《數字圖像處理》課程教學困境及應對策略

摘要：對民辦高校《數字圖像處理》課程教學現狀、學生學習狀況和數字圖像處理工程師的社會就業需求展開深入分析，指出傳統教學內容和方式存在的問題，以及人才培養方案和社會就業需求之間存在的差距，并且針對性地提出解決方案，提出引入案例法、項目法和線上線下混合式教學方法，并且結合職業規劃，引導學生進行目的明確的自主學習，能更好地實現人才培養和社會需求的對接。

關鍵詞：《數字圖像處理》;教學改革;職業規劃

中圖分類號：G4文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.14.079

0引言

隨著科學技術的迅速發展，數字圖像處理技術不僅在常見的人臉識別、指紋識別、智慧城市、電子通信等諸多領域有著廣泛應用，在國防建設、航天科技、醫療電子等高科技方面也得到了進一步應用推廣。作為一門與新興科技緊密結合的課程，《數字圖像處理》已經成為高等院校電子信息類專業一門重要的專業課。傳統的課堂教學主要講授數字圖像處理的基本原理和方法，偏重于以理論講授為主，實踐動手為輔的教學方式。這樣的教學內容和方式與社會對應用型人才的需求還有相當的距離。“新工科”應用型人才培養要求要形成“創新型、綜合化、全周期”的教育新理念，完善專業結構，更新教學觀念。在該背景下，以理論講授為主、輔以簡單課程實驗的數字圖像處理課程傳統的教學內容和教學方式，迫切需要實施改革，以應對社會經濟發展和應用型人才的需求。

1現狀分析

1.1教學現狀分析

與《電路分析》《模擬電子技術》和《數字電子技術》等課程構建起學生的硬件電路知識體系不同，《數字圖像處理》及其前繼課程《C語言程序設計》《信號與系統》《數字信號處理》和《Matlab仿真》等建立起學生對于一維二維信號和信號處理系統的理論知識和軟件處理方法的知識體系。主要講授圖像的運算、變換、增強、平滑、復原、壓縮編碼、分割、描述分析和識別等內容。學時數為32至48。受限于學時和圖像處理基本知識的繁雜，按照教材內容按部就班的講授，課堂教學中不可能安排太多的學時用于綜合性案例的教學實踐和指導。因此幾輪教學下來，學生的普遍反映是知道這門課程很有用，但只學了個皮毛，距離能動手實踐解決實際圖像處理問題，能力上還有很大的提升空間。

1.2學生學習狀況分析

筆者所在學校為民辦高校，生源質量明顯弱于211、985院校。主要體現在以下方面：

（1）學習內驅力不足，由于高考失利，學生失去選擇心儀學校和專業的機會，對目前所學習的專業缺少真正的興趣，在學習《數字信號處理》《數字圖像處理》這類理論性較強、對數理要求高的課程時，一旦遇到困難，很容易打退堂鼓，產生放棄的心理。

（2）學習自律意識不強，學生缺少對自己學習過程的有效監視和控制。緊張的高中三年過去了，不少學生進入大學后熱衷于游戲或者社交，對學習的重視程度不夠。沒有有效的學習計劃，對目前學習進程、方法和效果也不能做到有意識的監視和調節，放任結果的產生。

（3）學習方法不當。教育心理學認為理解和保持知識的認知策略包括復述策略、精加工策略和組織策略。很多大學生對專業課程的學習過程僅僅滿足于課堂聽講，課后沒有有效的復習和預習，更沒有對知識進行復述、精加工和有效的組織編碼，因而不能有效地構建起自己的知識體系和認知結構。前繼課程掌握的不牢靠，在學習新知識時，在其認知結構中，缺少對新知識進行同化的適當觀點，因此阻礙了學習的進程。比如在《數字圖像處理》的圖像變換章節，關于二維傅里葉變換、離散余弦變換、沃爾什—哈達瑪變換和K-L變換等知識點均以《數字信號處理》課程中的傅里葉變換為基礎，如果前面的知識掌握不扎實，上述內容無論在理論還是動手編程實踐上都會有一定的困難。

1.3社會就業需求分析

應用型人才培養的目的在于適應社會發展的需求，對學校和學生而言，最為實際的就是提高就業率。在各大招聘網站上，對電子信息類專業的本科畢業生的需求主要以硬件設計為主，比如電路設計工程師、單片機和嵌入式應用工程師，對于軟件類人才的需求，數字圖像處理工程師和語音信號處理工程師，除了對算法語言（比如C、C++、Matlab、OpenCV、Python）的要求外，還要求對機器學習、深度學習框架的掌握和實踐經歷，在學歷方面的要求一般是碩士。比對社會需求可以發現，本科階段在信號處理理論和軟件編程方面的學習事實上是為學生在更高層次（碩博士）階段的學習打下基礎，而民辦高校的學生畢業后大部分是直接進入社會工作的，那這是否意味著這方面的學習在學生求職就業中不能發揮太大的作用？或者說，重要性不大？這也是筆者在教學過程中經常被學生問到的問題。

2教學應對策略

對上述存在的問題進行深入的分析發現，教學內容的組織、教學方法的設計和學生的學習積極性、學習效果之間是相互制約、相互影響的關系。常規傳統的教學方式側重于數字圖像處理原理和算法的教學，沒有充分的案例教學和項目教學方法的支撐，難以激發學生的學習興趣、調動學習積極性，難以引導他們在課堂知識之外去自主探索學習，構建起自己的認知結構，從而導致學習效果不好。教學內容的組織如果不能緊貼社會對人才的實際需求，過分強調簡單基礎原理的教學，不僅不能有效利用課堂教學的時間，也會讓學生對課程學習目的產生困惑，產生為什么學和學了有什么用等問題。

因此《數字圖像處理》課程的教學內容在原有教材的基礎上需要針對圖像處理技術的發展和社會經濟發展對人才的需求，做進一步地更新;教學方法也要針對該課程理論和實踐性強的特點，結合民辦高校生源實際情況，進行改革。

2.1教學方法的設計

2.1.1案例法的引入

在該課程的主要內容中，圖像的運算、增強、壓縮編碼和描述分析章節內容不涉及復雜的數學計算，主要以概念講授為主，為每一個知識點設計案例，讓學生進行課堂練習、動手實踐。課堂編程練習可以結合簡單的案例進行。比如圖像的平移、鏡像、旋轉和縮放等，可以利用幾幅圖片現場編程演示，讓學生理論聯系實際，加深對知識的理解和記憶。圖像增強包括空間域和頻率域增強兩部分，基于灰度和基于直方圖處理的圖像增強也可以在概念講述的基礎上調用Matlab的函數進行編程練習;頻率域的圖像增強、平滑以及銳化處理需要用濾波器來實現，知識點的強化和鞏固也可以采用編程練習的方式進行。課堂上的案例講解和動手實踐能較好地調動學生的學習積極性，提高學習效果。

2.1.2項目法的引入

圖像變換、復原、分割和識別等內容涉及比較復雜的算法和數學理論知識，講授時在教學內容組織方面應該突出重點，針對需要解決的問題引入相應的算法，而不能泛泛地介紹算法理論。由于大部分學生的基礎不牢，易讓學生產生畏難心理。維果斯基的“最近發展區思想”指出，最理想的教學要求，是既要高于學生現有的知識水平，又要是學生經過努力能夠達到的。因而，這部分知識在講授時宜采用項目式教學方法，采用自上而下的教學策略，引入項目要求后，教師進行項目需求分析、相關知識的講授、任務布置，并實時跟蹤項目進展，進行及時指導。學生在項目目標的牽引下，通過聽課、自己查資料、動手編程實踐，對知識進行消化吸收，在分析和解決問題的過程中，能力得到加強。

例如在圖像變換這一節講授Hough變換時，可引入車道線預警的項目任務：在車輛行駛過程中偏離車道線時，行車記錄儀如何實現自動報警？K-L變換可以識別圖像中的直線，原理是什么？如何實現？如何編程和調試？如何提高預警性能？一系列的任務布置下去，讓學生自己探索鉆研，可以采用分組的方式進行，可采用報告講述或者小論文的形式提交結果。

在講授圖像分割和識別時，可引入車牌識別、人臉識別和手寫數字識別等項目任務，將學生分成若干組，每一組單獨完成，而后組織組間的交流和學習。車牌識別項目主要涉及的知識點包括圖像預處理、車牌定位、圖像分割和模式匹配識別，在理論知識學習完后，重要的是如何編程實現;人臉識別可以采用主成分分析法，算法原理和編程實現都需要學生自主學習;手寫數字識別在實現預處理、特征提取后，可以采用模板匹配、神經網絡或者深度學習的方法實現識別。因而這部分的知識是需要學生利用較多的課后時間進行深入拓展的。在此過程中，教師一定要發揮積極的監督、指導作用，及時控制進度、答疑解惑，有效推動項目的發展。

項目教學法很好地貫徹了“最近發展區思想”，體現了以學生為中心的理念，將較難的知識點分解成一步一步學生容易達到的小目標、小任務，教學效果較好。

2.1.3線上線下混合式教學方法

新冠疫情促進了線上教學、網絡課程的發展。在階段性疫情結束后，線上資源仍然可以有效利用，形成線上線下混合式教學方法。線上資源包括參考書籍、PPT、講授視頻、練習題、例程等，可借助于學習通和MOOC平臺。線上教學主要應用于如下幾種場景：對課堂知識的預習和復習、翻轉式課堂的自學、項目式教學方法理論知識部分的自學等。線上資源增加了學生在學習內容、學時時間、學習方式等方面進行學習調節的可能性，拓展了學生的學習深度和廣度，是對課堂教學的有益補充。

2.2結合職業規劃，引導學生自學，對接就業需求

在大學一年級學生剛進校時，會學習《職業生涯規劃》《創新創業基礎》課程。進入高年級學習了專業課之后，學生會對自己的興趣愛好志向和職業傾向性有了更為清晰的認識，這時結合專業特點和未來可能的就業方向，對學生進行職業規劃的輔導，確定職業目標后，針對社會發展對特定崗位人才的需求，做好學習計劃和實習計劃，更有效地利用課外時間和畢業設計，引導學生自學，利用一切機會，拓展自己的專業技能，對于縮小學校人才培養目標和社會需求、對于應用型人才的培養，有著重要意義。例如在本校電子系的人才培養方案中，C++、Python語言、OpenCV庫以及深度學習的框架沒有設置專門的課程學習，但社會上崗位需求強烈，因此及時修訂人才培養方案，并且引導有志向從事軟件和算法設計的學生利用課余時間自學相關課程，能更好地實現人才培養和社會需求的對接。

3結束語

本文從教學現狀、學生學習狀況、社會就業需求等三個方面分析了民辦高校《數字圖像處理》課程實際面臨的困境，并提出了應對策略。首先結合具體的教學內容，對難易不同的知識點分別采用案例法和項目教學法進行教學設計，充分利用線上教學資源，拓展學生進行自我學習調節的空間;并在高年級，結合職業規劃，引導學生進一步明晰自己的興趣愛好和職業傾向性，根據社會就業需求和崗位職能要求，進行有針對性的自學，為未來就業做好準備。本文梳理的教學困境和應對策略同樣適用于本專業的其它專業基礎課程。

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基金項目：2018年度湖北省教育廳人文社會科學研究項目（18G097）。

作者簡介：游波（1976 -），女，博士，武昌工學院副教授，中國職業規劃師，主要從事電子信息工程專業教學、生涯輔導和就業指導。