數(shù)字圖像處理課程實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)改革探索

周文

關(guān)鍵詞：OBE；實(shí)踐教學(xué)；頭歌；虛擬環(huán)境

0 引言

在黨的二十大報(bào)告中，首次提出“推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展，構(gòu)建新一代信息技術(shù)、人工智能等一批新的增長(zhǎng)引擎”的宏偉藍(lán)圖。人工智能已上升為國(guó)家戰(zhàn)略地位，在此引領(lǐng)下，大學(xué)本科教育需要緊跟人工智能發(fā)展步伐和多學(xué)科交叉融合的發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)人工智能時(shí)代的工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力好、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力高的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才[1]。

在人工智能的研究領(lǐng)域中，機(jī)器視覺(jué)作為其最活躍的一個(gè)重點(diǎn)方向，其成果在無(wú)人駕駛、智慧交通、軍事裝備、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[2]，而數(shù)字圖像處理作為機(jī)器視覺(jué)方向的基礎(chǔ)課程，在國(guó)內(nèi)許多高校的信息電子類(lèi)及其相關(guān)學(xué)科中均已面向本科生開(kāi)設(shè)，課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力具有重要意義[3]。

2020年以來(lái)，伴隨著這種混合式教學(xué)模式的推廣、線上線下的切換、信息化教學(xué)平臺(tái)工具普遍使用，包括學(xué)習(xí)通、雨課堂、騰訊會(huì)議等，在教學(xué)過(guò)程中，教師將很容易獲取大量的教學(xué)數(shù)據(jù)，包括學(xué)生日常教學(xué)活動(dòng)（看視頻）、作業(yè)、測(cè)驗(yàn)等，而現(xiàn)行的教學(xué)方法中，對(duì)這些教學(xué)數(shù)據(jù)一般采用單一的評(píng)價(jià)方式，比如學(xué)習(xí)活動(dòng)占平時(shí)成績(jī)10%等，固定化、僵化的比率設(shè)置等，這些都制約和限制數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘。另外一方面，在客觀上，也造成學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣的養(yǎng)成，這表現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程的學(xué)生評(píng)價(jià)方式單一、針對(duì)性不強(qiáng)，同時(shí)對(duì)依賴(lài)信息化平臺(tái)固有的功能，如學(xué)習(xí)通上固定比率設(shè)置平時(shí)成績(jī)等。

2018年教育部引發(fā)《教學(xué)信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》[4]提出發(fā)揮技術(shù)來(lái)變革傳統(tǒng)教學(xué)模式，推進(jìn)新技術(shù)與教育教學(xué)從融合應(yīng)用階段邁入創(chuàng)新發(fā)展階段。大力推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，探索實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、個(gè)性化的教學(xué)[5]。特別與大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)融合創(chuàng)新，多元混合式教學(xué)研究創(chuàng)新日益廣泛深入，但混合式教學(xué)模式多態(tài)并存，尚未構(gòu)建有機(jī)統(tǒng)一教學(xué)體系與實(shí)施框架[6]。

1 問(wèn)題的提出

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，多元混合式教學(xué)漸漸成為新形態(tài)，采用教室課堂講授、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、課堂討論、項(xiàng)目實(shí)踐、學(xué)生分組匯報(bào)等多元教學(xué)方式，學(xué)習(xí)通、雨課堂、騰訊課堂、極客學(xué)習(xí)、頭歌等多種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、問(wèn)卷星、在線表格等多型交互式軟件工具，不僅僅包括線下線下的混合，還涵蓋多種信息化教學(xué)方式、平臺(tái)、工具、方法的混合，特別是與人工智能等技術(shù)融合創(chuàng)新，多元混合式教學(xué)研究創(chuàng)新日益迫切。已有的混合式教學(xué)往往針對(duì)理論教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)于課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，已有的教學(xué)方法往往單一和無(wú)效，主要存在問(wèn)題可歸納為三個(gè)方面：

1） 重結(jié)果輕過(guò)程

事實(shí)上，大多數(shù)的工科專(zhuān)業(yè)課程，其實(shí)踐環(huán)節(jié)考核主要依賴(lài)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)W生課程設(shè)計(jì)等，通過(guò)學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，而對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過(guò)程缺乏有效的評(píng)價(jià)體系，也不能反映在最終的成績(jī)中，往往流于形式。

2） 重理論輕實(shí)踐

數(shù)字圖像處理是建立在離散數(shù)學(xué)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)課程之上的一門(mén)實(shí)踐性極強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，其涉及多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，學(xué)科交叉繁雜，且新的應(yīng)用專(zhuān)題持續(xù)不斷涌現(xiàn)。同時(shí)，課程教學(xué)內(nèi)容豐富、算法眾多，很多知識(shí)點(diǎn)與其他課程都有很深的交叉和重疊，最終的考核往往集中在了解層面。在“以理論考核為主”的指揮棒下，學(xué)生會(huì)將更多的關(guān)注點(diǎn)集中到基礎(chǔ)理論知識(shí)的了解上，而對(duì)如何應(yīng)用這些理論知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題缺乏足夠的興趣，學(xué)生只能停留在知識(shí)的淺層，既不可能舉一反三，更談不上自主設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。

3） 缺乏實(shí)踐考核體系

對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效的考核，是促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的一個(gè)最重要的動(dòng)力之一，但是現(xiàn)有的考核方法，往往會(huì)造成被動(dòng)學(xué)習(xí)，表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果抄襲、實(shí)驗(yàn)報(bào)告雷同、課程設(shè)計(jì)流于形式等，也不能真正意義上達(dá)到“能者上，庸者下”的考核效果，甚至對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性產(chǎn)生一定程度上的打擊。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，文章以探索數(shù)字圖像處理課程實(shí)踐能力提高為契機(jī)，充分利用已有的混合式教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，通過(guò)搭建科學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)相關(guān)科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，為切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力服務(wù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力有效的提升，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了相關(guān)科學(xué)的設(shè)計(jì)。在數(shù)字圖像處理課程中（如表1） ，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了數(shù)字圖像處理的大多數(shù)章節(jié)，尤其是人工智能領(lǐng)域重點(diǎn)內(nèi)容之一——特征提取。為了能夠有效地評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以通關(guān)形式展開(kāi)，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)包含了11個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)（如表2） ，學(xué)生需要在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中完成任務(wù)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)未完成均有一次補(bǔ)交的機(jī)會(huì)，但是補(bǔ)交成績(jī)自動(dòng)扣除該任務(wù)20% 的成績(jī)，督促學(xué)生按時(shí)完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的通關(guān)時(shí)間和通關(guān)用時(shí)，作為學(xué)生成績(jī)的評(píng)定的依據(jù)，從而促使學(xué)生一定程度上能夠關(guān)注實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生完成人臉識(shí)別實(shí)驗(yàn)任務(wù)的通關(guān)情況如圖1所示。

3 方法的探索

3.1 提出的方法

數(shù)字圖像處理課程涵蓋的內(nèi)容廣、知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生需要通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)消化課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)。本課程選用的教材是岡薩雷斯等人編著《數(shù)字圖像處理》（第四版），它是國(guó)內(nèi)目前大多數(shù)高校選用的最經(jīng)典的教材之一。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，存在兩個(gè)主要問(wèn)題，一是教材內(nèi)容過(guò)多，敘述過(guò)于瑣細(xì)，很多高校將其作為研究生對(duì)應(yīng)的課程的指定教材。作為本科生很難掌握，尤其是沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)輔助，很難理解具體知識(shí)點(diǎn)；二是內(nèi)容復(fù)雜且晦澀難懂，很多專(zhuān)題具有很強(qiáng)的研究探索性質(zhì)。同時(shí)，由于該教材是由多人翻譯的原因，很多章節(jié)銜接不夠完整，導(dǎo)致課程章節(jié)間跳躍性較強(qiáng)；三是實(shí)踐驗(yàn)證案例缺乏，教材強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)，實(shí)踐實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏弱，盡管有Matlab版本的教材，但是內(nèi)容單一，靈活性差，且缺乏具體的實(shí)際應(yīng)用來(lái)輔助理解所學(xué)知識(shí)。

針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)建立完整的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)體系是提高學(xué)生理解課程內(nèi)容的重要環(huán)節(jié)，為此，針對(duì)教材中前10章，如下圖2所示，嘗試構(gòu)建相關(guān)的課程教學(xué)體系框架圖，具體來(lái)說(shuō)，為絕大多數(shù)的章節(jié)建立相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。理論章節(jié)分為10個(gè)部分，分別是圖像處理基礎(chǔ)、空間域變換與灰度變換、頻率域變換、圖像復(fù)原與重建、彩色圖像處理、圖像壓縮與水印、小波變換及其他變換、形態(tài)學(xué)處理、圖像分割、特征提取。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有11個(gè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)，11個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)（如圖2） 。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)鞏固學(xué)生理論知識(shí)，探索性實(shí)驗(yàn)對(duì)理論內(nèi)容擴(kuò)展，并將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)則是將理論知識(shí)運(yùn)用實(shí)際中，包括熱門(mén)的研究?jī)?nèi)容視頻追蹤和人臉識(shí)別。

3.2 任務(wù)設(shè)計(jì)

以人臉識(shí)別的實(shí)踐任務(wù)為例，人臉識(shí)別任務(wù)涉及圖像特征的提取，特征匹配等知識(shí)點(diǎn)，為此，在任務(wù)設(shè)計(jì)中，將具體闡述學(xué)生如何開(kāi)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教師如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如下圖3所示，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)流程由四個(gè)部分組成，即實(shí)驗(yàn)基本信息、代碼倉(cāng)庫(kù)、任務(wù)關(guān)卡、實(shí)驗(yàn)環(huán)境。其中，基本信息包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)基本情況的介紹、實(shí)驗(yàn)的要求等；代碼倉(cāng)庫(kù)主要包括代碼模板的編寫(xiě)，即缺省關(guān)鍵代碼的學(xué)生代碼，要求學(xué)生補(bǔ)全缺省的關(guān)鍵代碼，從而實(shí)現(xiàn)通關(guān)；關(guān)鍵關(guān)卡，包括測(cè)評(píng)設(shè)置，通過(guò)匹配學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和參考答案的結(jié)果，完全匹配則通過(guò)，否則提示學(xué)生結(jié)果有誤。實(shí)驗(yàn)環(huán)境是通過(guò)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，包括實(shí)驗(yàn)界面和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)界面包括代碼編寫(xiě)的界面，實(shí)驗(yàn)環(huán)境安裝了OpenCV軟件包。學(xué)生通過(guò)在設(shè)置好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成代碼編寫(xiě)，通過(guò)考核學(xué)生的動(dòng)手能力。

下面以人臉識(shí)別的實(shí)驗(yàn)任務(wù)為例說(shuō)明實(shí)驗(yàn)試劑的過(guò)程（如表3） ，該實(shí)驗(yàn)包括人臉的位置識(shí)別和人臉笑容的標(biāo)注，提供給用戶(hù)原始的圖像，學(xué)生通過(guò)編寫(xiě)缺省的關(guān)鍵代碼，實(shí)現(xiàn)輸出的結(jié)果。

3.3 教學(xué)設(shè)計(jì)

下面繼續(xù)以人臉識(shí)別實(shí)踐任務(wù)為例，詳細(xì)闡述課程教學(xué)設(shè)計(jì)的開(kāi)展過(guò)程。在實(shí)踐課程開(kāi)始前，教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)內(nèi)容，該例中，有兩個(gè)任務(wù)，即圖像中人臉識(shí)別和視頻中人臉識(shí)別。對(duì)于任務(wù)1，考查學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，探測(cè)出給出圖片中所有的人臉的位置、標(biāo)注所有人臉中的笑臉，由于笑臉是人臉的一個(gè)子類(lèi)，進(jìn)一步考查學(xué)生綜合所學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉和笑臉的檢測(cè)；對(duì)于任務(wù)2，考查學(xué)生應(yīng)用相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)視頻中人進(jìn)行追蹤和檢測(cè)，并用方框全部標(biāo)注出所有的人體外形，為了便于后期的結(jié)果匹配，任務(wù)已給定邊框的大小和顏色，以便可以快速對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷。

課程總體的流程安排如圖3所示，分為課程前、課程中、課程后三個(gè)階段。課程前，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括文檔的設(shè)計(jì)、代碼的設(shè)計(jì)、結(jié)果的判斷，其中結(jié)果的判斷是對(duì)學(xué)生代碼運(yùn)行結(jié)果和參考答案的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行匹配，完全匹配則反饋給學(xué)生通關(guān)，否則提示出錯(cuò)，要求學(xué)生修改。教師完成任務(wù)的設(shè)計(jì)后，發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)；課程中，教師角色主要是介紹實(shí)驗(yàn)的背景知識(shí)以及基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)要求，包括實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間、部分代碼解析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)判斷等，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)性地學(xué)習(xí)。學(xué)生首先進(jìn)入頭歌平臺(tái)，在閱讀教師事前編寫(xiě)好的任務(wù)了解、任務(wù)基礎(chǔ)知識(shí)、任務(wù)要求等后，進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，查看缺省關(guān)鍵代碼的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生的主要任務(wù)是補(bǔ)全任務(wù)缺省代碼、測(cè)驗(yàn)代碼，一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考結(jié)果一致時(shí)，系統(tǒng)提示學(xué)生通關(guān)成功，實(shí)驗(yàn)完成。此時(shí)平臺(tái)將記錄學(xué)生通關(guān)時(shí)間、通關(guān)質(zhì)量、通關(guān)排名等基礎(chǔ)信息，為后期對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析提供數(shù)據(jù)支撐；課程后，學(xué)生可以繼續(xù)完成，為了鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)課上完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)于課上完成的同學(xué)予以加分，課后超時(shí)完成的同學(xué)補(bǔ)交實(shí)驗(yàn)將予以扣分，從而促使學(xué)生積極完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

教師角色和學(xué)生角色任務(wù)完成流程圖（如圖4） ，教師在實(shí)驗(yàn)任務(wù)截至后，對(duì)學(xué)生完成的任務(wù)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，如果沒(méi)有通關(guān)，則該學(xué)生實(shí)驗(yàn)為無(wú)效實(shí)驗(yàn)，以0 分記錄，對(duì)于通關(guān)的實(shí)驗(yàn)，查看是否有效，主要包括是否在規(guī)定的時(shí)間完成，是否屬于補(bǔ)交實(shí)驗(yàn)，對(duì)于規(guī)定的時(shí)間完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)通過(guò)，以100分記錄學(xué)生成績(jī)，相應(yīng)的，補(bǔ)交的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，則需要扣除相應(yīng)成績(jī)。

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，需要根據(jù)任務(wù)要求，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)和提交，實(shí)驗(yàn)代碼部分則不需要提交。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的開(kāi)展，可以在一定程度上，有效地遏制學(xué)生抄襲代碼、杜撰實(shí)驗(yàn)結(jié)果等行為，督促學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

4 結(jié)論

數(shù)字圖像處理課程教學(xué)存在很多難點(diǎn)，如教學(xué)內(nèi)容多、實(shí)踐教學(xué)難，文章提出了教學(xué)實(shí)踐改革的初步探索。經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)際教學(xué)對(duì)比，取得了一定實(shí)際效果。如下表4所示，對(duì)近兩年的教學(xué)效果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，2023年采用了文章提出的方法，從結(jié)果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)平均得分有了一定的提高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成率得到顯著的提高。從實(shí)驗(yàn)完成情況來(lái)看，由于設(shè)置了通關(guān)的任務(wù)，實(shí)驗(yàn)針對(duì)性更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)完全情況得到顯著的改善。盡管如此，方法還需更長(zhǎng)的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程來(lái)驗(yàn)證，此外，它仍有一定的改進(jìn)的空間，包括內(nèi)容需進(jìn)一步合理化，課程的理論課程仍舊有一部分課程沒(méi)有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如小波變換；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需更合理，實(shí)驗(yàn)任務(wù)整體難度不高，綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)驅(qū)動(dòng)力不足，需要在接下來(lái)的后續(xù)教學(xué)實(shí)踐中，進(jìn)行深入總結(jié)和探索。為此，未來(lái)將通過(guò)與更多的實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)出更多、更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，使得數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)具有更強(qiáng)的啟發(fā)性和創(chuàng)造性，助力課程實(shí)踐教學(xué)改革。