基于學生目標導向的數字圖像處理課程改革

溫旭云，張道強

（南京航空航天大學計算機科學與技術學院，江蘇南京 211106）

0 引言

近年來，隨著物聯網、大數據、云計算技術的迅速發展，數字圖像處理和分析技術快速發展，并逐漸成為各科技領域中一項不可缺少的重要工具。該課程所涉及的基礎知識和原理被廣泛應用于智慧醫療、生物醫學、智能安防、無人駕駛、航空航天、故障檢測和人機交互等前沿領域，使得數字圖像處理課程逐漸成為全國各高校信息科學、計算機等相關專業本科生的必修課之一［1］。

數字圖像處理是一門融合線性代數、高等數學、統計學和計算機科學等學科的交叉課程，主要講授圖像增強、變換、復原、分割、特征提取和目標識別等，具有內容覆蓋面廣、理論性強、應用領域多、對學生綜合能力要求高等特點，這使得學生在學習過程中容易出現畏難情緒，增加了實際教學工作的難度和復雜度［2］。數字圖像處理課程作為建立計算機學科與實際應用的重要橋梁，探究如何改進現有教學模式，提高學生課程學習參與意識，培養主動學習和合作學習的能力，在數字圖像處理課程教學過程中加以實施，對提高教學質量、培養應用型創新人才具有重要意義［3］。

1 數字圖像處理課程教學改革研究現狀

傳統的數字圖像處理教學模式主要是班級集中授課形式，固定時間、固定教師及固定教材，以教師為主體、學生為客體，按照課程大綱由教師向學生填鴨式地單向傳授知識，最后采用統一的考核方式評估學習達成度［4-5］。然而，數字圖像處理作為在各科技領域中應用極廣的一門技術，其相關理論和方法發展非常迅速，遠遠超過教材更新速度，如果按照傳統以課本為主的教學模式，將會導致教學內容陳舊，學生無法獲取最新知識體系，同時，作為一門理論與應用緊密結合的課程，學生內在驅動力直接決定了其對課程的學習興趣，完全以教師為主體的教學模式必然無法達到滿意的教學成效［6］。因此，越來越多針對數字圖像處理課程的教學改革方案被提出，主要分為以下兩類：

（1）仍然主張以“教師”為主體，通過豐富教學內容，改變教師向學生的知識傳授方式，實現教學質量提升。比如，文獻［7］強調以典型案例為導向，對數學圖像處理課程的教學內容進行改革，形成具有鮮明專業特色的完整知識體系；文獻［8］提出線上線下混合教學模式，主張利用智慧信息化教學平臺，搭建數字圖像處理課程教學網站，解決線下教學中課時量不足以覆蓋所有知識體系的問題，增加課堂學習深度，提高學生知識掌握程度。

（2）強調以“學生”為主體，秉承成果導向、持續改進的理念，及時調研分析學生學習情況，增加師生互動交流，激發學生主觀能動性，進而達到促進學習的目標。比如，文獻［9］提出“以學生為中心”的數字圖像處理課程在線教學方案，為學生設計由淺入深的學習路徑，結合學習評價和學生反饋，不斷進行在線教學改進。文獻［10］和文獻［11］則分別提出科研和應用為導向的數字圖像處理教學模式，從引導方式、切入角度、學生情況、案例選擇、創新能力培養等方面，對課堂教學與網絡平臺教學的教學內容、教學模式進行改革實踐。

雖然已有改革方案對數字圖像處理課程的教學效果具有促進作用，但卻忽略了學生個體不同職業規劃對數字圖像課程知識需求的差異性，無法充分激發所有學生的內在驅動力。為了解決該問題，本文提出以學生就業目標為導向，結合專業需求，采用分軌道和個體針對性的教學模式，最大限度地激發學生內在學習力，同時采用線上線性混合教學模式，豐富教學內容，跟蹤學生階段學習效果，最終達到提升教學質量的目標。

2 學生目標導向的教學改革思路與方案

針對當前數字圖像處理教學過程中存在忽略個體職業規劃的問題，提出基于學生目標導向的數字圖像處理課程改革方案，學生目標導向是以學生為中心、以就業目標為導向的教學模式，意在強調學生可根據個人職業規劃選擇對應的學習通道，提升其內在學習驅動力，達到提高教學質量的目標。如圖1 所示（灰色框表示不同學習通道共享的教學目標、教學內容和教學方法），基于學生目標導向的數字圖像教學課程改革將學生按其職業規劃分為升學和就業兩大類，升學泛指就讀國內/國外碩士或博士研究生，就業類則表示前往企業任職，其中升學類按照研究方向進一步細分為計算機視覺和圖像分析，就業類則分為算法工程師和軟件工程師。為了實現分類教學，設計多元化教學目標，采用課程大綱和經典案例雙驅動教學體系，并基于智慧教學平臺設計線上線下混合教學模式。

2.1 多元化教學目標

Fig.1 Ideas and schemes of the framework for the proposed student goal-oriented digital image processing course reform圖1 基于學生目標導向的數字圖像處理課程改革思路與方案

教學目標是教學計劃實施的基礎，其設定需兼顧教與學兩個方面，一般課程教學目標設計遵從“以教為主，以學為輔”。然而，數字圖像處理課程作為理論服務于應用的專業，課程知識應具有前沿性、開放性和包容性等特點，因此有必要改變以往以教為主、固定的教學模式，以學生為中心，著重強調教學主體、目的及效果均在于學生的學［12］。本文主張教學目標的設定圍繞“以學為主，以教為輔”展開，充分考慮學生職業規劃，設置多元化教學目標。如圖1（a）所示，升學組重點培養學生的文獻閱讀能力和創新思維能力，就業組主要關注其問題分析能力和程序設計能力。此外，針對每個類別下的小類，根據其在實際研究和工作中對數字圖像處理的需求度，設置不同的學習目標和課程達成度。

2.2 課程大綱與經典案例雙驅動的教學體系

為了最大限度地激發學生內在驅動力，提出課程大綱與案例雙驅動的教學體系?；诮虒W大綱的課程理論知識學習是基礎，需要重視和優化，堅持“以本為本”嚴格完成基礎教學任務，保證課堂教學內容能夠正確傳授，為之后的應用打下堅實基礎。此外，根據學生未來工作和職業興趣設計不同的教學案例，方便學生根據自身學習進行選擇性學習，同時最大程度地激發學生自主學習動力［13］。如圖1（b）所示，升學組中計算機視覺方向以經典的ImageNet圖像識別競賽作為教學案例，圖像分析則采用Iseg2019 醫學圖像分割競賽；對于就業組，人臉位置檢測模型和人臉識別系統分別作為算法工程師和軟件工程師的教學案例。每個案例對于數字圖像處理知識體系的需求度不同，學生可根據具體案例對教學內容進行針對性加強。以上以學生為中心、問題和項目驅動融合的教學方式，可充分培養學生主動發現問題的意識，提高學生學習興趣，激發內驅力和創造性，達到使學生主動學習的目的，最終提高學生解決問題能力的終極培養目標［14］。

2.3 線上線下混合教學模式

由于課時關系，線下教學無法完整覆蓋各軌道學生的知識需求［15］。為了解決該問題，擬采用線上線下混合式教學模式，以解決單一教學模式存在的不足，教學中以線下課題授課為主，通過“學習通”平臺線上資源對線下的課程進行相應補充［16］。具體實施方案：搭建數字圖像處理教學網站，針對不同軌道設置相應的教學模塊和內容，包括課程介紹、教學資源和教學文檔等，并發布對應的學習任務。學生在完成線下課程后，可針對性地選擇線上教學進行知識擴展性學習。同時，線上教學的引入還可以提升學生對課程的參與度，比如利用“學習通”在課堂中進行測試和答題。增加課程互動，讓大家踴躍發言，提高學生學習積極性。此外，還采用多方位授課方式，對于想要升學深造數字圖像處理相關知識的學生，請外?；蛘弑拘＝淌谧鱿嚓P報告，讓學生更深入地了解后續學習方式，并提前與課題組取得聯系。對于想要在數字圖像處理領域工作的學生，可以請企業工程師為學生們授課，讓學生們了解企業的實際需求與項目管理工作流程，并根據真實的企業需求完善自身能力，為后續工作做好準備［17］。

3 學生目標導向的教學改革效果評估

為了測試學生目標導向教學模式中教學目標的達成度，教師采用問卷調查形式，邀請127 名學生對課程學習效果和學習能力提升情況進行自評。升學組包括69 名學生，30 名學生選擇計算機視覺方向，39 名學生選擇圖像分析方向；就業組包括58 名學生，28 名學生選擇算法工程師，30 名學生選擇軟件工程師。升學組的課程目標包括：數字圖像處理原理和技術掌握程度、圖像分析相關文獻閱讀能力提升、創新思想能力提升，其中計算機視覺方向學生在3 個目標上達成度的平均值分別為0.87、0.82 和0.75，圖像分析學生的達成度為0.89、0.8 和0.75（如圖2（a）所示）。工程組的課程目標為數字圖像處理原理和技術掌握程度、圖像分析相關問題分析能力和程序設計能力，其中選擇算法工程師學生的3 個課程目標達成度為0.84、0.71和0.83，選擇軟件工程師學生的達成度則為0.8、0.71 和0.89（如圖2（b）所示）。

通過分析數據發現以下兩個結論：①除創新思想和分析問題能力外，其他課程目標的達成度均達到良好以上，這兩項課程目標達成度較低的原因則是需要長期訓練，很難通過短時期獲得；②對于數字圖像處理基礎技術的掌握程度，升學組中圖像分析方向達成度略高于計算機視覺方向，就業組中算法工程師方向的學生高于軟件工程組，這是由于圖像分析和算法工程師通道在針對性案例學習中對數字圖像處理基礎技術的需求度較高，激發了學生的自主學習動力，同樣的原因也適用于就業組中軟件工程師在程序設計能力方面的達成度高于算法工程師。以上數據均證明所提出學生目標導向教學模式的有效性。

Fig.2 Effectiveness evaluation results of student goal-oriented course reform圖2 學生目標導向教學效果評估結果

4 結語

本文針對當前數字圖像處理課程教學中存在的問題，提出基于學生目標導向的教學改革方案。該方案充分考慮了學生不同職業規劃對數字圖像處理課程知識體系需求的差異性，主張以就業目標和方向為導向，將學生進行細分，通過設置多元化的教學目標，采用針對性的教學內容和教學方法，達到分類教學的目標。同時，該研究也存在一些不足，比如對于學生分類只分為升學組和就業組兩大類，后續仍需進一步細化。在后續教學改革實踐中，也將遇到一些問題，這都有待繼續改進和完善。