè)O(shè)計(jì)新算法，提出新思想。經(jīng)過近年來的教學(xué)實(shí)踐，獲得較好的教學(xué)成效。目前已有多名本科生以第一作者身份在北大核心期刊、中文科技核心期刊、SCI收錄刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文。

1.4 教學(xué)評(píng)價(jià)改革

工程教育認(rèn)證背景下，不再以“考試論英雄”，而是以復(fù)雜工程問題的解決能力為主要評(píng)價(jià)依據(jù)，以成果為導(dǎo)向評(píng)價(jià)學(xué)生的課業(yè)完成質(zhì)量。在課程評(píng)價(jià)中，采取“綜合性大作業(yè)答辯”的方式結(jié)合平時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)本科生課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況加以考核。綜合性大作業(yè)選題開放，但要與課程目標(biāo)契合，要求學(xué)生能在做作業(yè)過程中綜合應(yīng)用課程中涉及的知識(shí)點(diǎn)。

2 教學(xué)成效

筆者以本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)作為突破口，促進(jìn)課程案例開發(fā)，并進(jìn)一步將其發(fā)表于各類學(xué)術(shù)刊物。我校培養(yǎng)的本科生所撰寫的學(xué)術(shù)論文得到來自全國(guó)高水平同行的嚴(yán)格評(píng)審，而這些外部評(píng)審意見正是對(duì)課程組本科課程教學(xué)質(zhì)量的一種“持續(xù)改進(jìn)”。

在整個(gè)教學(xué)改革過程中，本科生在理論修養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力方面都有了顯著提高，對(duì)本門課程的滿意度也很高。表6總結(jié)了“數(shù)字圖像處理”課程改革一年來取得的成果。從表6中可以看到，以工程教育認(rèn)證三大教學(xué)理念為指導(dǎo)的課程教學(xué)改革取得了較好的效果，真正做到了“以學(xué)生為中心”和“成果導(dǎo)向”。

表6 “數(shù)字圖像處理”教改成效

3 結(jié)語

本文總結(jié)了工程教育認(rèn)證以來，我校電子信息工程專業(yè)“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)方式、課程評(píng)價(jià)體系的教學(xué)改革，初步探索了工程教育認(rèn)證三大核心理念在課程教學(xué)中的應(yīng)用，并展示了教學(xué)改革以來取得的成果。通過全文的討論可以得到幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）課程目標(biāo)的確定應(yīng)緊緊圍繞專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心目標(biāo)開展，真正做到以“學(xué)生為中心”。

（2）課程開展過程中就應(yīng)該做到“持續(xù)改進(jìn)”，要根據(jù)學(xué)生提出的問題思考教學(xué)過程中存在的不足。

（3）通過階段性的成果逐級(jí)提高難度，能夠有效激發(fā)學(xué)生的潛力，因此，踐行“成果導(dǎo)向”的理念有助于提高本科生的綜合能力。

相信工程教育認(rèn)證教學(xué)理念指導(dǎo)下的新型教學(xué)管理模式能夠?yàn)閷W(xué)生達(dá)到專業(yè)畢業(yè)要求、就業(yè)和深造起到正面的作用，也為打造“金課”奠定良好基礎(chǔ)。