基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程建設(shè)與改革

翁 鳴， 陳慰來(lái)，王金鳳

(浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院)， 浙江 杭州 310018)

數(shù)字圖像處理技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)程序和算法對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行計(jì)算處理，以獲得改善圖像、目標(biāo)特征值或?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)[1]。在紡織工業(yè)中，圖像處理技術(shù)是先進(jìn)自動(dòng)化紡織加工機(jī)械和檢測(cè)設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于紡織品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)和評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[2-3]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其與制造業(yè)的深度融合，紡織生產(chǎn)鏈向自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化方向迅速發(fā)展，圖像處理技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[4-5]。因此，為紡織工程專業(yè)本科生開設(shè)“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程順應(yīng)紡織行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，符合社會(huì)對(duì)現(xiàn)代紡織專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。根據(jù)我校(浙江理工大學(xué))紡織工程專業(yè)本科生人才培養(yǎng)方案，“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”設(shè)置為專業(yè)選修課，32學(xué)時(shí)，在第7學(xué)期開設(shè)，此時(shí)學(xué)生已掌握了紡織專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，具備課程所要求的紡織技術(shù)背景。由于圖像處理技術(shù)內(nèi)容多、范圍廣，紡織工程專業(yè)本科生的計(jì)算機(jī)編程能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力較弱，要使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成圖像處理技術(shù)的學(xué)習(xí)并應(yīng)用于解決實(shí)際工程問(wèn)題，教學(xué)難度較大。為此，我們遵循工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)理念，從課程體系、教學(xué)方法、考核方式等方面對(duì)該課程進(jìn)行改革和實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

一、 課程體系建設(shè)

1. 課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)我校紡織工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，將“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：

(1) 使學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，掌握常用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的基本原理及MATLAB函數(shù)，了解圖像處理技術(shù)在紡織品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)和評(píng)價(jià)中的應(yīng)用以及在紡織工業(yè)自動(dòng)化和數(shù)字化中的作用。

(2) 使學(xué)生熟練掌握MATLAB軟件的操作和編程，能夠采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)常用的數(shù)字圖像處理技術(shù)，能夠綜合運(yùn)用圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和紡織專業(yè)知識(shí)解決紡織工程中的實(shí)際問(wèn)題。

(3) 使學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題以及自主學(xué)習(xí)、溝通交流和創(chuàng)新能力。

2. 教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)課程目標(biāo)，將“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為循序漸進(jìn)的三個(gè)知識(shí)單元：

(1) 知識(shí)單元1——MATLAB編程基礎(chǔ)。主要介紹MATLAB軟件及其基本語(yǔ)法和編程方法，包括MATLAB軟件的安裝、構(gòu)成與操作，MATLAB的幫助系統(tǒng)，數(shù)據(jù)類型，運(yùn)算符與操作符，常量與變量，字符串，函數(shù)與表達(dá)式，數(shù)組與數(shù)組運(yùn)算(數(shù)組的生成、元素調(diào)用、矩陣和矩陣元素的算術(shù)運(yùn)算等)和程序結(jié)構(gòu)(如條件、循環(huán)語(yǔ)句等)等。

(2) 知識(shí)單元2——圖像處理技術(shù)及其MATLAB實(shí)現(xiàn)方法。主要介紹常用圖像處理技術(shù)的原理、對(duì)應(yīng)的MATLAB函數(shù)及其應(yīng)用方法，包括圖像輸入輸出、圖像類型轉(zhuǎn)換、圖像去噪、圖像增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)、圖像分割、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、特征提取和模式識(shí)別等。

(3) 知識(shí)單元3——圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用。主要介紹圖像處理技術(shù)在紡織品設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，包括圖像處理技術(shù)在纖維、紗線、機(jī)織物、針織物、非織造布等紡織品及其紡織制品的形態(tài)表征、質(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)以及紡織品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

3. 課程教材

“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程內(nèi)容涉及圖像處理技術(shù)和紡織技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域，目前尚無(wú)現(xiàn)成教材。根據(jù)課程目標(biāo)和課程內(nèi)容，選擇基礎(chǔ)教材和應(yīng)用教材構(gòu)成該課程的教材。

(1) 基礎(chǔ)教材是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)單元1和2的教材。對(duì)知識(shí)單元1，選用介紹MATLAB軟件編程基礎(chǔ)的課本，選取與教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的章節(jié)作為課程教材。對(duì)知識(shí)單元2，選用介紹應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理技術(shù)的課本，這些課本包含MATLAB軟件自帶圖像處理函數(shù)或擴(kuò)展算法詳細(xì)介紹和應(yīng)用實(shí)例，選取與教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的章節(jié)作為課程教材，適用于課堂教學(xué)和學(xué)生上機(jī)練習(xí)參考；課本的其余章節(jié)用于學(xué)生完成專題報(bào)告和課余拓展自學(xué)。

(2) 應(yīng)用教材是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)單元3的教材，主要是圖像處理技術(shù)在紡織中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)、專利技術(shù)和國(guó)內(nèi)外著名企業(yè)的技術(shù)資料。一方面作為學(xué)生學(xué)習(xí)和了解圖像處理技術(shù)在紡織中的實(shí)際應(yīng)用的教材，另一方面作為學(xué)生完成專題報(bào)告的參考資料。應(yīng)用教材的素材取自國(guó)內(nèi)外書籍、電子文獻(xiàn)、互聯(lián)網(wǎng)資源和企業(yè)技術(shù)資料，同時(shí)及時(shí)補(bǔ)充最新成果和前沿技術(shù)，從而更新和完善教材內(nèi)容。

4. 教學(xué)軟件

作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用類課程，選擇適合的教學(xué)軟件是保證課程教學(xué)有效開展并獲得良好教學(xué)效果的前提。圖像處理技術(shù)可以采用C/C++、Visual Basic或MATLAB等軟件通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)[6]，也可以采用集成軟件(如Photoshop)通過(guò)軟件操作實(shí)現(xiàn)[7]。綜合考慮授課對(duì)象的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平、課程內(nèi)容、課時(shí)數(shù)和計(jì)算機(jī)軟件的特點(diǎn)等因素，該課程選擇美國(guó)MathWorks公司開發(fā)的MATLAB軟件作為教學(xué)軟件，主要原因有：(1)MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)組處理功能(數(shù)字圖像處理的本質(zhì)是數(shù)組運(yùn)算)且編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單直觀，學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)掌握與課程內(nèi)容相關(guān)的編程技術(shù)；(2)軟件包含專門的圖像處理工具箱，通過(guò)調(diào)用其中豐富的圖像處理函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種圖像處理技術(shù)；(3)軟件包含統(tǒng)計(jì)、圖形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等工具箱，通過(guò)調(diào)用其中的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)圖像處理中間數(shù)據(jù)或最終數(shù)據(jù)的處理、分析和可視化。

二、 教學(xué)方法改革

為了有效地傳授教學(xué)內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，分解課程目標(biāo)，設(shè)立課堂講授、上機(jī)實(shí)踐和應(yīng)用項(xiàng)目三級(jí)遞進(jìn)的教學(xué)環(huán)節(jié)。課程共32學(xué)時(shí)，其中課堂講授環(huán)節(jié)18學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)分4次共8學(xué)時(shí)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)穿插進(jìn)行，應(yīng)用項(xiàng)目環(huán)節(jié)6學(xué)時(shí)，安排在課程最后。

1. 課堂講授環(huán)節(jié)教學(xué)方法

課堂講授環(huán)節(jié)采用實(shí)例教學(xué)法。對(duì)知識(shí)單元1和2，每個(gè)具體內(nèi)容都附有編程實(shí)例，通過(guò)隨堂演示，生動(dòng)、具體地進(jìn)行講解，使學(xué)生快速掌握授課內(nèi)容。通過(guò)階段性提問(wèn)，變換關(guān)鍵技術(shù)實(shí)例，讓學(xué)生思考并給出結(jié)果，使學(xué)生在回憶、聯(lián)想和反復(fù)思考中理解授課內(nèi)容。鼓勵(lì)學(xué)生隨時(shí)提問(wèn)，教師采用講解和實(shí)例對(duì)比分析等方法進(jìn)行解答，確保學(xué)生深入理解授課內(nèi)容。對(duì)知識(shí)單元3，每個(gè)具體內(nèi)容都附有圖像處理技術(shù)路線實(shí)例，盡可能提供相關(guān)專利技術(shù)或紡織設(shè)備實(shí)例，通過(guò)講解圖像處理技術(shù)的組合方式和每種技術(shù)的作用，以及不同技術(shù)路線的對(duì)比分析，使學(xué)生了解在實(shí)際工程問(wèn)題中圖像處理技術(shù)路線的設(shè)計(jì)思路、處理效果和應(yīng)用范圍，以及在先進(jìn)紡織設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐表明，實(shí)例教學(xué)法將抽象的理論以具體的形式呈現(xiàn)，容易帶動(dòng)學(xué)生跟隨授課節(jié)奏進(jìn)行思考和學(xué)習(xí)，顯著提高了教學(xué)效率。

2. 上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法

上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)采用交互啟發(fā)式教學(xué)。以學(xué)生為主體，完成教師規(guī)定的上機(jī)作業(yè)，教師起指導(dǎo)和引導(dǎo)作用。上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)和課堂講授環(huán)節(jié)穿插進(jìn)行，確保學(xué)生循序漸進(jìn)地積累知識(shí)。考慮到學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)能力的差異，將作業(yè)分為必做題和選做題，避免基礎(chǔ)差的學(xué)生產(chǎn)生畏懼和抵觸心理。本環(huán)節(jié)中教師的指導(dǎo)和引導(dǎo)作用是決定實(shí)施效果的關(guān)鍵。具體做法是：鼓勵(lì)學(xué)生與教師交流，了解每名學(xué)生的實(shí)際水平，并以此為出發(fā)點(diǎn)開展工作。教師鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生自己查找和解決程序運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題；引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)比分析來(lái)理解不同圖像處理技術(shù)的功能、圖像處理效果的影響因素、簡(jiǎn)單技術(shù)組合的處理效果；對(duì)于個(gè)別學(xué)生的問(wèn)題，請(qǐng)已經(jīng)完成作業(yè)的學(xué)生進(jìn)行解答；對(duì)于共性問(wèn)題，或者看到有見地的想法，隨時(shí)讓學(xué)生為全班同學(xué)演示講解并解答其他同學(xué)的提問(wèn)；引導(dǎo)基礎(chǔ)好的學(xué)生在完成作業(yè)的基礎(chǔ)上拓展學(xué)習(xí)教材上的相關(guān)技術(shù)。實(shí)踐表明，師生之間、生生之間的交流互動(dòng)使課堂討論氛圍濃郁，學(xué)生融入其中，積極參與，成為學(xué)習(xí)的主體，顯著提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

3. 應(yīng)用項(xiàng)目環(huán)節(jié)教學(xué)方法

應(yīng)用項(xiàng)目環(huán)節(jié)由學(xué)生自愿分組、自主選題完成，教師起輔助指導(dǎo)作用。課程項(xiàng)目選題為綜合應(yīng)用圖像處理技術(shù)解決紡織領(lǐng)域中的某一實(shí)際問(wèn)題(如紡織品的結(jié)構(gòu)表征或性能檢測(cè)等)。學(xué)生利用學(xué)校圖書館的電子數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)資源查閱大量文獻(xiàn)資料，然后確定題目。小組成員共同商議提出預(yù)設(shè)目標(biāo)(如得到某些特征指標(biāo)或得出等級(jí)評(píng)定結(jié)果等)和圖像處理技術(shù)路線，與教師討論調(diào)整后開始實(shí)施。在圖像處理技術(shù)路線的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生綜合運(yùn)用課堂所學(xué)的技術(shù)和文獻(xiàn)中提出的新技術(shù)，嘗試不同的組合方式直至得到理想的圖像處理結(jié)果，繼而參考文獻(xiàn)中的方法提取特征值并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。最后，小組成員分工合作，按照科技論文的要求撰寫專題報(bào)告，并派代表進(jìn)行口頭匯報(bào)。本環(huán)節(jié)中教師需實(shí)時(shí)監(jiān)控各小組的進(jìn)展情況，根據(jù)組員的能力對(duì)技術(shù)路線和項(xiàng)目目標(biāo)提出調(diào)整意見，確保項(xiàng)目在規(guī)定時(shí)間內(nèi)以最優(yōu)的質(zhì)量完成。同時(shí)要求學(xué)生自主完成編程，教師提供思路或建議。實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)綜合應(yīng)用項(xiàng)目表現(xiàn)出濃厚的興趣，項(xiàng)目選題廣泛，包括纖維縱橫向形態(tài)表征和測(cè)量，前者如直徑測(cè)量、羊毛鱗片結(jié)構(gòu)表征、羊毛和羊絨鑒別等，后者如棉纖維成熟度和化纖異性度測(cè)量，紗線直徑和變異系數(shù)、毛羽數(shù)和毛羽長(zhǎng)度、捻度、混紡比等紗線性能測(cè)量，機(jī)織物和針織物的密度測(cè)量、組織識(shí)別，非織造布的孔隙率測(cè)量，各種織物的疵點(diǎn)檢測(cè)、起毛起球性能評(píng)價(jià)、懸垂性評(píng)價(jià)等。在應(yīng)用項(xiàng)目的完成過(guò)程中，學(xué)生綜合運(yùn)用紡織和圖像處理知識(shí)，拓展學(xué)習(xí)圖像處理技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，自主分析和解決所遇到的問(wèn)題，主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性得到充分發(fā)揮；小組成員分工合作，團(tuán)隊(duì)合作默契，溝通交流順暢；通過(guò)運(yùn)用圖像處理技術(shù)解決紡織工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到訓(xùn)練和提升。

三、 考核方式改革

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用類課程采用平時(shí)成績(jī)(30%)和期末上機(jī)/閉卷考試成績(jī)(70%)的成績(jī)?cè)u(píng)定方式。這種評(píng)價(jià)方式中平時(shí)成績(jī)占比少，課程成績(jī)不能充分反映學(xué)生在整個(gè)課程學(xué)習(xí)階段的表現(xiàn)；期末考試存在局限性，在有限的時(shí)間內(nèi)只能考查學(xué)生的知識(shí)掌握程度、軟件使用和編程熟練程度，學(xué)生采用死記硬背、考前突擊的方法也能取得良好的成績(jī)，因而考試成績(jī)不能真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合能力。

改革課程考核方式，采用多種形式相結(jié)合的過(guò)程化考核方式[8]。平時(shí)成績(jī)占課程成績(jī)的40%，由出勤率(5%)、課堂表現(xiàn)(10%)和平時(shí)作業(yè)(25%)三部分組成；考核成績(jī)占課程成績(jī)的60%，由以“采用圖像處理技術(shù)解決紡織工程中某個(gè)實(shí)際問(wèn)題”為內(nèi)容的書面報(bào)告(40%)和口頭匯報(bào)(20%)兩部分組成。對(duì)每種考核方式制定詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，突出對(duì)學(xué)生能力的評(píng)價(jià)。改革后的課程評(píng)價(jià)體系全方位地監(jiān)控學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí)效果，凸顯了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，有效地引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀念，形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，激勵(lì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性；課程教學(xué)過(guò)程中的評(píng)價(jià)結(jié)果為教師提供了教學(xué)效果的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使教師能夠及時(shí)調(diào)整授課方式和進(jìn)度，最大限度地實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)；課程的最終評(píng)價(jià)結(jié)果可作為下一輪教學(xué)整體調(diào)整和完善的依據(jù)，以推動(dòng)課程的持續(xù)改進(jìn)。

四、 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程的特點(diǎn)和授課對(duì)象的實(shí)際計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，設(shè)立以圖像處理技術(shù)及其在紡織品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)和評(píng)價(jià)中的應(yīng)用為主體的教學(xué)內(nèi)容，建立相應(yīng)的教材體系；構(gòu)建理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，設(shè)立課堂講授、上機(jī)實(shí)踐和應(yīng)用項(xiàng)目三級(jí)遞進(jìn)的教學(xué)環(huán)節(jié)，采用實(shí)例教學(xué)和交互啟發(fā)式教學(xué)方法；建立多樣化和過(guò)程化的課程評(píng)價(jià)方式。課程教學(xué)改革成效顯著，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力。在今后的教學(xué)中，將不斷完善教學(xué)資源和教學(xué)手段，加強(qiáng)理論與工程應(yīng)用的聯(lián)系，不斷提高教學(xué)水平。