以實踐案例為引導的數字圖像處理研究性教學課程改革

尹 嬙，胡 偉，李瑞瑞，冉 瓊，楊巧寧，張 帆

（北京化工大學，北京 100029）

數字圖像處理課程是電子信息工程和通信工程等相關專業的重要基礎課程，在現代科學、工程和技術領域中扮演著至關重要的角色。數字圖像處理是一門關注數字圖像獲取、處理和分析的學科，它已經成為現代社會中無處不在的技術。數字圖像處理的教育與研究不僅直接影響到學生的專業素養，還深刻影響到社會的科技進步和創新能力。隨著數字攝影、醫學影像處理、計算機視覺、人工智能和虛擬現實等領域的快速發展，數字圖像處理的重要性越發凸顯。

高水平研究型大學的一個核心使命和責任就是建立“知識、能力、人格”三位一體的創新型人才培養模式。創新是時代的主題，培養創新人才是高校的重要使命之一。借北京化工大學關于“三個轉變”[1]教學改革的春風，本文探討了數字圖像處理課程如何實現“以教為主”向“以學為主”的轉變，“課堂為主”向“課內外結合”轉變，以及“結果評價為主”向“結果和過程評價結合”轉變。通過研究性示范課建設，以“激發學生對這門課學習的熱情和興趣，使學生的主觀能動性得到發揮，激發學生的創造性思維”為目標，實現教學方式的轉變[2]、教學內容的提純[3]。培養具有理論基礎[4]又具有實踐能力的應用型人才，初步地實現對圖像處理課程的多元化教學方法改革[5-8]。具體措施主要包括修訂教學大綱優化教學內容，改革教學方法及考核評價方法等。

一 傳統教學現狀

傳統的數字圖像處理教學方法存在著多重問題，這些問題限制了學生的綜合素質培養和數字圖像處理領域的持續發展。第一，理論與實踐之間的脫節問題顯著[9]。傳統教學方法偏重于理論知識的傳授，卻忽視了實際應用的重要性。學生缺乏將所學的理論知識應用于實際問題解決的機會，導致其在實際應用中不夠嫻熟。第二，傳統教學方法未充分整合跨學科元素。數字圖像處理領域本質上跨足多個學科領域，然而，傳統教學常常將其納入特定學科范疇，未能引導學生掌握相關學科的交叉知識，從而限制了其綜合理解。第三，缺乏互動和合作機會是傳統教學方法的普遍問題。課堂傳授往往以理論學習為主，采用單向傳授知識的方式，未能鼓勵學生之間的積極互動和協作，這種情況阻礙了學生團隊合作和溝通技能的培養。綜上所述，缺乏實際應用導向是傳統數字圖像處理教育最重要的問題[10]。學生未能獲得將所學知識應用于真實問題解決的機會，這限制了他們實踐技能和解決實際問題能力的發展，及其所具有的信息技術相關素養的形成和提升。

二 研究性教學實踐

為了調動學生的學習興趣，培養學生解決實際問題的能力，在分析數字圖像處理教學現有問題的基礎上，本文給出了基于三個轉變的研究性教學改革。

（一）提升能力和素養目標占比

首先對教學大綱中的課程目標進行了梳理凝練，并修改完善了課程目標與畢業要求的支撐關系，通過改進考核評價方法，在進一步完成課程目標達成評價及畢業要求達成評價形成閉環的基礎上，對課程目標及其支撐情況進行持續改進。在知識、能力和素養三個課程目標中，教學過程和考核評價過程中加大后兩個課程目標的比重，增大問題分析解決能力和使用工具等專業素養所占的比例，對于第一個知識理論的學習部分調整為學生線上自學的形式。三個課程目標具體如圖1 所示。

圖1 課程目標與畢業要求關聯圖

知識目標：掌握數字圖像處理的基礎理論、專業知識；能夠基于科學原理并采用科學方法對電子信息系統及軟件、硬件模塊進行研究。針對電子信息工程的復雜工程問題設計實驗方案，獲取實驗數據；對實驗結果進行分析、解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結論。

能力目標：能夠應用數字圖像處理理論，針對數字圖像問題設計合理的解決方案；能夠運用電子信息工程專業相關的基本設計原理與方法，針對相關復雜工程問題設計合理的解決方案；針對特定需求，設計滿足指標和要求的系統、軟硬件單元（部件）或工藝流程，在設計中能夠綜合利用電子信息工程的專業知識和新技術，體現創新意識；至少掌握一種軟件開發語言，并能夠運用集成開發環境進行復雜程序設計。

素質目標：能夠運用工具軟件，解決數字圖像處理問題；能夠基于工程相關背景知識，并結合思政、人文、社科類課程的知識，合理分析和評價專業工程實踐和復雜工程問題的解決方案對社會、健康、安全、法律及文化的影響，并理解應承擔的責任；理解環境和社會可持續發展的內涵與意義；了解環境和社會可持續發展的基本方針、政策及法律、法規，能夠正確理解電子信息及通信領域工程實踐對環境、社會可持續發展的影響。

由圖1 可知，課程目標與畢業要求相對應。其中，知識目標對應工程知識和問題分析，能力目標對應問題分析、設計/開發解決方案、研究和終身學習，素養目標對應研究、使用現代工具和終身學習。

課程最終考核成績由課堂表現、平時作業、課堂實驗和期末測試成績綜合評定，并以此為依據進行課程目標達成情況的評價。課程考核方式和內容及其對課程目標的支撐關系見表1。

表1 課程考核方式和內容及其對課程目標的支撐關系

（二）研究性教學環節設計

教學內容方面進一步凝練主線內容，圍繞圖像處理的基礎理論，圖像的空域和頻域處理，圖像復原及圖像壓縮這些主干理論章節，將形態學處理及圖像分割應用內容調整為教師介紹，學生自學結合實踐教學開展的形式進行。并在所有主干章節設計了不同完成形式要求的研究性作業，見表2。

表2 主干章節設計研究性作業

課程團隊面向本校電子信息工程和通信工程專業開設了研討班，并在圓桌型研討教室進行授課。該教學形式更加有利于學生分組開展教學研討活動。在教學實踐過程中，課程教學團隊成員主要研究的遙感圖像/醫學圖像處理內容進行設計，引導學生發現值得研究的問題，以此為依據進行方法設計，以查找公開共享的圖像數據為主要數據收集手段，對獲得的數據進行整理與初步分析，運用所學數字圖像處理知識，借助計算機工具（MATLAB 軟件、ENVI 軟件）進行處理算法實現與優化分析，進行應用型方法研究，并撰寫研究報告。

其中，給學生分組有利于小組討論，小組討論形式可以分為三種，一種是針對授課教師提出的問題，開展討論、確定解決思路和方案，稱之為“相同問題，不同方法”；一種是根據授課教師講授的專業知識和理論，開展小組討論、確定其在不同領域的應用方法，此謂“不同問題，相同方法”；一種是授課教師提出大的框架與領域，開展小組討論，選擇不同方法解決不同領域的類似問題，此謂“不同問題，不同方法”。

總而言之，研究性問題是隨應用場景變化、多維影響因素、無唯一答案的開放式問題。教師針對包含研究性問題的學生作業的個性化講解分析，使得學生深入理解掌握探索研究性問題的方法，提升工程實踐能力。

小組討論內容：針對教師給定的自然圖像增強問題，小組討論其作用、不同的處理方法以及增強后的應用目標；針對教師講解的均值濾波、中值濾波等時域濾波方法，討論其在自然圖像、光學圖像、雷達圖像等領域的應用方法，確定不同應用方法對應的參數設置情況；針對教師提出的圖像分類領域，小組討論針對自然圖像、光學圖像、雷達圖像等不同領域的多種不同分類方法，結合不同種類圖像的特點，給出選擇不同分類方法的原因和設計方案。

評價形式：評價內容包括小組討論過程的參與度、圖像處理方法設計過程的貢獻度、解決方案展示過程的表現度等“三度”來實施評分，其中參與度占30%，貢獻度占50%，表現度占20%。打分根據兩級制給出。首先，教師根據各個小組的完成情況、答辯情況，給出小組平均分；然后，小組內部成員之間根據“三度”進行打分，根據互評結果和小組平均分得到小組成員的各自評分。這樣兩級的評分形式的好處在于突出了學生是教學主體的概念，學生不僅參與到教學中，而且參與到教學評價中。在教師給出的評價成績大框架下，通過“三度”互評機制，更加真實地反映了小組討論這一教學形式的學生學習、投入情況，避免了傳統分組教學形式中學生參與度不夠、懶散等情況。

（三）典型實踐案例建設

根據三個轉變的指導，教學團隊設計三類典型的數字圖像處理案例，以問題為導向啟發學生、激起學習興趣，注重實踐和動手能力，增加學生的編程能力，提升數字圖像處理課程的教學效果。主要案例設計如圖2所示。

圖2 典型實踐案例與理論內容覆蓋關系圖

基礎光學圖像案例：針對圖2（a），按照所學到的圖像剪切、灰度變換、濾波、消噪與校正等知識進行車牌檢測，要求小組內分工完成，提交代碼和報告。

遙感圖像案例：針對圖2（b），按照所學到的灰度變換、圖像腐蝕、和模板運算等知識進行飛機目標檢測，要求小組內分工完成，提交代碼和報告。

醫學圖像案例：針對圖2（c），按照所學到的模板運算、形態學濾波和傅里葉變換等知識進行細胞邊緣檢測、癌細胞形態學分析和癌細胞顏色分析，要求小組內分工完成，提交代碼和報告。

（四）教學效果

在本次教學改革中，我們采取了一系列創新性的措施，以提高數字圖像處理課程的質量和效果。這些改革得到了顯著的成效，以下是其中的三個案例，證明了教學改革的成功。

圖3 中的車牌識別實踐體現出學生對知識算法掌握熟練，并且有能力設計出完整的實驗流程，擁有解決實際問題的能力。

以圖4 中遙感圖像的飛機檢測識別為例，通過研究性教學過程，學生高質量地完成了問題解決方案的制定及其編程實現。在醫學圖像案例中，學生們通過對細胞圖像的深入研究和處理，不僅成功獲得了數字圖像處理的實際操作技能，而且建立了初步的對醫學圖像領域的認知和理解。

圖4 學生分組大作業飛機檢測、細胞邊緣檢測及癌細胞分析結果

學生通過具體的案例操練了以往學過的圖像處理方法，對如何應用這些方法有了大致了解，漸漸不再對圖像識別感到神秘。無論是在個人大作業中還是小組大作業中，都很好地將數字圖像處理的知識在MATLAB等仿真軟件中應用。

三 結束語

通過研究性示范課建設，成功實施了數字圖像處理課程的三個轉變教學方法改革。小組研討學習方式充分激發了學生的學習興趣，促使其積極參與，從而提升了學習質量。同時，大規模引入實驗模塊，鼓勵學生親自動手編程進行圖像處理，有力加深了學生對數字圖像處理基本概念的理解。此外，緊密結合授課內容與教師研究方向，幫助學生初步了解新興的圖像處理方法和在對地觀測遙感領域的應用，激發了學生的創造性思維，使其對數字圖像處理方法有了更深刻的認識。這些改革措施為圖像處理課程帶來了明顯的多樣性和深度，為學生的綜合素質提升和對該領域的深入理解提供了有效手段，也為遙感圖像處理、醫學圖像處理等研究生專業課提供了先修課基礎。