研究生“數字圖像處理”課程教學改革研究

趙欣 王穎潔 賈龍淵

[摘 要] 近年來數字圖像處理技術迅速發展并在各領域廣泛應用。為了適應數字圖像處理技術的發展趨勢，為社會培養出符合時代需求的人才，以大連大學研究生“數字圖像處理”課程教學改革為例，論述課程教學改革中遇到的問題和解決辦法。以打好理論基礎、加強能力培養、有.利長遠發展為目標，從教學內容和教學模式兩方面改革入手，通過拓寬教學內容、調整教學重點，采取研討式教學、案例式教學、跨平臺教學等切實可行的措施，提升了教學質量，提高了研究生的自主學習能力，使學生在掌握基礎理論的同時拓寬了視野，培養了學生基本的科研素養。

[關鍵詞] 研究生能力培養；數字圖像處理；教學改革

[基金項目] 2019—2021年大連大學研究生課程教學改革項目

[作者簡介] 趙 欣（1974—），女，遼寧錦州人，計算機應用專業博士，大連大學信息工程學院副教授，碩士生導師，主要從事人工智能和數字圖像處理研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）02-0094-04 [收稿日期] 2021-04-07

引言

數字圖像處理是一門利用計算機對圖像進行分析和信息提取的學科，隨著信息技術的高速發展，數字圖像處理在智慧醫療、智能交通、航空航天和工業檢測等領域得到廣泛應用，是近年來發展非常迅猛和熱門的專業之一。為滿足社會需求，一些高校面向高年級本科生或研究生開設了“數字圖像處理”這門課程，作為專業選修課或全校公選課[1]。我校在計算機科學與技術專業的本科生和研究生中都開設了“數字圖像處理”課程。但該課程在以往的本科生和研究生的教學中，教學內容和教學模式沒有太大的本質差異，導致研究生在接受碩士階段的教育時相當于重修了該門課程，出現了研究生教育“本科化”傾向和“弱學術化”傾向。據了解，這一問題不僅在我校存在，在其他一些高校也同樣存在[2]。

如何在進行專業理論課程教學的同時，注重培養研究生的科研素養，激發學生的創新思維和科研能力，是研究生課程教學必須認真思考和解決的問題。為此，我們從教學內容、教學模式兩個方面對研究生數字圖像處理課程的教學進行了一系列改革。

一、教學內容改革

研究生階段應重視教學內容的前沿性與實踐性，即專業領域學術研究的熱點、難點、重點以及尚存爭議性的問題和研究發展的新動向[3]。當前，數字圖像處理技術發展迅速，碩士研究生階段的“數字圖像處理”課程的教學內容也應與時俱進，除了介紹最基本的圖像處理、分析的基礎知識外，更要及時拓展，添加和補充一些最新的、專業性和應用性較強的知識內容[2]。近年來，在深度學習技術的帶動下，數字圖像處理技術的內涵、研究方法、應用領域等都發生很大改變。如何與時俱進地調整和更新教學內容，使研究生拓寬視野，了解學科前沿，培養良好的科研素養，是本次教改要解決的重點問題。

從圖像工程角度講，數字圖像處理包含三個層次的內容：一是低層的圖像處理技術，重點強調對圖像的各種變換方法，以滿足對圖像質量的改善；二是中層的圖像分析技術，主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測與識別；三是高層的圖像理解技術，是在圖像分析基礎上研究圖像中各目標的性質和相互關系[4]。

教改前，我校研究生“數字圖像處理”課程的教學內容側重低層的圖像處理基礎，此外，包含一部分中層的圖像分析技術，如表1所示。從內容安排和學時比例來看，整體的教學側重于低層圖像處理基礎理論的講授，中層的圖像分析僅占比33%，且不包含高層圖像理解的內容。這使得該門課程的研究生教學呈現本科化傾向和“弱學術化”傾向，不利于對研究生科研能力和創新思維的培養。為此，我們重新確立了教學目標，并對教學內容進行了如下調整和更新。

首先，對于低層的圖像處理基礎，保留原有的教學內容，但學時由原來的24學時壓縮為8學時，原因是這部分內容被設定為學生在本科階段已經學習或有能力通過自學掌握，因此，在新的教學大綱中將其設為回顧性講解。

其次，對于中層的圖像分析部分，新大綱去除掉了原有的形態學圖像處理，保留了傳統圖像分割算法，同時，增設了基于深度學習的圖像分類和分割技術內容。傳統的圖像分割算法主要包括邊緣檢測、基于閾值的分割、基于區域的分割和基于分水嶺的分割，這些方法目前已經很少使用，之所以保留這部分內容是為了讓學生對圖像分割的發展脈絡有一個整體了解，為此，我們將其學時壓縮至2學時并設為回顧性講解。

最后，原有的教學內容中沒有涉及高層的圖像理解，此次教改選取基于內容的圖像檢索作為對圖像理解部分的增設，目的是讓學生對整個圖像工程領域有一個整體的、系統性的了解。

通過上述分析可以看出，我們將教學重點放在拓寬學生知識面，使學生對圖像工程有一個整體性認識，內容更加豐富，實用性更強。

二、教學模式改革

教改前，研究生“數字圖像處理”課程的教學模式主要采用以教師講授為主，以課堂為中心、以教師為中心、以教材為中心的傳統教學模式，不利于創新型人才的培養。在本次教改中，我們改變傳統的“講授式”為主的教學模式，采取“研討式教學”“案例式教學”“跨平臺教學”等模式，形成了有互動、多元化的教學方法。

（一）研討式教學

為使學生不僅能從課程中感受到數字圖像處理技術的魅力，更能培養靈活運用知識解決實際問題的能力，我們在“數字圖像處理”課程的教學實踐中，大膽嘗試了研討型教學方式。一方面，針對本科期間已經學過的基礎內容，如圖像采集、變換、空間濾波、頻率域濾波等，采用總結式和討論式的教學手段，讓學生們以自由討論的方式自己總結，并通過提問引導學生在討論與辯論中加深對概念的理解和深化。另一方面，針對大綱中的“基于深度學習的圖像分類和分割前沿技術討論”，我們采取專題討論的形式，通過“教師主題引導—學生專題講授—隨堂研討—教師質疑答疑”的課堂活動形式，讓學生成為課堂的主體。具體操作辦法是：我們設立了圖像分類和圖像分割兩個專題，每個專題包含1或2個熱點問題。把學生劃分小組，以小組為單位課下閱讀指定的相關文獻，并在課堂上進行匯報。老師在課堂上拋出問題，引導學生展開討論，鼓勵學生針對問題各抒己見，共同探討前沿技術中的新方法和新趨勢。比如，針對注意力機制在圖像分割中的應用這一前沿技術，我們為學生選取了8篇參考文獻，分8組進行閱讀和匯報，每組匯報結束后，大家共同討論文章在技術上的共同點、優缺點、適用范圍和未來可能的改進。

上述研討型教學模式使課堂教學最大程度地發揮學生的主觀能動性，學生通過課前自學、課上討論更深刻地掌握所學內容，并通過研討激發學習的熱情。在這個過程中，老師扮演主持人和評論員的角色，發揮糾正誤區、揭示本質、解答疑惑和引導思考的作用。

（二）案例式教學

我們采取案例式教學的目的是為了在理論講解中滲透實踐，在實踐中穿插理論，培養學生的工程實踐能力。案例式教學法幾乎貫穿這門課程的始終，主要采用知識點式案例，輔助理論課程的某個或某些知識點的教學，進而引導學生理解理論知識點，啟發學生思維。

在案例教學中，我們通過知識點引出案例，并通過演示法和實驗法進行案例講解。通過運行事先實現好的程序將知識點所涉及的實際效果演示出來，此謂演示法。比如，用編寫好的具有圖像去噪功能的程序演示去噪算法對圖像進行去噪的效果。通過案例演示，可以將枯燥的理論具體化和形象化，通過圖像處理效果帶入算法實現過程的講解，讓學生充分感受到數字圖像處理技術的魅力，以此激發學生的學習興趣，提高課堂教學的效率。案例教學的最終目的是輔助學生對圖像處理理論知識點的理解，這離不開對案例進行算法流程分析和程序設計思路的講解。分析程序代碼并運行程序，以當場實驗驗證的方式向學生展示算法從設計到實現直至運行出結果的整個流程，此謂實驗法。實驗法可將理論與實現緊密結合，使學生在理論學習中滲透實戰演練，提高學生對數字圖像處理的編程實踐能力。

我們的案例式教學不僅流于案例的展示，而是引導學生從案例出發進行思維升華，引發學生的創新性思考，培養學生解決實際問題的創新能力。以肺部CT影像中的肺結節分割案例為例，我們首先采用傳統的閾值分割法對CT影像中的肺結節病灶進行分割，運用演示法先給出分割結果，然后運用實驗法講解閾值分割算法的設計流程、代碼解析和程序運行全過程。同時，我們還有意識地引出采用當前主流的深度學習方法對該CT影像肺結節病灶的分割的案例演示，然后運用實驗法講解深度學習模型的算法設計和代碼解析。再通過演示法對比兩種方法的分割結果，使學生能直觀判定不同方法之間的優劣。

該門課程雖然沒有設置實驗環節，但我們鼓勵大家課下動手實踐，案例教學無疑為學生的課下實踐打下了良好的基礎和鋪墊。通過引出案例、演示案例、分析案例，將復雜抽象的理論融入形象直觀的應用案例當中，既有助于提高學生的學習興趣，又有助于提高課堂教學質量。

（三）跨平臺教學

以往的教學主要采用單一的線下教學模式，這樣的教學模式有利于教師對課堂紀律的管理，也可以實時關注學生的學習狀態，這種“面對面”的教學也能夠增進師生之間的溝通和交流。但線下教學模式仍存在一定的弊端。比如，大綱調整后該門課程所涉及的內容非常廣泛，不僅包括圖像采集、圖像基本運算、圖像變換、圖像增強、圖像復原、圖像分類、圖像分割、圖像檢索等原理，還包括深度學習的基本知識。整個教學總學時為48學時。內容多，課時少，單純依靠在課堂教學中深入地完成教學存在一定難度。由于課時關系，教師不能把所有的知識點都進行深入講解和拓展講解，這就造成學生學完后感覺什么都學了點，但又什么都不太會，特別是對一些理解起來比較難的算法，有些學生在課堂上還無法理解算法細節，需要課下進行消化和學習，但一旦離開課堂，有失去了學習動力和幫助。

為此，我們采用線上課堂來拓展線下課堂的教學時間和空間，為學生提供更多的學習途徑和手段。但我們并不是完全依靠線上課堂進行理論教學，只是將其作為必要的輔助手段。為了將線上和線下教學有機融合，形成一個良性的混合教學模式，我們開展了如下兩方面的工作。一方面，我們利用中國MOOC上已經推出的數字圖像處理的優秀課程資源，收集所有可用資源后認真篩選，而非自行制作教學視頻，這樣不僅可免去教師制作教學視頻的辛勞，又可集大家之長。由于中國MOOC上不同高校開設的“數字圖像處理”課程的側重點不同，我們很難找到與我們的教學大綱完全吻合的MOOC課程，因此，我們把MOOC上不同的“數字圖像處理”課程按授課知識點與我們的大綱進行整合，以知識點為核心，有針對性地向學生推薦不同的MOOC教學資源。另一方面，我們通過雨課堂平臺，將教師的PPT和章節測試定期推送，并設置定期直播答疑，解決學生在學習中遇到的問題。為配合學生線下學習，我們將教學內容碎片化，將每個章節根據知識點細分，并強調每個章節的難點和重點，認真做好PPT和習題測試，并上傳到雨課堂平臺上。同時，將案例的源代碼放入資料庫，供學生課下參考，輔助學生課后編程練習。此外，我們在雨課堂中針對重點難點設置相應問題，讓學生進行互動討論，進入平時成績。這種線上線下結合的方式提高了學生的學習興趣和效率，也使得我們的課程體系更加完整充實。

結語

研究生能力培養是當前研究生教育亟待解決的問題，也是高校教育改革的長期工程。本文針對研究生“數字圖像處理”課程進行的教學改革，正是適應這一大環境的需求。修訂后的教學大綱側重拓寬學生的知識面，深化知識點，同時緊跟學術前沿動態，為科研能力的培養提供了必要的知識儲備。課堂教學采用互動式、案例式、線上線下混合式等多種手段相結合的教學方法，形成以學生為中心，以能力培養為目標的教學模式。此次教改大大提高了教學效果，充分培養了研究生的自主學習、獨立思考和創新思維能力，學生在掌握專業理論的同時，提高了基本科研素養，達到了預期培養目標和教學效果。

參考文獻

[1]于力，陳忠道.高校研究生教學改革思考——以“數字圖像處理”課程為例[J].工業和信息化教育，2020（9）：50-54.

[2]于迎霞，庫爾班·吾布力，古麗拉·阿東別克，等.本科和研究生數字圖像處理課程的差異化教學思考[J].計算機教育，2019（1）：136-140.

[3]謝安邦.構建合理的研究生教育課程體系[J].高等教育研究，2003（5）：68-72.

[4]RAFAE C.，RICHARD E.數字圖像處理[M].4版.阮秋琦，阮智宇，譯.北京：電子工業出版社，2020：45-95.

Research on Teaching Reform of the Digital Image Processing Course for Postgraduates

ZHAO Xin， WANG Ying-jie， JIA Long-yuan

（School of Information Engineering， Dalian University， Dalian， Liaoning 116622， China）

Abstract： The technology of digital image processing has developed rapidly in recent years and has been widely used in many fields. In order to adapt to the development of digital image processing and cultivate talents that meet the needs of the times for the society， taking the teaching reform in the Digital Image Processing course for postgraduates in Dalian University as an example， this paper discusses the problems and solutions encountered in the course teaching reform. With the goal of laying a good knowledge foundation， strengthening ability training， and facilitating long-term development， the reform of teaching content and teaching model is conducted. By broadening the teaching content， adjusting teaching focus， and adopting the feasible measures such as seminarbased teaching， case-based teaching， and cross-platform teaching， the reform has improved the teaching quality and students’ self-learning ability， enabling students to broadened their horizons and have the basic scientific research literacy while learning basic theories.

Key words： ability training of postgraduate； Digital Image Processing； teaching reform