曾 怡

（北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,北京 100083）

信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)實(shí)踐探討

曾 怡

（北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,北京 100083）

“數(shù)字圖像處理”是高校信息類專業(yè)一門重要的選修課程。該文分析了林業(yè)高校信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn),研究了“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中存在的問題和解決方案,提出了教學(xué)改革的措施。強(qiáng)調(diào)學(xué)生以具體應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),探索解決方法,以此引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng),驅(qū)動(dòng)和維持學(xué)習(xí)者的興趣和動(dòng)機(jī),使學(xué)生能夠較好地完成從理解到實(shí)踐、從實(shí)踐到應(yīng)用的學(xué)習(xí)過程。從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并結(jié)合具體的教學(xué)案例進(jìn)行了說明。

數(shù)字圖像處理;信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè);教學(xué)改革

一、課程特點(diǎn)分析

“數(shù)字圖像處理”是高校信息類專業(yè)一門重要的選修課程,是一門涉及學(xué)科領(lǐng)域相當(dāng)廣泛的交叉性學(xué)科。隨著對地觀測技術(shù)的迅速發(fā)展,遙感圖像在社會生活與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用,數(shù)字圖像處理技術(shù)逐步受到關(guān)注并得到相應(yīng)發(fā)展[1]。目前,遙感技術(shù)在森林資源管理中有著越來越深入的應(yīng)用,因此,對于林業(yè)院校信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生而言,培養(yǎng)一定的遙感數(shù)字圖像處理和應(yīng)用分析技能,該課程具有重要作用。

“數(shù)字圖像處理”課程涉及多學(xué)科領(lǐng)域,滲透性強(qiáng)、課程內(nèi)容廣泛、理論抽象、算法實(shí)現(xiàn)過程不直觀,對教學(xué)提出了較高的要求,學(xué)生要真正理解相關(guān)知識和技術(shù)并不容易。該課程既具有完備的理論基礎(chǔ),又是一門應(yīng)用廣泛的實(shí)用學(xué)科,理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)[2]。同時(shí),迅猛發(fā)展的圖像處理技術(shù),促使該課程的教學(xué)內(nèi)容需要不斷更新。

針對“數(shù)字圖像處理”課程理論性、實(shí)踐性、系統(tǒng)性和探索性強(qiáng)的特點(diǎn),如果不進(jìn)行課程教學(xué)改革,不對授課內(nèi)容重新進(jìn)行精選及更新,將很難反映課程內(nèi)容的時(shí)代性特征。雖然通過數(shù)字圖像可以直觀地展示一部分原理知識,但是如果教師不強(qiáng)調(diào)圖像判讀技能和運(yùn)用方法,不引入相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用背景,學(xué)生就不能深刻體會,無法獲得良好的教學(xué)效果。

如果仍然遵循傳統(tǒng)的強(qiáng)調(diào)以教師為中心的教學(xué)模式,盲目地以灌輸為主,勢必會導(dǎo)致每堂課信息量的大量堆積,不能適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才應(yīng)用能力的需求。為了體現(xiàn)該課程在信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值,教師需要主動(dòng)地補(bǔ)充和選擇一些與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用圖像與案例,從而培養(yǎng)學(xué)生的圖像處理能力和應(yīng)用遙感圖像分析和解決實(shí)際問題的能力。

本文分析林業(yè)高校信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn),研究“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)中存在的問題和解決方案,提出進(jìn)行教學(xué)改革的措施。強(qiáng)調(diào)學(xué)生以具體應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),探索問題的解決方法,以此引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng),驅(qū)動(dòng)和維持學(xué)習(xí)者的興趣和動(dòng)機(jī),使學(xué)生能夠較好地完成從理解到實(shí)踐、從實(shí)踐到應(yīng)用的學(xué)習(xí)過程。

二、教學(xué)改革的內(nèi)容

（一）教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

“數(shù)字圖像處理”是一門綜合性很強(qiáng)的課程,主要講授如何利用計(jì)算機(jī)對圖像信息進(jìn)行分析與處理的原理、算法及其相關(guān)應(yīng)用。該課程涉及計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、光學(xué)、電子等多個(gè)學(xué)科。同時(shí),該課程與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)。結(jié)合林業(yè)類高校信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)課程開設(shè)的情況,將教學(xué)內(nèi)容劃分為3個(gè)方面：

一是數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)理論知識。主要包括數(shù)字圖像處理的基本概念、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、圖像處理系統(tǒng)的硬件組成、圖像數(shù)字化和顯示過程的數(shù)學(xué)描述等。

二是遙感基本原理。主要包括遙感系統(tǒng)的組成、遙感物理基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)特征分析和數(shù)據(jù)采集方法。特別是基于電磁波的成像原理、地物反射波譜曲線和常見傳感器的圖像數(shù)據(jù)特征。

三是數(shù)字圖像處理與分析的基本技術(shù),分為圖像校正、圖像增強(qiáng)和圖像分類。具體包括圖像的灰度直方圖、三種基本圖像運(yùn)算、遙感數(shù)字圖像的輻射校正與幾何校正、圖像增強(qiáng)處理（平滑與銳化）、圖像變換、遙感圖像分類等。著重研究如何將圖像基本原理與處理技術(shù)有效結(jié)合。

為了使學(xué)生真正掌握課程知識和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用,合理地構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容體系是關(guān)鍵。應(yīng)從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、應(yīng)用實(shí)踐3個(gè)方面,最優(yōu)化地合理利用和整合教學(xué)資源,使教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相輔相成,逐層深入,實(shí)現(xiàn)有效銜接。

（二）教學(xué)方法與教學(xué)手段

為了取得良好的教學(xué)效果,并充分體現(xiàn)互動(dòng)教學(xué)的特點(diǎn),本課程必須注重教學(xué)方法與教學(xué)手段的研究。注重現(xiàn)代化教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合,教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的優(yōu)化組合,以啟發(fā)式教學(xué)法為主,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)學(xué)生自主探索與研究的積極性。

由于課程學(xué)習(xí)難度較大,并且需要有一定的先修課基礎(chǔ),對于部分理論基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生而言,嚴(yán)密復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)會令人望而生畏,課程剛開始的興奮感很容易轉(zhuǎn)化成三分鐘的熱度。因此,要想讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的全過程都保持興趣,必須探索如何將課程的內(nèi)容化繁為簡,以深入淺出的方式進(jìn)行課程講述[3]。在教學(xué)手段的設(shè)計(jì)與運(yùn)用方面,不能局限于本課程的學(xué)期教學(xué)過程,更應(yīng)該注重該課程對學(xué)生專業(yè)的長遠(yuǎn)影響,以及對專業(yè)探究方法的引導(dǎo)。

注重更新教學(xué)手段,采用現(xiàn)代化手段教學(xué)。按照教學(xué)大綱的要求認(rèn)真撰寫教案,所有教案均制成電子教案,教學(xué)內(nèi)容達(dá)到圖、文、聲并茂,并全部在網(wǎng)上共享。在教學(xué)中不斷更新和完善,使教學(xué)內(nèi)容盡可能為最新的成果,使課程教學(xué)具有現(xiàn)代性。通過研建課程教學(xué)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源庫和課程網(wǎng)站,課程的教學(xué)大綱、授課教案、教學(xué)課件、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、參考文獻(xiàn)目錄等均上網(wǎng),為實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享、開展多種形式的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。同時(shí),要開設(shè)適當(dāng)?shù)闹v座和科研指導(dǎo)。通過開發(fā)立體化教材、多媒體教學(xué)等方式,有效促進(jìn)課外的師生交流,形成良好的師生、生生互動(dòng)。

另一方面,結(jié)合學(xué)校的行業(yè)優(yōu)勢,在課程的教學(xué)過程中應(yīng)突出林業(yè)遙感數(shù)字圖像處理特色。例如,通過選取典型的林業(yè)數(shù)字圖像處理及應(yīng)用案例（如林火監(jiān)測與分析）,師生雙方進(jìn)行案例探討,深入理解圖像處理的基本規(guī)律。通過啟發(fā)式的案例教學(xué),不僅使學(xué)生深刻領(lǐng)會學(xué)習(xí)該門專業(yè)課的真正目的和用途,而且還大大提高了學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識去分析和解決復(fù)雜的實(shí)際問題的能力。

（三）實(shí)踐教學(xué)

“數(shù)字圖像處理”是一門面向工程實(shí)踐的課程,要求學(xué)生具備“學(xué)以致用”的能力。應(yīng)建立教師講授與學(xué)生自學(xué)相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。鼓勵(lì)學(xué)生針對實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題進(jìn)行交流,通過學(xué)生做報(bào)告、教師點(diǎn)評、學(xué)生之間討論的方式,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

同時(shí),在部分章節(jié)講授完之后,通過階段訓(xùn)練模式強(qiáng)化對主要技術(shù)與算法的應(yīng)用;通過實(shí)際工程案例分析,講授該課程的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢;通過上機(jī)實(shí)踐,讓學(xué)生掌握其中的基本技術(shù)方法。

為了加深學(xué)生對數(shù)字圖像處理基本原理的理解,掌握實(shí)際圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用分析的基本方法和過程,本課程設(shè)立12個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課。按照遙感數(shù)字圖像處理流程,劃分相互聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)單元。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：圖像校正、圖像增強(qiáng)和圖像分類。通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)操作,全面地掌握數(shù)字圖像處理的基本技術(shù),培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

（四）網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)

通過研建該課程教學(xué)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源庫和課程網(wǎng)站,開發(fā)立體化教材、多媒體教學(xué)等方式,有效促進(jìn)課外的師生交流,形成良好的師生、生生互動(dòng)。充分利用北京林業(yè)大學(xué)教務(wù)處的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和信息學(xué)院信息教研室的教學(xué)服務(wù)器發(fā)布本門課程的相關(guān)電子資源,包括如下幾個(gè)方面：①課程簡介;②教學(xué)文件：教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、課程標(biāo)準(zhǔn)、課程手冊;③主講教案：中文文稿、多媒體課件;④實(shí)驗(yàn)教學(xué)：實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等;⑤習(xí)題集：基礎(chǔ)題、提高題;⑥參考文獻(xiàn)及相關(guān)網(wǎng)址;⑦網(wǎng)上答疑：課程輔導(dǎo)答疑;⑧網(wǎng)上討論。

三、應(yīng)用實(shí)習(xí)案例分析

為了突出學(xué)生的主動(dòng)性,在教學(xué)中,根據(jù)專業(yè)的實(shí)際情況和學(xué)校的行業(yè)特點(diǎn),結(jié)合目前的教學(xué)實(shí)習(xí)和科研項(xiàng)目,對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1.教學(xué)實(shí)驗(yàn)。以美國ERDAS公司開發(fā)的專業(yè)遙感圖像處理與地理信息系統(tǒng)軟件ERDAS IMAGINE為實(shí)驗(yàn)平臺,安排幾何校正、遙感圖像空間域增強(qiáng)、遙感圖像分類等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,3個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)相互關(guān)聯(lián)。改變傳統(tǒng)的觀察與分析整理方法,增加林業(yè)資源的影像分析與解譯。優(yōu)化實(shí)習(xí)內(nèi)容,提高實(shí)習(xí)的創(chuàng)新性和現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平。

2.研究性實(shí)驗(yàn)。結(jié)合教師的研究課題,將學(xué)生的實(shí)踐課同具體的科研活動(dòng)內(nèi)容相結(jié)合,突出遙感數(shù)字圖像在林業(yè)資源管理中的應(yīng)用。在實(shí)習(xí)條件滿足要求的情況下,將課堂上講解的圖像處理原理知識與一個(gè)具體的研究項(xiàng)目相結(jié)合,引導(dǎo)學(xué)生以項(xiàng)目和實(shí)際應(yīng)用為中心,充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性,完成一個(gè)綜合的實(shí)踐性課題。例如,結(jié)合某市園林綠化局林火視頻監(jiān)測項(xiàng)目,為學(xué)生講解實(shí)際數(shù)字圖像中的林火特征,黑夜林火識別的樣本采集、數(shù)據(jù)測試及算法,白天林火識別的樣本特征采集與整理、算法分析與判別方法,以及煙霧識別的圖像解譯算法。通過這些研究型的實(shí)習(xí)和項(xiàng)目參與,鼓勵(lì)和幫助學(xué)生及時(shí)整理研究成果,自己撰寫科研論文,大大激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和科研積極性,培養(yǎng)了學(xué)生們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、獨(dú)立思考的能力。又如,結(jié)合某省林業(yè)局森林資源數(shù)據(jù)更新項(xiàng)目,為學(xué)生系統(tǒng)講解基于遙感數(shù)字影像的森林小班變化監(jiān)測方法,實(shí)際操作數(shù)字圖像配準(zhǔn)、校正、增強(qiáng)及融合的過程,使學(xué)生真正參與數(shù)字圖像在林業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用工作。同時(shí),借助GIS軟件的集成平臺,使學(xué)生自主完成數(shù)據(jù)更新流程。通過參與性實(shí)踐,學(xué)生綜合應(yīng)用自己所學(xué)遙感圖像處理知識和技能,不僅熟悉了圖像處理技術(shù)的工作流程,而且培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作意識。

通過結(jié)合國內(nèi)外教學(xué)科研成果,不斷更新和補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容,靈活運(yùn)用各種教學(xué)方法,使本課程的設(shè)置更加合理。在教學(xué)手段的設(shè)計(jì)與運(yùn)用方面,不局限于本課程的學(xué)期教學(xué)過程,更注重該課程對學(xué)生專業(yè)的長遠(yuǎn)影響,以及對專業(yè)探究方法的引導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)過程中,通過設(shè)計(jì)一系列遙感圖像處理項(xiàng)目,在完成規(guī)定實(shí)習(xí)內(nèi)容的同時(shí),留給學(xué)生一定的思考空間,鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的方法來解決問題,加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的理解。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段,教師應(yīng)針對不同學(xué)生的個(gè)體差異和特點(diǎn),采用分層指導(dǎo)的教學(xué)方法,滿足不同層次學(xué)生的要求,提供不同層次的鍛煉機(jī)會,提高學(xué)生獨(dú)立分析與解決實(shí)際問題的能力。在注重基礎(chǔ)理論和技術(shù)內(nèi)容的同時(shí),及時(shí)補(bǔ)充國內(nèi)外圖像處理技術(shù)有關(guān)理論和方法的最新動(dòng)態(tài)和技術(shù)成果,努力使“數(shù)字圖像處理”課程成為具有學(xué)校行業(yè)特色的精品課程。

[1] 賈永紅.“數(shù)字圖像處理”課程的建設(shè)與教學(xué)改革[J].高等理科教育,2007（1）：96-98.

[2] 金煒,周亞訓(xùn).“數(shù)字圖像處理”課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的實(shí)踐[J].中國電力教育,2010（7）：82-83.

[3] 劉直芳,張繼平.“數(shù)字圖像處理”選修課一體化教學(xué)研究[J].魅力中國,2009（8）：8-10.

（責(zé)任編輯 張仕固）