基于OBE理念的教學方法改革與實踐

孟祥超　陸金泉　許高明　符冉迪　邵楓

摘? 要：數字圖像處理作為大多數理工類和綜合類院校的一門新興交叉課程，該課程具有發展速度快、內容覆蓋面廣、理論難度大和實踐要求高的特點。然而，其教學過程往往存在課程教學氣氛單調、學生主動性、積極性不高；課程實驗任務簡單，學生解決復雜問題能力培養不足，以及教學評價依賴期末考核，缺乏動態、完善的評價機制等問題。該文針對這些問題，提出基于OBE理念的數字圖像處理教學方法，在“學導互促”教學、項目驅動式教學、動態評價的教學機制三個方面進行探索與實踐，培養學生的創新和解決復雜工程問題的能力，提高本科生教學質量。

關鍵詞：數字圖像處理；教學方法改革；OBE理念；項目驅動；動態評價

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0048-04

Abstract： Digital Image Processing is an important and basic course offered by many science and engineering universities or comprehensive universities. It has distinct characteristics in the fast development， wide coverage content， high theoretical difficulty and high practical requirements. However， the teaching process is commonly teacher-centered， and the students lack the ability to solve the complex engineering problems， also the dynamic evaluation is insufficiency in the teaching process. In this paper， we proposed the teaching method based on OBE concept in Digital Image Processing. We make the exploration and practice in three aspects： the teaching with mutual improvement in learning and teaching， the project-driven teaching， and the teaching with dynamic evaluation. The proposed teaching method in Digital Image Processing under OBE can cultivate the ability of innovation and the solution of the complex engineering problems for the students， and to improve the teaching quality of the Digital Image Processing course.

Keywords： Digital Image Processing; teaching method revolution; OBE teaching concept; project driven; dynamic evaluation

OBE（Outcome based Education，OBE）作為一種先進的教育理念，是一種以成果為目標導向，以學生為本的理念，該理念又稱為成果導向教育或目標導向教育[1-4]。OBE教育理念最早是1994年，由稱為“OBE之父”的美國學者威廉·斯派蒂（Spady W D.）提出，是指“教育系統中的每一項活動設計都應基于最終的學習者學習成果”[5-9]，斯派蒂在其專著《基于成果的教育：關鍵問題與答案》（Outcome-based Education： Critical Issues and Answers）[10]中指出OBE理念的兩個主要內容：一方面學生畢業后具備步入社會所需要的知識、能力和素質；另一方面，加強學校教學，使所有學生都能夠實現具有所需要的知識、能力和素質。OBE教育理念重視學生學習過程的學習興趣和積極性，尤其重視學生解決復雜工程問題能力的培養，此外，OBE教育理念重視學習的持續改進與創新。目前，OBE教育理念已在美國、加拿大等國家產生較大影響力。隨著2016年我國工程教育正式加入《華盛頓協議》，我國向工程人才培養的國際化邁出了重要一步[11-13]，而工程教育專業認證的核心理念即OBE理念。因此，近年來，我國對OBE理念下的教育模式也在不斷深入研究，并逐步得到認可。

數字圖像處理作為通信工程、計算機科學與技術、電子信息科學與技術、測繪科學與技術等工科類專業本科生的一門熱門課程，同時也是新時期大多數理工類和綜合類院校大數據、人工智能等新工科專業的一門新興交叉學科[14-17]，具有理論性和實踐性均較強的特點，但其教學過程具有教學內容相對抽象、公式多而復雜、理論難度大和實踐要求高的特點[18-20]，傳統教學模式以教師主動進行知識灌輸、學生被動接收知識為主，尤其對于理論性較強的數字圖像處理課程[21-23]，表現為明顯的課堂教學氣氛單調，學生學習的主動性和積極性較低，即使學生掌握了相關知識，但仍有較多學生對知識缺乏辯證性理解，過于相信書本權威。此外，數字圖像處理課程實踐性較強，多數開課院校存在實驗教學，但根據筆者廣泛調研[24-34]，大多數院校設計的實驗過于簡單，難以培養學生解決復雜工程問題的能力。因此，傳統數字圖像處理教學模式對學生的目標導向教育考慮不足，學生課程學完后，仍難以解決實際中的圖像處理任務，不能滿足該課程對學生的培養需求，迫切需要改革其教學方法。改革并實踐以“學生為中心、以產出為導向”的數字圖像處理課程教學新模式。

本文以數字圖像處理課程為例，通過課程教學與廣泛調研，分析了數字圖像處理課程教學過程中存在的問題，提出了OBE理念下的數字圖像處理課程教學理論與方法。

一? 數字圖像處理傳統教學存在的問題

（一）? 課程教學氣氛單調、學生主動性、積極性不高

數字圖像處理課程數學公式多而復雜、晦澀難懂，教學內容相對抽象，導致學生對原理內涵的理解產生畏難心理。然而，傳統數字圖像處理教學模式仍然以教師“主動教”、學生“被動學”為主，教師將課程知識點灌輸于學生，未充分調動學生的學習主動性、積極性。學生在“被動學”后，多數學生對所“學”知識點思考少，理解不深甚至不理解，更不能辯證地看待所學知識，導致過于相信所謂的課本權威。

（二）? 課程實驗任務簡單，學生解決復雜問題能力培養不足

傳統教學模式下的數字圖像處理實驗任務過于細化，如空間濾波、頻率域濾波、灰度變換分為三個實驗，編程實驗要求較為簡單，而三者均屬于圖像增強的范疇。此外，傳統教學模式下，教師往往把很小的知識點作為實驗任務，如在圖像去噪中，基于模擬的圖像高斯噪聲、椒鹽噪聲布置實驗任務，對實際圖像中存在的混合噪聲考慮不足。學生在編程實驗中，通過一堂課完成實驗，甚至多數不能完成實驗。因此，現有實驗設計對復雜工程問題考慮不足，學生分析、解決復雜工程問題的能力培養不足。

（三）? 教學評價依賴期末考核，缺乏動態完善的評價機制

傳統教學模式下學生的學習效果的評價主要包括學生平時考勤、實驗成績和期末成績三方面，在部分已獲工程認證專業中，會根據學生的期末考試成績進行達成度分析。但該評價模式，仍然屬于“靜態評價”，難以及時充分掌握學生平時的學習達成度狀況，存在評價過程相對靜態、評價機制不完善的問題，導致不能及時的對學生所學知識點進行評價與針對性指導，長此以往，學生很難較好地掌握所學知識。此外，現有評價對課程相關學科競賽、科研任務、工程任務等考慮不足，評價機制不夠靈活完善。

二? OBE理念下數字圖像處理教學

本文針對數字圖像處理傳統教學模式存在的課程教學氣氛單調、學生主動性、積極性不高，課程實驗任務簡單，學生解決復雜問題能力培養不足，以及教學評價依賴期末考核，缺乏動態、完善的評價機制等問題，提出OBE理念下的數字圖像處理教學方法，包括學導互促課堂教學、項目驅動式實踐教學、教學過程的動態評價（圖1）。

（一）? 學導互促課堂教學

針對以往教學以教材為中心、以老師為中心，學生“學”和教師“導”相互分離的問題，在教學過程中放棄單向知識灌溉的方式，在課程教授過程中采用雙向溝通的方式，首先學生在課堂上不僅聽教師授課，而且還能提出自己的見解、觀點，與教師、同學共同探索知識，使課堂教學由原來的單純傳授知識轉變為一個探索知識的過程。通過這種教學方式充分發揮學生的主動性，激發學生的學習興趣，激活學生的創造性思維，發揮學生的自主學習精神，讓學生由以前單純的受教育者轉變為課堂真正的主人。這里筆者選了“略講-自學-互動-精講”深化教學流程來實現“學-導互促”的教學模式。

如在數字圖像處理課程第一章知識講解的課程中，略講是介紹生活中天氣好與不良天氣下的拍照經驗，生活中醫院診療CT成像、核磁共振圖像存在的優勢與缺點等，并簡要地介紹圖片增強的算法，以提升學生們自學的興趣，消除學生對于下一堂課的畏難情緒，在下一節課上學生可以通過自學提出自己存疑與感興趣的地方，老師再進行具體的疑難解答和詳細的細節講解，包括具體的圖像算法增強在現實應用的詳細原理與步驟，使學生可以生動地掌握課本知識，深化是指在課堂精講后，教師設置的思考題與文獻查閱訓練等方式，讓學生深化專業知識并進一步延伸。例如，可以讓學生考慮不同圖像增強算法之間的優惡性，鼓勵學生可以嘗試對于缺點進行改進的嘗試。此外，以分組形式，設立團隊隊長和隊員，學生根據大綱內容和學習進展主動檢索文獻，調研國內外前沿進展，鼓勵學生對傳統理論的大膽質疑和創新突破，以團隊形式進行部分課程知識的講解，通過學-導互促教學， 提升學生在課堂上的學習積極性和主動性。

（二）項目驅動式實踐教學

對以往實驗課程教學存在任務簡單，對學生解決復雜工程問題的能力培養不足的問題，研究面向復雜工程問題的實驗設計方案，改革并實踐基于項目驅動的實踐教學模式，提升學生解決復雜工程問題的能力。

基于國際工程教育改革的最新成果CDIO（Conceive（構思）；Design（（設計）；Implement（實現）；Operate（運作）），改革現有數字圖像處理課程實驗教學模式。根據工程教育專業認證對數字圖像處理課程的畢業要求和指標點，整合課程章節知識點，以項目形式重新設計課程實驗內容和目標，如將現有大綱中“基于灰度變換的空間域圖像增強”“基于空間濾波的空間域圖像增強”“頻率域圖像增強”三個實驗整合為一個實驗項目， 以圖像去云、去霧、水下圖像增強等來源于實際生活以及科研項目中的案例作為實驗素材，讓學生以團隊形式全程參與復雜工程問題分析、文獻檢索、 提出解決方案、編程實驗和結果反饋與優化等，培養學生分析、解決復雜工程問題的能力。比如，以往實驗課的實驗設計針對的單一知識點，整體知識體系離散，當學生解決復雜工程問題時難以將所學實驗知識應用。因此筆者在數字圖像處理的實驗課上進行了改革，提出“知識-應用”結合的實驗課程設計方法。例如將頻率域濾波章節的簡單實驗，同現實生活中對于圖像增強算法的結合，形成完整的知識“學習-應用”體系，讓實驗不是簡單地將圖片轉化到頻率域，更加上圖像增強算法如何對于圖像頻率域的處理以達到圖像增強目的的相關實驗。鼓勵學生參加國際國內的學科競賽，與相關知識結合的數學建模比賽，提高學生對于實驗動手的能力與興趣，從而培養學生解決實際復雜問題的能力。

（三）教學過程的動態評價

針對以往教學成績評定只是針對于學生的課程簽到、期末的筆試與上機測試進行考量，對于學生學習過程中缺乏及時的反應與體現，難以及時充分掌握學生平時的學習達成度狀況，改革并實踐動態的評價模式，及時掌握學生的學習狀況，并將發現的問題針對性反饋給每位學生，使學生及時發現問題，改進并優化學生的學習目標和學習方法，以達到更好的學習效果。

以數字圖像處理課程為例，如在教學過程中及時對學生進行測驗，并以線上、線下等多種方式鼓勵學生積極反饋學習過程中的問題，及時掌握學生的學習狀況。此外，在數字圖像處理課程教學中，針對以往教學成績評定對學生專業實踐能力考慮不足的問題， 鼓勵并組織學生參加學科競賽實踐活動，并提高學生學科競賽、項目實踐和創新能力在成績綜合評定中的比重，如根據學科競賽獲獎、獨立完成一項專業項目實踐，并取得導師認可，以及對圖像處理技術的創新性改進等作為專業活動評分標準，聯合學生的考試成績、實驗課程成績以及平時成績等對學生綜合評定。此外，將發現問題及時、動態地反饋給每位學生，使學生在學習的過程中能夠及時發現問題，改進并優化學習目標與方式，以達到更好的學習效果。

三結束語

本文基于筆者在數字圖像處理課程教學中的實踐與調查，分析了數字圖像處理傳統教學模式存在的問題，包括課程教學氣氛單調，學生主動性、積極性不高；課程實驗任務簡單，學生解決復雜問題能力培養不足；教學評價依賴期末考核，缺乏動態、完善的評價機制等，并有針對性地提出OBE理念下的數字圖像處理課程教學方法，包括學導互促課堂教學、項目驅動式實踐教學、教學過程的動態評價。此外，筆者將在實際教學過程中針對具體問題進一步改進與實踐，提升數字圖像處理課程的教學質量。

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基金項目：寧波大學教學研究項目“OBE理念下《數字圖像處理》課程教學改革與實踐”（JYXMXYB2021068）；寧波大學教學研究項目“2022版本科專業人才培養方案的優化研究——以通信工程專業為例”（JYXMXZD2021022）；國家自然科學基金“云覆蓋光學遙感影像的時-空-譜融合方法研究”（41801252）

第一作者簡介：孟祥超（1989-），男，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為圖像處理。

*通信作者：許高明（1985-），男，漢族，山東臨沂人，博士，副教授。研究方向為智能射頻技術。