SPOC+PBL混合式教學模式在數字圖像處理中的應用

*基金項目：國家自然科學基金項目“弱圖像信號物理建模及其復原算法研究”（61801005）；陜西省《數字圖像處理》線上線下混合一流課程建設項目。

作者簡介：余順園，博士，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.092

摘? 要? 為了讓課程優起來、學生忙起來、效果實起來，在數字圖像處理課程中探索SPOC+PBL的混合式教學模式。利用豐富的MOOC資源構建異步在線SPOC課，基于實際生產實踐需求建立數字圖像處理項目庫；以項目為抓手，基于PBL學習模式，按照課前SPOC在線自學、課中項目分組實現討論交流、課后測試總結等環節，探索數字圖像處理課程線上線下混合教學模式。三個教學周期教學效果及教學評價結果表明，此種以學生為主導教師為引導的混合授課模式對數字圖像處理課程教學有著積極的促進作用。

關鍵詞? SPOC；PBL；數字圖像處理；混合式教學

中圖分類號：G642.4? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）02-0092-04

0? 引言

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央倡導教育應該擺在優先發展的戰略位置[1]。在國家政策全方位引導與激勵下，高等教育在體量和質量上均取得了飛速的發展。然而錢學森之問依然困擾著大家，為什么我們的學校總是培養不出杰出的人才？教育的本質是培養人才，而人才培養的核心要素是課程，因此唯有讓課程優起來、學生忙起來、效果實起來，才能構建更高水平的人才培養體系[2]。

數字圖像處理課程具有一定的理論性，又有較強的實踐性，一般在計算機、數字媒體技術、電子信息等專業均有開設。通過該課程的學習，學生能掌握數字圖像的獲取方法，能夠熟練地利用計算機編程實現常見的數字圖像處理算法，并具備一定解決工程實踐問題的研究能力和思維能力，為以后從事自動化、機器視覺、電信通信等領域的工作、深造、研究打下基礎[3]。

數字圖像處理課程中有較多的概念和公式，比如正交變換等內容很抽象，不易理解；此外，該課程在智能安防、自主駕駛等諸多領域均有廣泛的應用，算法技術更新快，需要在授課過程中適時地融入前沿成果。傳統的教學過程中，教師講授占主導，學生被動填鴨式的接受知識，雖有翻轉課堂、線上線下混合等教學模式，但是不夠深入，師生之間沒有互動起來，學生依然處于被動、應付考試的狀態，在有限課時內，難以達到預期的教學目標。本著以學生為本的原則，沿著發現、探索、解決問題的教學思路，課程團隊構建了以專屬在線課程（Specail Private Online Course，SPOC）為基礎[4]，以項目學習（Project Based Learning，PBL）為抓手的混合式數字圖像處理授課模式。學生主導課堂，教師適時引導，通過任務驅動，基于輸出式學習原理，使得學生忙起來，最終幫助學生實現知識的重構及內化，達到培養學生綜合能力的教學目的。

1? 數字圖像處理課程改革及建設的現狀

早在2000年的時候，蘭州大學的王勇[5]在教學內容、方法和手段上針對數字圖像處理課程特點進行了改革；2002年安徽大學的李曉輝等[6]人通過研制現代數字圖像處理教學實驗系統對數字圖像處理課程實驗進行了改革，這類早期的改革主要是針對教材和教學內容上的調整，在一定程度上提升了學生的學習興趣。2010年左右，吳冬梅等[7]和李露等[8]提出基于研究性、探索性教學模式改革，這對學生的專業基礎有一定的要求，在學時受限的情況下開展起來比較困難。2012年，華南農業大學的鄧繼忠等[9]在數字圖像處理實踐教學中引入了基于項目教學的理念，以項目推動課程實踐環節展開，激發學生的學習熱情和求知欲望。PBL教學模式，從項目出發解決實際問題，以團隊分組為基礎，學習者必須具備一定的主動性和自覺性，能獲得較強的成就感和認可度。近年來，隨著網絡新媒體及信息技術的高速發展，MOOC課（Massive Open Online Courses）因其大規模、開放、共享等特性，獲得認可；2018年2月武漢大學的賈永紅教授團隊制作的數字圖像處理MOOC正式發布，大受歡迎，取得了令人鼓舞的效果[3]，但是單純的基于MOOC展開教學，缺乏面對面交流，難以培養學生的人格與道德，自我管理能力比較差的學生容易掉隊。于是，SPOC應運而生[10]，它是MOOC課后發展的新型教學模式，教師借助于MOOC平臺，根據需求對資源進行優化，構建適合本校學生的SPOC，能夠掌握學生在線學習的動態，根據其在線學習反饋情況調整教學內容，于是胡曉霞等[11]提出MOOC+SPOC的數字圖像處理教學改革。安康學院數字圖像處理課程團隊在綜合分析了學者們課程改革的思路和成效，結合筆者所在學校學生的具體情況，契合OBE（成果導向教育）教學理念[12]，從培養學生主動探索之習慣及獨立思考之能力出發，圍繞項目進行知識架構，構建基于SPOC+PBL數字圖像處理課程線上線下混合式教學模式。

2? SPOC+PBL數字圖像處理課程教學的實施

2.1? 混合教學模式介紹

SPOC是教師在學校云平臺，建立一門面向校內授課班級學生的小規模在線課程，教師可根據本校學情設計教學內容，調整教學進度。根據建課時所利用的線上MOOC資源情況，可構建同步SPOC、異步SPOC及獨立SPOC。本課程團隊構建的是異步SPOC課程，即在MOOC上精選一門同科目的課程，在拷貝該課程資源的同時，教師可以靈活地對教學內容進行調整，也可以自主地組織班級學生進行在線答疑、討論、考試等。

PBL（Project Based Learning）是基于項目學習，指的是讓學生融入能解決實際問題的項目，強調以學生為中心，以小組分工合作、項目的調研、算法設計及項目匯報展示等實際環節為線索幫助學生進行知識架構。該教學模式契合OBE教學理念，能夠讓學生有足夠的獲得感和榮譽感，激發學生自主學習的積極性，有效提升學生的綜合能力。

為了充分利用線上線下資源，本數字圖像處理課程團隊構建了以SPOC+PBL混合教學模式。SPOC+PBL混合教學模式的授課效果在其他課程中已經得到了廣泛探索和驗證[13-14]，數字圖像處理作為一門實用性極強的課程，利用該模式極大地提升了授課效果。本課程團隊在教學實施的過程中，首先是基于大學生MOOC資源構建了數字圖像處理的異步SPOC課，基于PBL實施教學的全過程，實現線上線下混合式教學，主要包括教學設計、教學實施及課程考核三部分。

2.2? 混合式教學設計

教學設計是教學過程有效合理展開的基石，是保證教學質量的最為關鍵的因素。本課程是依托MOOC上武漢理工大學黃朝兵教授的國家級精品課程數字圖像處理資源，構建異步SPOC。所以在課前會提前告知學生重難點，發布主體的教學資源和拓展學習資源，拋出相關的討論主題，布置項目任務；最后學生需要在線下課堂完成匯報、討論，實現知識的重構與內化。

課程的主體資源來自MOOC，結合具體學情分析，增加適當的拓展資源兩大部分。主體資源有包括：課程簡介，教案和學習指導，授課錄像，課程作業，項目任務書；擴展資源包括開發環境工具，演示仿真，在VC++或者MATLAB開發工具下的數字圖像處理，應用開發案例，研究發展前沿的介紹。

2.3? 混合式教學實施框架

SPOC+PBL的教學實施過程，以學生為中心，提供豐富的SPOC學習資源，同時安排線上引導，線下匯報、交流、總結，主要分課前、課中、課后三個步驟，如圖1所示。

課前，在SPOC平臺發布課程的全套資源，包括教學目標及重難點，教學PPT課件、重難點講解的視頻和拓展學習資源，發布與課程相匹配的項目任務書及討論主題，布置課前小作業檢測學生課前自學情況。鼓勵學生合理安排自己的時間，自學基本理論，要求學生根據項目任務書，提前完成組隊及項目規劃等工作。

課中，以學生為主體，以項目的推進為載體，學生通過完成項目實現知識的內化。學生通過抽簽形式構建項目小組，以小組合作形式完成項目，并隨機抽選人員上臺匯報；與此同時教師和其他小組同學在認真聽的基礎上要思辨性地進行評價；隨后教師引導全班同學探討存在的共性問題，對重難點進行補充講解，幫助學生拓展和深化知識。在課堂學習的最后環節，學生利用所理解的知識在SPOC平臺完成隨堂測驗，測試結果可在SPOC平臺上即時呈現，教師可據此開展適度的個性化指導。

課后，教師在SPOC平臺上呈現學生完成的優秀項目，幫助學生復習鞏固和總結反思。針對共性問題創建討論主題，在互動交流中引導學生完成探究式協作學習。

2.4? 混合式教學實踐應用

SPOC+PBL數字圖像處理混合式教學在實踐過程中，課程團隊構建了數字圖像處理項目庫，包含數字圖像處理增強、濾波、變換、編碼等八類共50多個綜合項目，如“磨皮美白系統”“道路裂縫識別”“水果分類識別”“魔芋病害識別”“印章鑒別”及“霧天圖像清晰化處理”等項目，這些項目主要來源于實際的生產生活，項目基本上是與章節內容對應，按章節發布，由簡單到復雜，每學期都會根據學生的完成情況進行適當的更新。

下面以數字圖像處理課程中的“霧天圖像清晰化處理”項目為例，對SPOC+PBL授課模式進行說明，項目任務書如表1所示。

表1所示的“霧天圖像清晰化處理”項目的開展按照課前、課中、課后三個環節展開，每個環節任務明確，有測試有反饋，學生可以根據自己的實際情況開展學習，教師結合學生的線上線下的表現，及時跟進學生，并適時地提醒和督促，整個學習過程以學生為主導，教師為引導。每組學生進行資料查閱和分享，既能夠拓寬知識面，也能夠培養學生的一種探究精神；各組之間線上線下交叉點評，培養了學生批判性思維習慣；每次隨機抽取組員進行演示講解，規避部分學生偷懶、渾水摸魚；線下當眾講解匯報，幫助學生把理解的知識講出來，這恰好契合著名的費曼學習法[15]，讓學生無比清楚自己的內在思維，實現知識的重構與內化。

2.5? 混合式教學課程考核

在課程考核的過程中，關注學生的過程性表現，因此總評成績由期末考試、項目完成情況、課堂表現、網絡在線互動等部分組成。成績的分布比例為：期末考試卷面成績占50%，項目完成情況占30%，課堂匯報及點評表現占10%，在線學習時長、測試、討論、互動占10%。每班安排學委對每節課每個學生各個環節的表現進行記錄，教師隨堂簽字確認，對所有的得分項都量化并在班內公示。總體思路是激勵差生，鼓勵先進，引導學生多參與課堂，完成知識的內化，而非應付考試。

3? SPOC+PBL數字圖像處理混合式教學實施

效果

SPOC+PBL數字圖像處理混合式教學主要在筆者所在學校2017級至2019級計算機及數字媒體專業各班級開展并持續改進，學生普遍反映良好。每次授課到學期中時，筆者所在學校教務處都會讓學生對課程進行評價，本門課次的評教分數基本在90分以上，學生評教成績排在筆者所在學校前10%。本課程于2021年獲批陜西省線上線下混合一流課程建設。

從學生對課程的理解和學生的完成度情況來看，各個項目的完成率基本上在100%，在線測試和線下集中交流中，圍繞全書前后共凝練出20多個問題，這些問題涵蓋了本門課程主要知識點，從理論原理推導到算法結構分析，學生都能予以恰當理解，與所實現的項目對應起來。從課堂演示、互相點評及討論的情況看，學生都能從原理、編程實現到實驗結果分析等多方面對問題進行全面透徹的解析。

從課程考核情況看，開展SPOC+PBL混合教學班的成績為：優秀率為19.1%，良好率為53.2%，中等及以下的比例為27.7%，成績基本符合正態分布，這表明絕大部分的同學能按要求完成項目、參與互動，對知識點掌握較好，總體情況優于未開展混合式教學班級。

4? 結論

在數字圖像處理課程中引入SPOC+PBL的混合式教學模式，利用豐富的MOOC資源構建異步SPOC課，基于PBL推動學生自主探究，鍛煉核心技能，培養學生批判性思維能力。在課程具體實施過程中，以高質量的項目實現為抓手，充分發揮課前自學、課中完成項目討論互評、課后測試總結等環節的作用，引導學生自主學習，小組合作使得學生能夠互相幫助互相激勵，增強學生的獲得感和榮譽感，最終提升學生的綜合能力。三個完整教學周期的教學效果及教學評價表明，此種以學生為主導、教師為引導的混合授課模式對數字圖像處理課程教學有著積極的促進作用。教學改革從未止步，今后，筆者將在完善教學資源的基礎上，進一步發揮混合式教學的作用，提升應用型人才培養質量。

5? 參考文獻

[1] 王歆天.始終把教育擺在優先發展的戰略位置：十八大

以來黨的教育民生思想實踐發展淺析[J].人民論壇，

2017（30）：82-83.

[2] 林建華.扎根中國大地辦大學 形成高水平人才培養體

系：學習貫徹習近平總書記在北京大學師生座談會上的

重要講話精神[J].學校黨建與思想教育，2018（21）：80-

81.

[3] 賈永紅，付仲良，孫和利.中國大學MOOC平臺數字圖像處

理在線開放課程的建設與應用[J].測繪通報，2018（12）：

144-147.

[4] 謝霞，劉瑤瑤.基于SPOC的研究性教學改革及效果探究

[J].中國教育技術裝備，2021（20）：102-104，107.

[5] 王勇.《數字圖像處理》課程教學改革探討[J].高等理

科教育，2000（4）：53-54.

[6] 李曉輝，吳蓓.“數字圖像處理”課程實驗改革與實驗

系統的研究[J].高等理科教育，2003（4）：100-103.

[7] 吳冬梅.融入研究性教學模式的《數字圖像處理》課程

教學改革[J].武漢大學學報（理學版），2012，58（S2）：

160-162.

[8] 李露，謝鳳英，姜志國，等.關于在實驗課程中培養研

究生創新實踐能力的探索：以數字圖像處理實驗課程教

學改革為例[J].實驗技術與管理，2010，27（11）：235-

237，248.

[9] 鄧繼忠，金濟，陳羽白.基于PBL模式的數字圖像處理

實踐教學探索[J].實驗室研究與探索，2012，31（9）：

139-141

[10] 王麗麗.基于SPOC的高校思想政治課教學探索[J].

教育理論與實踐，2021，41（15）：46-48.

[11] 胡曉霞，李博，李瑞，等.基于MOOC+SPOC的《數字圖

像處理》課程改革研究[J].電子測試，2022，36（2）：

123-124，132.

[12] 崔文超，鄒俊杰，汪方毅，等.OBE理念下項目驅動的

數字圖像處理教學研究[J].圖學學報，2020，41（6）：

1031-1038.

[13] 樊麗娜，張純磊，崔躍迎.“SPOC+PBL”混合式教學在

《數字印刷》中的實踐研究[J].包裝工程，2020，

41（S1）：192-197

[14] 陳明霞，方心靈，梁常杰，等.SPOC+PBL混合式教學模

式在配合飼料生產課程中的探索與實踐[J].黑龍江畜

牧獸醫，2021（24）：114-117.

[15] 王玨.“費曼學習法”教學原理分析及應用[J].廣西

職業技術學院學報，2020，13（4）：98-102，115.