基于應用型能力培養的數字圖像處理教學創新設計

摘要：數字圖像處理教學采用“以學生為中心”的翻轉課堂形式，精心設計課堂教學，引入學生喜聞樂見的工程實例，自然融入課程思政，能產生較好的教學效果，達到應用型人才培養目標。基于此，文章以灰度形態學為例，課前通過慕課平臺進行線上教學，讓學生得到初階認知；課中運用現代信息技術，引入實例和遞進式應用實踐，實現課程思政教學；課后結合慕課平臺，讓學生進行實踐操作，遞進式實現光電專業應用型本科人才育人成效。

關鍵詞：應用型能力培養；課程思政；數字圖像處理

一、引言

在課堂教學中，教師不僅要注重學生專業知識的學習，還要注重學生應用實踐能力、分析和解決問題能力、表達能力、人文情懷等綜合素質的提高，以協同努力來實現課程教學中的知識、能力、思維和素養目標，更要結合線上線下多維度信息化平臺，在課前、課中、課后提供全套信息資源體系，確保學生學習的多元化、個性化，增強學習效果。教師將課程內容與生產生活實際聯系起來，能使學生意識到課程知識與日常生活密切相關，培養學生綜合分析和解決復雜問題的能力。

灰度形態學是數字圖像處理課程的重要組成部分，教師采用線上線下混合式教學，可以讓學生在學習專業知識的過程中受到潛移默化的教育。

二、遞進案例式教學創新設計

在灰度形態學的教學中，教師充分發揮引導作用，加強對知識的梳理。第一，教師以工程中遇到的實際問題為出發點，采用成果導向教學理念，注重引導學生建立理論學習與實際應用之間的橋梁。第二，教師設計課堂互動環節，提高學生的課堂參與度，增強課堂教學效果。第三，教師以解決實際問題為導向，從理論層面的學習鞏固到實際應用，培養學生的工學思維與素養。第四，教師著力設計教學案例，啟發學生利用理論知識解決實際問題，使學生體會到學以致用的成就感。第五，教師利用智慧教室和教學互動App，合理設置問答、截屏提問、投票、小組討論、學生投屏分享等環節，通過小組合作的工程實踐反哺學生的理論知識學習，在培養學生線上自主學習能力的基礎上，在線下課堂提高學生團隊協作能力、表達溝通能力和工學思維能力。

數字圖像處理課堂教學遵循“發現問題—解決問題—提出新問題—解決新問題—拓展應用”的教學流程。以灰度形態學為例，首先，教師以問題引導式教學為手段，通過圖像分割之后的二值圖像還存在的問題導出形態學處理的重要性。教師通過展示現實生活中的一些數字圖像和圖像分割結果，讓學生自主發現分割結果存在的問題，引出進行形態學處理的必要性，以生動形象、環環相扣的導入手法，從課程教授的開始便牢牢抓住學生的注意力。其次，教師以“對象、行為、條件、標準”四要素結構明確表述本節課的教學目標，再明晰本節課的教學目標。接著，教師圍繞在線慕課平臺自學知識點對學生進行前測，調動學生對本節課教學重點的探索熱情。圍繞教學目標，教師對在線慕課平臺視頻包含的知識點進行前測，并就實時結果進行數據統計和錯誤分析。最后，以“圖像銳化”“消除真實圖片中不均勻背景”“粒度分析”三種現實生活中常見的圖像處理問題為例，教師通過頭腦風暴、小組討論等方式引導學生將理論分析的形態學運算與解決實際問題相關聯。教師只做引導和總結，使學生成為學習活動的主體，引導學生自主將形態學運算應用于解決真實圖片處理的實際難題，讓學生能夠學以致用，形成在特定約束條件下運用基礎理論解決實際問題的工學思維與素養。

三、灰度形態學教學實施流程

圖1為灰度形態學教學實施流程。

（一）課前線上教學

在慕課平臺發布學習視頻與作業，學生可以通過“知到”App或智慧樹進行在線學習，完成相關的作業。線上視頻經過授課教師挑選和梳理，并輔以詳細講解和演示，學生可以對知識有初階的認知（記憶和理解）。本章節的線上視頻共6個，分別為問題的提出、二值圖像集合運算和邏輯運算、膨脹與腐蝕、膨脹與腐蝕的組合、圖像的標記預測量、灰度形態學的應用。通過在線學習，學生了解了膨脹與腐蝕的定義，掌握了膨脹和腐蝕運算、開運算、閉運算、擊中或擊不中變換。

在學習視頻知識后，過關測試能讓學生了解自己的學習效果，同時給教師的線下授課提供教學方向。同時，學生可以在“知到”App或智慧樹的“問答”模塊參與課程討論，提出自己的問題，回答別人的提問。在線討論可以實現學生間的交流，學生能夠相互啟發，在解決疑惑的同時，探索出新的問題，獲得新的收獲，更好地掌握灰度形態學的基本知識。

（二）課中線下教學

1.問題導入、啟發思考——明確目標

教師提出問題：“經過圖像分割后獲得了目標物與非目標物兩種不同的對象，但是提取出的目標物存在哪些問題呢？”接著，教師舉例“提取的目標存在偽目標物、多個目標中存在粘連或斷裂”等情況，設置懸念，引入形態學處理的重要性，吸引學生的注意力。學生發散思維，積極參與互動，思考回答教師的引導性問題，闡述自己所思所想。與學生互動后，教師總結問題，表述灰度形態學課程的學習目標：運用腐蝕、膨脹、開運算和閉運算四種基本的形態學運算，進行形態學典型應用的分析和實現。

2.問題前測——理論分析

教師針對學生線上視頻自學和課前作業提交的情況，圍繞教學目標對學生進行前測，提出問題：“什么是灰度形態學？請簡要解釋其基本原理和應用領域。描述一種常見的灰度形態學操作，如灰度腐蝕或灰度膨脹，包括其如何影響圖像的方式。為什么在圖像處理中使用灰度形態學操作？請舉例說明其在實際應用中的價值和重要性。”學生在線作答，然后教師統計學生的提交結果，針對出錯較多的知識點著重點評。

前測后，教師進行課前作業點評，學生實時投屏分享解題思路和結果，其他學生進行分析和點評，共同發現和解決作業存在的問題。教師以頭腦風暴的方式，讓學生互相評價和提出建議，由此引入主題——灰度形態學的應用。

3.應用一：形態學銳化

第一，教師復習空間域圖像銳化的各種方法和思路，引出形態學銳化的特點，提出問題：“對于某個具體圖像，如何進行銳化？”第二，教師通過提出實例，激發學生的探索欲，引導學生使用腐蝕和膨脹結合的方法解決問題。第三，針對教師提出的問題，學生展開小組討論，并分享思路和方案。教師給出點評和總結，同時講解知識點。

膨脹運算是對圖像進行擴張和增大的一種操作。它可以使目標物體變得更圓滑，同時去除孔洞和內部噪聲，使物體形態更加清晰明了。腐蝕運算是一種對圖像進行收縮和縮小的操作。它可以使物體邊緣變得更加精細和明顯，同時可以消除細小連接和孤立細節。常用的形態學梯度用腐蝕和膨脹之間的算術差來計算。

4.應用二：消除不均勻背

教師復習圖像分割的各種方法和思路，全局閾值分割的原理和思路，并提出問題：“對于背景不均勻的圖像，進行全局閾值分割，會出現什么樣的問題？為什么？”接下來，教師列舉實例，提出問題，激發學生對已學知識點的鞏固和應用，引導學生使用形態學處理方法來解決因背景不均勻而導致的不完全分割問題。解決這一問題需要消除不均勻背景，而消除不均勻背景，就是要對背景進行合理估計。教師通過小組合作學習的方式，將背景估計問題交給學生進行討論，學生以搶答的形式到講臺分享。

對圖像進行開運算是可以產生對整個圖像背景的合理估計的，前提是只要結構元素達到不能完全匹配對象即可。教師進一步引出頂帽變換的概念和定義，介紹頂帽變換的定義，換一種方式實現應用而需要解決的問題。頂帽變換基于圖像的開運算和原始圖像之間的差異。開運算是先對圖像進行腐蝕操作，然后進行膨脹操作，目的是平滑和細化圖像中的細小結構。?知識點的直接堆砌不易讓學生與本節課的教學重點相聯系，教師從問題出發，再到原因分析，利用前測得到的結論，最終落腳在應用，更易于學生吸收知識點。

5.應用三：顆粒分析

教師介紹顆粒分析的界定和應用。顆粒分析是分析顆粒的大小分布，其基本思想是，當對包含相似尺寸顆粒的圖像區域進行開運算時，處理效果最佳。具體實現方法是，通過計算輸入圖像和輸出圖像之間的差異，可以估算出相似尺寸顆粒的相對數量。介紹基礎知識后，教師講解實例，并提出問題：“如何對給定的圖像進行粒度分析？”學生針對問題分組討論，實時投屏，教師給每組進行輔導和答疑。最后，教師總結實現過程，進一步分析上述結果存在的問題，引出圖像去噪的預處理，分析圖像預處理問題，先對圖像進行形態學平滑，再進行顆粒分析，會使結果更加直觀準確。

（三）課后線下實踐與線上指導

理論學習需要與實踐相結合。在課堂教學結束后，教師在慕課平臺發布學習任務：對印刷圖像進行圖像分割和形態學處理，提取圖片中的時間數字。學生運用數字分析軟件MATLAB進行實踐操作，提交完成后的結果。教師在線進行指導，通過實踐操作讓學生更好地掌握課堂知識。

四、結語

數字圖像處理課程以提高學生核心能力、解決實際問題的實踐應用能力為核心，注重線上線下教學資源的優質性與適用性，運用數字化教學工具，有效開展了線上線下密切銜接的混合式教學活動。

灰度形態學的教學充分體現了學生是課程主體這一教學理念。在教學過程中，課堂氣氛活躍、學生參與度高、互動頻繁，學生反饋效果佳，圓滿完成預期的教學目標。

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基金項目：湖南省教育規劃課題“新工科背景下地方高校光電工程專業人才核心能力培養研究”，項目編號：XJK19QGD004。

（作者單位：湖南文理學院數理學院/信息檢測與智能處理技術湖南省高校重點實驗室）