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        “數(shù)字圖像處理”理論與實踐相結(jié)合的教材建設(shè)

        2009-05-22 03:38:02楊淑瑩
        計算機教育 2009年6期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像處理網(wǎng)絡(luò)教學圖像處理

        摘要:針對“數(shù)字圖像處理”技術(shù)課程理論與實踐密切相關(guān)的要求,“數(shù)字圖像處理”課程需要加強實踐的教學環(huán)節(jié)。在課堂教學上,教師應(yīng)提供實踐模仿環(huán)節(jié),因此這對教材提出了新的要求。本文探討了“數(shù)字圖像處理”課程理論與實踐相結(jié)合的教材建設(shè)思路,為進一步改善課程效果,提高學生的實踐能力奠定堅實的基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:圖像處理;教學方法;網(wǎng)絡(luò)教學

        中圖分類號:G642

        文獻標識碼:B

        1 “數(shù)字圖像處理”課程教材改革的分析

        “數(shù)字圖像處理”是一門講授如何用計算機對圖像進行處理的學科,本課程主要講解數(shù)字圖像處理和分析的基本原理和方法,并且強調(diào)編程實踐和建立圖像處理應(yīng)用系統(tǒng)的方法。教學的基本要求是:了解數(shù)字圖像處理的基本概念;了解圖像處理技術(shù)相關(guān)科學和領(lǐng)域的情況及圖像處理和分析的組成系統(tǒng)和模塊;掌握利用計算機語言進行圖像處理的基本編程方法。

        “數(shù)字圖像處理”課程起點高、難度大,理論性很強。學生在學習時,普遍感到概念抽象,對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。為了讓學生既能夠掌握基本理論,又能鍛煉其動手能力,我們亟需擁有理論與實踐緊密結(jié)合的“數(shù)字圖像處理”教材。20世紀90年代,“數(shù)字圖像處理”應(yīng)用教材以理論介紹為主,高校大多采用翻譯的國外教材進行純理論教學。隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,翻譯教材內(nèi)容苦澀難懂,理論與實際相脫節(jié),與圖像處理技術(shù)快速發(fā)展的矛盾更加突出,因而“數(shù)字圖像處理技術(shù)”課程的教材處于不斷完善與發(fā)展的階段,雖然該課程內(nèi)容的教學用書已越來越多,但總體形式上還存在以下二個缺點:

        一是大部分教材偏于理論,少于實踐方法的介紹。能做到理論與實踐相結(jié)合的圖書很少,學習者往往會被苦澀難懂的理論迷惑,不利于建立對圖像處理整個概念的認識。

        二是適合課堂系統(tǒng)教學的教材少,能貼近課堂教學,結(jié)合學生專業(yè)特色及圖像處理技巧的圖書偏少。一些比較好的教學用書價格偏貴,限制了教師的選擇。

        從目前來看,國內(nèi)出版業(yè)已經(jīng)認識到此類課程的課堂教學和實踐的聯(lián)系與區(qū)別,例如2006年初提出的國家“十一五”高等院校應(yīng)用型規(guī)劃教材的建設(shè),即是針對一些理論與實踐相結(jié)合的專業(yè)課程進行的專項教材改革。而對教師來講,應(yīng)該把握課程教學的實際需要,發(fā)揮熟悉實際教學過程的優(yōu)勢,成為課程優(yōu)質(zhì)教材建設(shè)的主導者和推動者。

        2 “數(shù)字圖像處理”課程教材建設(shè)的思路

        “數(shù)字圖像處理”理論性和實踐性都很強,學生要通過理論學習,掌握圖像處理必要的方法,再進一步通過實踐編程操作,通過眼、手、腦、心并用發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,從而培養(yǎng)出自身的實踐動手能力。這就要求我們應(yīng)加強實踐的教學環(huán)節(jié)。實踐環(huán)節(jié)可以分為:課堂模仿、綜合實驗、設(shè)計實驗三個層次。課堂模仿是對基本編程方法的掌握,它是實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ),模仿階段需要教師提供編程框架,編程思路,基本的處理方法,提供樣例;綜合實驗是對一個教學環(huán)節(jié)的小結(jié)性練習;設(shè)計實驗是整個學期結(jié)束前進行的內(nèi)容,它是包含整門課程的基礎(chǔ)知識和編程技巧的一個大作業(yè),其中有很大一部分空間是讓學生自我發(fā)揮的,這是對學生綜合運用所學知識解決問題能力的一個考查。教師將根據(jù)學生完成作業(yè)的復(fù)雜程度來評定成績。

        “數(shù)字圖像處理”課程教學不能脫離計算機,僅僅紙上談兵是不夠的。課堂上不能只介紹理論,使學生理論與實際相脫離,課下或在實踐中無從下手。同時,課堂上也不能花大量的時間講解復(fù)雜程序框架下的實現(xiàn)代碼。這就要求教師在課堂上既要闡述理論的來由和作用,又要提供基于理論的處理方法,即提供模仿案例,熏陶學生處理的思路和編程的技巧。

        2.1注重理論與實踐相結(jié)合

        在“數(shù)學圖像處理”課程的教學過程中,需要將圖像處理算法產(chǎn)生的作用、過程進行闡述,更需要對算法的作用進行驗證,加強學生對理論的認識和科學思維能力。從而將理論與實踐緊密結(jié)合起來,使學生認識更加具體、生動,印象深刻,牢固掌握所學知識。

        為力戒“教師滿堂灌,學生記筆記”的教學模式,使學生拋棄“上課記筆記,考試考筆記,考完扔筆記”的學習習慣,遵循有利于發(fā)揮“學生是教育主體”、有利于學生“學會學習”、有利于學生創(chuàng)新能力和素質(zhì)的培養(yǎng)、有利于實現(xiàn)教學目標和促進學生個性的發(fā)展、有利于師生彼此促進共同進步的原則,針對數(shù)字圖像處理學科的特點,我們在教材編寫上采取了以下改革措施:

        第一,加強基礎(chǔ)理論教學,貫徹“少而精”原則。數(shù)字圖像處理內(nèi)容豐富,應(yīng)用廣,我們一方面注重基礎(chǔ)理論教學,另一方面注意精選講授內(nèi)容,貫徹“少而精”原則,突出重點,使學生在有限的學時內(nèi)有最大的收獲。我們將各章由淺入深,由表及里,逐漸加深教學內(nèi)容。

        第二,在教材編寫上突出理論與實踐相結(jié)合的特點,對于每一個理論介紹,力求先講授內(nèi)容,再介紹理論實現(xiàn)的方法和步驟,進一步介紹理論實現(xiàn)的代碼,精心選取具有說服力的圖像,或自己動手制作圖品。通過運行代碼,立即可見講授內(nèi)容的效果,使學生既學習了基本理論,又見到理論的實現(xiàn)方法和實現(xiàn)效果,加深學生對理論的理解,激發(fā)學生的興趣,而且在理論素養(yǎng)和方法應(yīng)用方面都有收獲和體會。

        如圖像的邊緣檢測講述中,需要先介紹一階微分,二階微分,雙向微分理論分析及其作用,同時采用可以說明的實例進行驗證,如圖1所示。圖(a)代表原圖,圖(b)、(c)、(d)分別顯示縱向一次微分、橫向一次微分和雙向微分的效果,從這四幅圖非常容易理解算法的作用和效果。

        第三,圍繞圖像處理課程學時少,理論難度大,綜合性強,實現(xiàn)復(fù)雜等特點,筆者精心開發(fā)了一套有利于教學的圖像處理理論與實踐軟件,配合教材講解。在實現(xiàn)代碼上先介紹理論的實現(xiàn)步驟,如圖2所示;再介紹核心代碼,如圖3所示,代碼按照理論的步驟編寫,力求短小精悍,全書變量統(tǒng)一。

        第四,注重實踐教學效果的檢驗。為了看到理論實踐的效果,開發(fā)軟件時,在程序框架上開發(fā)左右兩個視窗,左視窗顯示原圖,右視窗顯示處理后的效果圖,通過左右對比,學生會立刻看到處理的效果,加強對理論的理解,如圖4所示。

        2.2注重學生實踐能力的培養(yǎng)

        在教學過程中,注重學生實踐能力的培養(yǎng)是十分重要的。圖像處理在實踐中最常用的開發(fā)工具是Visual C++6.0,通過該工具開發(fā)圖像處理程序,必須掌握圖像數(shù)據(jù)的文件存儲格式,圖像數(shù)據(jù)的一般處理方法,內(nèi)存的開辟和釋放,指針的操作,圖像的顯示等編程技巧。因此,課堂上教師有必要闡述基本理論、基本概念,還需要十分注重理論的實現(xiàn)方法,通過實踐反過來驗證理論的可行性和效果。

        在教材上Visual C++6.0,給出每一個理論的實現(xiàn)步驟和源代碼,學生在學習了C++語言或Visual C++6.0基礎(chǔ)之上,進一步學習圖像處理的編程實現(xiàn)方法,能夠進一步提高學生的編程能力、實踐能力、綜合應(yīng)用能力。本書的程序都是由VC++編程實現(xiàn),基本上采用了每章或一個相關(guān)內(nèi)容一個編程實例,使讀者能夠快速地查到相應(yīng)圖像處理技術(shù)的編程代碼,很快掌握圖像處理編程的方法,為本領(lǐng)域的研究打下堅實的基礎(chǔ),提高獨立承擔科研項目開發(fā)的能力。

        2.3重視教學的可擴充性

        在新的教材建設(shè)中,通過筆者開發(fā)的VC++圖像處理程序這一軟件來進行圖像處理的具體表現(xiàn),因此教材以VC++圖像處理程序軟件為主要介紹對象,以圖像處理的背景知識為基礎(chǔ),以軟件的功能應(yīng)用為索引,使整個圖像處理的學習內(nèi)容,盡量融入到具體實踐中去。針對各章開發(fā)一個項目,將不同的內(nèi)容軟件分別開發(fā),不會造成變量過多,代碼龐大,學生學習起來目標明確,減少干擾。在此基礎(chǔ)上,教師可以啟發(fā)學生進一步開發(fā)新的處理算法,或指導學生綜合應(yīng)用開發(fā)。

        3合理利用教材的有效空間

        教材中的內(nèi)容一般都是比較成熟的、學科中公認的知識,因此,編寫好的教材關(guān)鍵是作者的用心。教材是教師教學活動的沉淀與積累,教材建設(shè)的重點是要在學科知識的基礎(chǔ)上,以學生的實際情況和需要為根本。在這個基礎(chǔ)上,教材的創(chuàng)新更體現(xiàn)在教師對教學內(nèi)容的編排與形式的創(chuàng)新上。

        教材建設(shè)必須要體現(xiàn)一定的社會效益和經(jīng)濟效益,一本好的教材要考慮到出版社和讀者雙方面的感受。作為計算機類的教材,一般來說專業(yè)軟件課程,目前的價格主要保持在40元以下,400頁以內(nèi)。這對教材作者是一個潛在的篇幅限制,在教材的規(guī)劃中要加以衡量,否則是不便于推廣的。在我們的教材規(guī)劃中,同樣受到這樣一個限制,如果只是理想地追求理論與實踐相結(jié)合,那么教材的厚度將大大增加,從而帶來下一個計算機圖書的普遍毛病,就是理論與實踐相結(jié)合的書有的是,但價格偏貴,只適合于作為課后參考或工具書,而不便于教學使用,不能擔任教材的角色。

        在圖像處理的軟件開發(fā)上支持兩種常用的文件格式,它們分別是8位位圖和24位真彩色位圖,學生可以同時看到兩種位圖的不同處理方法,為了節(jié)省篇幅,教材上只介紹短小的8位位圖的處理程序代碼。這大大提高了書本空間的實際利用率,從而解決了教材建設(shè)中成本與效益的矛盾,也能很快為出版社所接受。

        4運用網(wǎng)絡(luò)平臺提供教學資源

        隨著網(wǎng)絡(luò)普及的日益廣泛,在教學手段上,建議使用網(wǎng)絡(luò)進行“數(shù)字圖像處理”輔助教學,這樣可以極大提高教學效率。主要優(yōu)勢有:

        (1) 資源共享,省時省力。網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)勢在于資源共享,管理方便。當前,隨著教學改革的深化和現(xiàn)代信息技術(shù)在教學中的應(yīng)用,越來越多的高等院校已把電子課件引人到教學中。目前,出版社為教師提供的免費電子課件受到教師的普遍歡迎,教師們已把提供配套電子課件作為教材選購的一項要求。在教材建設(shè)中應(yīng)該對多媒體和電子教案的運用給予很大的重視,它們既能幫助學生直觀地理解教學內(nèi)容,也能節(jié)約教師大量的文稿組織時間,從而把更多精力投人到課程內(nèi)涵中去。因此,在教材中配合書本知識課堂教學制作了詳細的電子教案,這在方便教學過程、提高學生自學和鞏固學習效果方面,起到了很好的促進作用。

        (2) 共享教學課件,利于學生掌握操作知識。直觀的教學課件能幫助學生理解復(fù)雜的操作步驟和抽象的概念。如果學生希望復(fù)習,在網(wǎng)絡(luò)中能找到課件,那將對他的復(fù)習非常有益。

        (3) 利于教學互動。學生可以將練習的圖像作業(yè)放在網(wǎng)絡(luò)一個固定的地方,這樣就不但便于教師批改,而且便于與同學之間的交流。

        網(wǎng)絡(luò)是當前知識傳播的重要途徑,在新教材的建設(shè)中,引入并建設(shè)網(wǎng)絡(luò)互動平臺是當前立體化教材的重要特征。在對課程教材的改革中,也引入了網(wǎng)絡(luò)平臺的信息互動優(yōu)點,與教材同步配套建設(shè)了學習的交流平臺?,F(xiàn)在,只要使用我們教材的學習者,都可以登陸天津理工大學計算機學院《數(shù)字圖像處理》精品課網(wǎng)站和教材作者一同學習與交流。教師在以后的授課過程中,也可以充分運用網(wǎng)絡(luò)手段,指導本校乃至外地的學習者一同學習和交流。有了網(wǎng)絡(luò)平臺的跨地域優(yōu)勢,教師還可以進一步組建專業(yè)學習的社區(qū),整合本地和遠程的教學資源,達到良好的課后交流與共同學習的目的。

        5課程教材建設(shè)的實踐效果

        2000年天津理工大學計算機科學與技術(shù)學院開始針對“數(shù)字圖像處理技術(shù)”課程進行教學改革的實踐,力求對該課程的教學方法和教學形式進一步的嘗試與創(chuàng)新。我們采取不斷編寫補充教材的措施配合這一發(fā)展與創(chuàng)新。在這一改革的過程中,教材作為教學的重要資源,成為課程建設(shè)的重點之一。筆者結(jié)合實際教學的情況,對該課程的教材進行了配套的編寫,但由于補充教材油印質(zhì)量差、出版難,給學生學習造成了不便。因此,我們結(jié)合專業(yè)特點自編了“數(shù)字圖像處理”教材,自編教材經(jīng)過多年試用和更新,能滿足計算機專業(yè)教學的要求。在此基礎(chǔ)上,2003年10月,我們公開出版了數(shù)字圖像處理教材《VC++圖像處理程序設(shè)計》。該教材一出版,就被多所大學選作本科生教材。通過近兩年的教學實踐,2005年又對該書進行了再版修訂。

        經(jīng)過近五年來的教學嘗試和積累,教材《VC++圖像處理程序設(shè)計》的編寫建設(shè)思路得到了市場的認可,目前我們編著的教材,已經(jīng)在學生中使用了五屆,從教學效果來看,教材對教學的促進效果相當明顯,對學生而言,以

        往學生對教材中或是偏實例或是偏理論的看法,已經(jīng)完全消除。由于配備了全程配套的軟件開發(fā)程序VC++源代碼,學生可以進一步拓寬算法,又可以綜合應(yīng)用用。2008年1月本書被選為國家級十一五規(guī)劃教材。

        6總結(jié)

        針對“數(shù)字圖像處理技術(shù)”課程理論與實踐密切相關(guān)的要求,我們需要加強實踐的教學環(huán)節(jié)。在課堂教學上教師應(yīng)提供實踐模仿環(huán)節(jié),因此相應(yīng)教材應(yīng)該提供三部分功能:每一種圖像處理技術(shù)的理論基礎(chǔ),理論實現(xiàn)步驟和編程代碼。在掌握了某種圖像處理技術(shù)的基本理論之后,按照實現(xiàn)步驟的指導可以了解算法的實現(xiàn)思路和方法,再進一步讓學生體會短小精悍的核心代碼C語言編程語句,然后按照程序框架介紹的方法,添加相應(yīng)的代碼,很快就能產(chǎn)生出一幅經(jīng)過處理的圖像。只有這樣,學生可以從理論和實用的編程技巧兩方面掌握圖像處理的技術(shù),提高動手實踐能力,達到理論與實踐相結(jié)合的教學目標,為進一步改善課程效果,奠定堅實基礎(chǔ)。

        參考文獻:

        [1] 楊淑瑩. VC++圖像處理程序設(shè)計[M]. 清華大學出版社,2003.

        [2] 胡孝忠. 應(yīng)用教育技術(shù)優(yōu)化課堂教學[J]. 兵工自動化,2004(4).

        [3] 張大良,呂浩雪. 打造精品課程,提升教學質(zhì)量[J]. 中國高等教育,2003(9):6-7.

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