李飛鵬 胡云峰 電子科技大學(xué)中山學(xué)院 528402

《數(shù)字圖像處理》實踐教學(xué)改革與效果分析

李飛鵬 胡云峰 電子科技大學(xué)中山學(xué)院 528402

《數(shù)字圖像處理》是高校電子信息類專業(yè)一門很重要的專業(yè)課程，有效的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是理解掌握課程內(nèi)容的關(guān)鍵,為此對該課程在實踐教學(xué)方面進(jìn)行了改革, 并對產(chǎn)生的效果給出了詳細(xì)分析。

一、《數(shù)字圖像處理》實踐教學(xué)改革的出發(fā)點

《數(shù)字圖像處理》是高校通信、電子、信息類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要論述數(shù)字圖像處理的基本理論、方法及其應(yīng)用。該課程的研究對象是多維視覺信息，涉及的理論和方法即有空間域的，又有變換域的。作為一門典型的交叉性學(xué)科, 數(shù)字圖像處理涉及的基礎(chǔ)理論知識和學(xué)科領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。由于其處理過程和算法復(fù)雜，理論性強(qiáng)，講授和學(xué)習(xí)起來有一定的難度。傳統(tǒng)的教材和教學(xué)過程注重經(jīng)典理論，輕實驗實踐，容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生畏難情緒,這就要求授課教師必須在簡明扼要的講清楚基本概念和處理算法的基礎(chǔ)上，有針對性的加強(qiáng)切實有效的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生理解和掌握課程內(nèi)容。對于這門課程，學(xué)生不可避免地要面對抽象的理論和煩瑣的數(shù)學(xué)公式，采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生較難理解概念和算法的物理意義，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。為了克服這一局限性，除了針對不同專業(yè)和不同層次的授課對象對課程內(nèi)容和側(cè)重點進(jìn)行合理篩選和布局外;還有必要在教學(xué)過程中結(jié)合具體案例來強(qiáng)化編程實踐，通過大量具體生動的圖像處理的例子來加深理解，讓學(xué)生真正理解課堂獲得的信息,消除他們的畏難情緒,激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性，切實培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

在具體的教學(xué)實踐中，筆者深刻體會到，除了優(yōu)化課程內(nèi)容和教學(xué)手段外，傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)中主要存在以下兩個方面的突出問題：一是容易把理論教學(xué)與實踐教學(xué)在時空環(huán)境上分離開來，導(dǎo)致學(xué)生在基礎(chǔ)實踐能力——編程能力上的普遍弱化；二是在實踐教學(xué)中完全按照實驗指導(dǎo)書中規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行，只起到了驗證性教學(xué)的目的，不能發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，也無法更好的激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。為此，有必要通過實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革克服以上弊端,提高課程教學(xué)質(zhì)量。

二、數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)改革的具體方法

1. 課程內(nèi)容的優(yōu)化

在信息化時代, 高校課程教學(xué)的側(cè)重點和教學(xué)內(nèi)容必須發(fā)生快速變化才能順應(yīng)時代對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。數(shù)字圖像處理課程也不例外,必須合理調(diào)整和配置其教學(xué)內(nèi)容。從教材內(nèi)容來講,必須更加重視現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的方法和思維, 更加重視探索性和實踐性, 不能只停留在經(jīng)典理論的講解和公式推導(dǎo)層面上，讓學(xué)生過多地面對抽象的理論和煩瑣的數(shù)學(xué)公式，學(xué)生很難深入理解概念和算法的物理意義，無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。為了更好地適應(yīng)復(fù)合型應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo),我們對課程內(nèi)容進(jìn)行了以下改革:1）結(jié)合專業(yè)和學(xué)生的特點,有重點的選擇授課內(nèi)容,基本原則為淡化經(jīng)典理論、強(qiáng)化實踐與理解。為此壓縮陳舊或重復(fù)性內(nèi)容,注重知識結(jié)構(gòu)的完整性, 把課程內(nèi)容的重點放在對知識理解、實踐能力與素質(zhì)要求的基本訓(xùn)練上。2）在眾多的數(shù)字圖像處理類教材中，我們選擇了西安電子科技大學(xué)何東健編寫的《數(shù)字圖像處理》,主要考慮到該教材內(nèi)容較為系統(tǒng)全面，在篇幅和闡述上重點突出，實踐性強(qiáng)，有較多的實例來幫助學(xué)生理解圖像處理的理論和算法。 3）在授課過程中, 結(jié)合非常適合教學(xué)的簡潔高效的MATLAB 科學(xué)計算語言，力求對每一個重點內(nèi)容和知識點,都給出較多的具體編程應(yīng)用實例和結(jié)果，使學(xué)生對圖像處理的算法和結(jié)果有既時、明確而直觀的認(rèn)識，通過加強(qiáng)實踐性而完成理論與實踐的結(jié)合。采用MATLAB 語言的另一個原因在于該語言是以矩陣為基本運(yùn)算單元，而圖像及其變換和處理從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的觀點正好是矩陣變換和運(yùn)算。通過這種方法，可以將基礎(chǔ)理論與編程實踐有機(jī)地結(jié)合起來,使學(xué)生不僅學(xué)到了圖像處理的基礎(chǔ)理論知識,同時以系統(tǒng)和直觀的方式理解了圖像處理一般的過程、算法和結(jié)果。

總之，通過將基礎(chǔ)理論與編程實踐相結(jié)合的方法，不但能夠達(dá)到充實和豐富教學(xué)內(nèi)容的目的,還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高教學(xué)效率和教學(xué)水平。

2.教學(xué)手段的優(yōu)化

隨著多媒體教學(xué)設(shè)備和方法的廣泛采用，傳統(tǒng)的單一板書式的課堂教學(xué)手段已被現(xiàn)代化多媒體教學(xué)方式所取代。多媒體技術(shù)以其圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的表現(xiàn)力，大大增強(qiáng)人們對抽象事物與過程的直觀感受與理解。我們應(yīng)用多媒體技術(shù)制作了《數(shù)字圖像處理》多媒體課件，充分利用計算機(jī)動態(tài)交互、視覺直觀、高速處理等一系列特點，來開發(fā)教學(xué)資源，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)效果的目的。相比于傳統(tǒng)教學(xué)方式，多媒體教學(xué)手段的采用使教學(xué)內(nèi)容由平面到立體,由靜止到運(yùn)動,由文字到聲音圖像,極大地增強(qiáng)了課堂教學(xué)的直觀性和趣味性、實踐性和反饋性,調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。 數(shù)字圖像處理這門課程的研究對象本身就是多媒體信息中最核心的圖像與視頻信息，因此與多媒體教學(xué)方式之間存在著天然的聯(lián)系。換句話說，數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的許多內(nèi)容非常適合而且也必須通過多媒體手段來加以闡述和表達(dá)，在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中充分運(yùn)用多媒體技術(shù),可以將圖像處理技術(shù)中涉及的各種概念、算法和步驟用直觀逼真、易于操作和易于理解的形式表達(dá)出來，使全方位的立體信息空間在教學(xué)過程中得到充分運(yùn)用,并且更加易于通過交互的方式強(qiáng)調(diào)和突出學(xué)生的主體作用，實現(xiàn)學(xué)生與教師之間的雙向互動與交流，創(chuàng)造更加良好的教學(xué)情境，把教師的“教”的和學(xué)生的“學(xué)”的有機(jī)地結(jié)合起來,,形成教與學(xué)過程中實踐——理論——再實踐的良性循環(huán),從而達(dá)到提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的目的。

3.實踐教學(xué)方式的改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法往往偏重于理論知識的講解,在實踐環(huán)節(jié)上，無論是內(nèi)容還是手段都比較單一,進(jìn)而最終影響到教學(xué)效果。在實踐教學(xué)方面我們重點加強(qiáng)了實踐教學(xué)方式的改革,通過改革來強(qiáng)化學(xué)生對理論、算法和原理的深刻理解和再檢驗,注重能力培養(yǎng)。以往本課程的傳統(tǒng)教學(xué)實踐表明，理論教學(xué)與實踐教學(xué)在時空環(huán)境上的分離，導(dǎo)致學(xué)生在基礎(chǔ)實踐能力——編程能力上的普遍弱化；在實踐教學(xué)中完全按照實驗指導(dǎo)書中規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行，只起到了驗證性教學(xué)的目的，不能發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和思考能力，也無法更好的激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。為此，我們通過改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式中存在的與實踐環(huán)節(jié)相關(guān)的弊端，強(qiáng)化理論教學(xué)與實踐教學(xué)在時空環(huán)境上的同時性與交互性，強(qiáng)化學(xué)生在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的自主性，提高其編程實踐能力，從而進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

具體來講，一是改變過去把理論教學(xué)與實踐教學(xué)在時空環(huán)境上分離，不利于學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的做法，將實踐性集中的章節(jié)由理論課教室遷移到實驗室進(jìn)行，解決理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合問題。二是改變以往完全按照實驗指導(dǎo)書中規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行實踐教學(xué)的做法，將實踐課時中的一部分留給學(xué)生做為自主實踐課，即讓學(xué)生自擬題目、自己考慮實驗條件、自己進(jìn)行實驗、自己進(jìn)行實驗總結(jié)，學(xué)生有疑難時教師可以提供適當(dāng)?shù)膸椭椭笇?dǎo)。該自主實踐部分將作為學(xué)生實踐成績的重要組成部分進(jìn)行評價，解決實踐教學(xué)中如何提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的問題。

通過實踐教學(xué)方式的改革,不僅解決了理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合問題，調(diào)動了學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力,使學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力得到了鍛煉, 而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生靈活運(yùn)用知識分析解決問題的能力,使得學(xué)生對知識的理解和運(yùn)用達(dá)到更高的層次。

表一 04級，05級編程實踐題（滿分30分）得分抽樣統(tǒng)計（04級平均得分20.2分，05級平均得分22.2分）

表二 04級，05級總成績（滿分100分）得分抽樣統(tǒng)計（04級平均得分72分，05級平均得分78分）

三、改革前后教學(xué)效果分析

為了對本課程實踐教學(xué)改革的效果進(jìn)行客觀評價，我們針對教學(xué)改革前后的學(xué)生考試成績進(jìn)行了統(tǒng)計分析，為了保證統(tǒng)計結(jié)果的真實可信，所有的統(tǒng)計資料都基于以下兩個前提：同樣專業(yè)同樣層次的教學(xué)對象（2004級為改革前，2005級為改革后）和同樣難度和結(jié)構(gòu)的試卷（概念分析類題目占70%，編程實踐類題目占30%）。具體統(tǒng)計結(jié)果如表一、二所示。

其中，表一給出了30份隨機(jī)抽樣試卷中針對04級和05級的編程實踐類題目（滿分為30分）的得分比較，其中04級平均得分為20.2分，05級平均得分為22.2分；表二則給出了40份隨機(jī)抽樣試卷中針對04級和05級的卷面總成績（滿分為100分）的得分比較, 其中04級平均得分為72分，05級平均得分為78分。

從表一可以看出,得益于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革, 05級在滿分為30分的編程實踐類題目的平均得分比04級高2分,即提高了7%，反應(yīng)出編程實踐能力的提升。從表二可以看出,得益于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革, 05級在滿分為100分的卷面總成績中平均得分比04級高6分,這個結(jié)果一方面是由于編程實踐題目得分的增加，另一方面也反應(yīng)出編程實踐能力的提升反過來也會促進(jìn)課程整體知識點的理解與掌握。綜合上述，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革達(dá)到了預(yù)期的目的，取得了比較滿意的效果。

四、結(jié)束語

以培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)的應(yīng)用型人才為教育教學(xué)的目標(biāo),轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的以經(jīng)典理論知識傳授為主的教學(xué)觀念,強(qiáng)化實踐應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)是大勢所趨。 本文介紹了數(shù)字圖像處理課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的一些改革成果， 并且通過統(tǒng)計分析結(jié)果證明了改革的有效性。在教學(xué)改革過程中,我們堅持走以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體、能力為目標(biāo)的素質(zhì)教育之路,以加強(qiáng)實踐教學(xué)的方法和效果為出發(fā)點，通過結(jié)合專業(yè)特點合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段,對傳統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革,來完成對學(xué)生在知識、能力與素質(zhì)等方面全面要求的基本訓(xùn)練,取得了較好的教學(xué)效果。

[1]俎曉芳等《.數(shù)字圖像處理》多媒體教學(xué)探索與實踐[J].湖北成人教育學(xué)院學(xué)報.2006年第5期, 82-83

[2]唐紅梅等.數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革與實踐[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報.2006年第4期，8-10

[3]龐永師等.應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式探索[J]，高等工程教育研究.2008年第 2 期，145-148

Practice Teaching Innovation on Digital Image Processing And Its Effect Analysis

Li Feipeng, Hu Yunfeng Department of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan Institute , Zhongshan, Guangdong, 528402

Digital Image Processing is a very important course in the electronic and information speciality of universities.Effective practice teaching process is a key to well understand the content of this course.In this paper, the practice teaching innovation on the course is introduced and its effect analysis results are described in detail.

Meteorological conditions；Huangpu River；Yangtze River；Japanese inland sea；navigation notes

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.118

李飛鵬: 博士, 副教授, 主要研究方向為圖像與視頻信號處理。

數(shù)字圖像處理;實踐教學(xué);教學(xué)改革

Digital Image Processing；Practice Teaching；Teaching Innovation