數(shù)字圖像處理課程教學(xué)實(shí)踐與思考

張育中 盧榮勝 董敬濤 楊 蕾 郎賢禮

合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

數(shù)字圖像是日常生活中隨處可見的一個(gè)重要信息載體，在工業(yè)測(cè)量和科學(xué)研究等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。近年來，隨著人工智能技術(shù)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理在新理論研究領(lǐng)域發(fā)展迅速，在應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的拓展。為滿足社會(huì)對(duì)相關(guān)技術(shù)人才的需求，很多高校在本科階段和研究生階段均開設(shè)了數(shù)字圖像處理及機(jī)器視覺等相關(guān)課程。然而，數(shù)字圖像處理是一門多學(xué)科交叉、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，涉及內(nèi)容多且更新快。因此，該課程的課堂教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)方法以及學(xué)生考核機(jī)制等方面均有較高的要求。

合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)（以下簡稱“光信專業(yè)”）是省級(jí)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè)，重在培養(yǎng)學(xué)生在光電信息方向、機(jī)器視覺方向、光電傳感與測(cè)試方向等光電信息科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)捄竦睦碚摶A(chǔ)以及工程創(chuàng)新實(shí)踐能力。目前數(shù)字圖像處理課程是光信專業(yè)的必修課程。本文以合肥工業(yè)大學(xué)光信專業(yè)的數(shù)字圖像處理本科教學(xué)平臺(tái)為依托，結(jié)合數(shù)字圖像處理課程對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面的培養(yǎng)要求，運(yùn)用教育目標(biāo)理論對(duì)該課程的課程體系與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段、以及學(xué)生考核評(píng)價(jià)機(jī)制等方面進(jìn)行教學(xué)研究，探索出適合該課程的教學(xué)體系，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的積極性，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解。同時(shí)，實(shí)施學(xué)校以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的“兩元論”新型創(chuàng)新教學(xué)模式，形成有一定深度和推廣價(jià)值的教學(xué)成果，更好地體現(xiàn)學(xué)校“工程基礎(chǔ)厚、工作作風(fēng)實(shí)、創(chuàng)業(yè)能力強(qiáng)”的人才培養(yǎng)特色。

一、課程簡介及教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）課程簡介

數(shù)字圖像處理課程是光信專業(yè)本科高年級(jí)的專業(yè)必修課，是對(duì)前面專業(yè)課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)的應(yīng)用，同時(shí)也是后續(xù)專業(yè)課程和生產(chǎn)實(shí)踐等課程的基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)課程體系中占據(jù)著重要的地位。該課程教學(xué)的主要目的是要求學(xué)生在掌握基本概念和基本理論方法的基礎(chǔ)上，可以針對(duì)具體的實(shí)際問題給出相應(yīng)的解決方案，并在一定的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的程序代碼，進(jìn)而完成較為復(fù)雜的工程問題。本課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括數(shù)字圖像處理的基本概念與特點(diǎn)、數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)、圖像處理編程基礎(chǔ)、空域與頻域的圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像形態(tài)學(xué)及其應(yīng)用、圖像分割與邊緣檢測(cè)、圖像目標(biāo)識(shí)別等知識(shí)點(diǎn)。本課程在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，要求學(xué)生在掌握基本概念和基本理論方法的基礎(chǔ)上，可以對(duì)具體的實(shí)際問題給出一定的解決方案，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的代碼編寫。

（二）教學(xué)現(xiàn)狀分析

正如上面所述，數(shù)字圖像處理是一門迅速發(fā)展的新興學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的知識(shí)及內(nèi)容在不斷增加，而學(xué)習(xí)時(shí)間沒有變，這就對(duì)學(xué)習(xí)效率提出了更高的要求，給這門課程的教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。目前，在數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)中普遍存在以下幾個(gè)方面的問題。

1.重基本理論講解，忽視算法在工程應(yīng)用中的具體實(shí)現(xiàn)。受課程學(xué)時(shí)的限制，本課程的課堂教學(xué)重在對(duì)圖像處理基本算法背后的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行講解，忽視了引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖像處理算法具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的掌握，不利于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，也會(huì)讓學(xué)生逐漸失去對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。

2.課程考核模式較為單一，以理論知識(shí)考核為主，缺乏對(duì)實(shí)踐能力的考核，最終很難真實(shí)反映學(xué)生該門課程的實(shí)踐掌握能力。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)得不到重視。數(shù)字圖像處理這一課程應(yīng)用性很強(qiáng)，但目前教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排較少或者沒有安排。有些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排滯后，與日益發(fā)展的圖像處理技術(shù)不匹配，無法做到因材施教和分層培養(yǎng)，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

二、課程內(nèi)容的整合和優(yōu)化

課程組結(jié)合光信專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，精選課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，制訂了數(shù)字圖像處理課程教學(xué)大綱，重點(diǎn)強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。課程的理論課時(shí)為40 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間為1 周，使用的參考教材為岡薩雷斯和伍茲編著的《數(shù)字圖像處理》（第三版），以及相應(yīng)的MATLAB配套實(shí)驗(yàn)教材。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)要達(dá)到以下基本目標(biāo)：了解數(shù)字圖像處理概念，掌握數(shù)字圖像處理基本理論，主要包括空域圖像增強(qiáng)技術(shù)、頻域圖像增強(qiáng)技術(shù)、圖像分割、圖像識(shí)別等；熟練使用MATLAB等常用的圖像處理工具；基于所學(xué)基本理論知識(shí)，可獨(dú)立解決一些簡單的數(shù)字圖像處理實(shí)際問題。

數(shù)字圖像處理課程理論知識(shí)架構(gòu)體系龐雜，課程組在實(shí)際教學(xué)中建立了一定的課程框架，主要包含：圖像采集與獲取、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像識(shí)別以及圖像壓縮等環(huán)節(jié)。針對(duì)每個(gè)模塊內(nèi)的基本知識(shí)點(diǎn)，主要結(jié)合教材內(nèi)容進(jìn)行講解，對(duì)于一些教材中還沒有及時(shí)更新的知識(shí)點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上增加學(xué)術(shù)研討模塊，首先給定這些主題，要求學(xué)生通過文獻(xiàn)檢索的方式整理該主題的相關(guān)內(nèi)容，最終在課堂上進(jìn)行匯報(bào)和討論。此舉也是將學(xué)術(shù)研究理念融入整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)參與度的一種方式。

在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的安排上，課程組引進(jìn)數(shù)字圖像處理領(lǐng)域較新的研究成果和發(fā)展方向作為實(shí)驗(yàn)主題，將課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩大類：基礎(chǔ)算法類實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。要求學(xué)生不僅能夠利用MATLAB 實(shí)現(xiàn)基本算法的源代碼編寫，還能利用MATLAB 和OpenCV 開發(fā)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目。通過實(shí)踐來鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣和科技創(chuàng)新能力，為就業(yè)或進(jìn)一步深造奠定較好的實(shí)踐基礎(chǔ)，并積極引導(dǎo)學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)課程所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于各類競(jìng)賽中或大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目中。其中，基礎(chǔ)算法類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生結(jié)合某一算法，利用MATLAB 或OpenCV 對(duì)給定的圖像進(jìn)行處理并進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。主要的算法包括圖像的傅里葉變換、灰度變換、直方圖均衡化及匹配、圖像的空間濾波器設(shè)計(jì)、圖像的頻域?yàn)V波器設(shè)計(jì)、圖像的膨脹、腐蝕、粗化、細(xì)化等形態(tài)學(xué)操作算法、圖像分割以及圖像識(shí)別等算法，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求如表1 所示。通過要求學(xué)生編寫這些算法的核心代碼，并演示出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來加深學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理概念和算法的理解。此外，綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)不限定具體的實(shí)驗(yàn)題目，教師可結(jié)合目前學(xué)術(shù)最新研究成果和企業(yè)對(duì)該門課程應(yīng)用方向的實(shí)際需求情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要求學(xué)生通過調(diào)查研究、文獻(xiàn)資料查找、方案論證以及程序設(shè)計(jì)等過程完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

三、教學(xué)方法和手段的探索

以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，在學(xué)生了解基本算法的基礎(chǔ)上，注重使用現(xiàn)代化教學(xué)手段和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（MATLAB 和LabVIEW），以案例或情景為載體的教學(xué)模式模擬仿真算法實(shí)際運(yùn)行的效果，加深學(xué)生對(duì)基本原理與方法的理解。

本課程理論教學(xué)模式分為兩大塊：講授法教學(xué)占28個(gè)學(xué)時(shí)，案例教學(xué)占12個(gè)學(xué)時(shí)。講授法教學(xué)主要講解數(shù)字圖像處理的基本概念以及理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)框架體系；案例教學(xué)主要根據(jù)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，對(duì)重點(diǎn)的圖像處理算法和簡單的圖像處理實(shí)例項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練。在教學(xué)過程中，課程組秉承以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的“兩元論”新型創(chuàng)新教學(xué)模式，在課堂教學(xué)中引入“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式。在前述課程框架搭建的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生自行思考每個(gè)環(huán)節(jié)的初步解決方案，并要求學(xué)生課下自行補(bǔ)充理論知識(shí)。課堂學(xué)習(xí)過程中可以先由學(xué)生講解，然后是學(xué)生小組之間的討論和互動(dòng)，將知識(shí)進(jìn)行內(nèi)化，最后授課教師根據(jù)學(xué)生的理解程度進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，并在課程基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科發(fā)展的最新研究成果進(jìn)行延伸，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練。

數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分以學(xué)生為主，其中研討式教學(xué)、體驗(yàn)學(xué)習(xí)以及自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)占80%，演示教學(xué)環(huán)節(jié)僅占20%。其中MATLAB 等開發(fā)工具的學(xué)習(xí)以學(xué)生自學(xué)為主，要求在課外進(jìn)行熟練操作，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在完成指定的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣進(jìn)行獨(dú)立的項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師全程參與方案的討論和指導(dǎo)。此外，為進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)課題，以小組競(jìng)賽的方式來提高學(xué)生獲取知識(shí)的能力。

四、考核評(píng)價(jià)機(jī)制的建立

該課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，教師除了強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)學(xué)習(xí)，還需關(guān)注學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，因此在課程考核中，理論知識(shí)和實(shí)踐能力考核均要體現(xiàn)。期中及期末考試中主要對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)行考核，而在平時(shí)的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)中更加側(cè)重考查學(xué)生的實(shí)踐能力。其中平時(shí)布置的作業(yè)必須是開放性的課題，要求學(xué)生帶著學(xué)術(shù)研究的理念去完成作業(yè)，最終的作業(yè)呈現(xiàn)要為具體的問題提供一個(gè)完整的解決方案，并附有完整的程序代碼等。

課程組結(jié)合中國工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制訂詳細(xì)、具體、可衡量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成評(píng)分表，并結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告、作業(yè)、課堂表現(xiàn)、課程考試成績等指標(biāo)，通過滿意程度給出量化分?jǐn)?shù)，從而計(jì)算達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果。同時(shí)通過學(xué)生能力培養(yǎng)達(dá)成度的評(píng)價(jià)和反饋結(jié)果，不斷修訂教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)方案，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。

五、結(jié)語

文章以學(xué)生能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)光信專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行了教學(xué)改革研究。在教學(xué)過程中，課程組通過優(yōu)化課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化了學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。在教學(xué)方式上，課程組采用“翻轉(zhuǎn)課堂”以及“實(shí)際應(yīng)用案例驅(qū)動(dòng)”等靈活多樣的教學(xué)模式，最大限度地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。案例教學(xué)貫穿整個(gè)教學(xué)過程，一方面，通過基礎(chǔ)算法類實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解；另一方面，通過設(shè)計(jì)具有開放性、研究性、綜合性的綜合類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。該教學(xué)模式在光信專業(yè)2015級(jí)、2016級(jí)本科生中進(jìn)行了完整的課程教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的考核目標(biāo)評(píng)定結(jié)果表明，該教學(xué)模式對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有積極的促進(jìn)作用，可以較好體現(xiàn)學(xué)校“工程基礎(chǔ)厚、工作作風(fēng)實(shí)、創(chuàng)業(yè)能力強(qiáng)”的人才培養(yǎng)特色。