潘翔　趙小敏

摘 要： 工科教學(xué)的一個(gè)難題是激發(fā)學(xué)生興趣，提高其獨(dú)立學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)能力。以數(shù)字圖像處理這一課程為實(shí)施對(duì)象，提出了以理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線的多視圖教學(xué)模型，以解決該課程原有教學(xué)模式方法單一、過(guò)程枯燥等問(wèn)題。采用該模型取得了較好的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)理論模型和編程技術(shù)的一體化建模：學(xué)生不僅能夠理解如何采用數(shù)字圖像處理的基本理論進(jìn)行工程應(yīng)用，而且能夠掌握?qǐng)D像處理基本編程能力。

關(guān)鍵詞： 多視圖模型； 數(shù)字圖像處理； 教學(xué)模式； 工程應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1006-8228（2014）01-72-02

0 引言

當(dāng)前，教育部正在啟動(dòng) “卓越工程師”計(jì)劃，其目標(biāo)是使大學(xué)生具有優(yōu)秀的工程研發(fā)能力[1]。因此，需要在高校教學(xué)中進(jìn)一步深入課程改革，在教學(xué)過(guò)程中引入工程化培養(yǎng)思想，提高大學(xué)生的工程開(kāi)發(fā)能力和分析、解決問(wèn)題的能力。

隨著數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，數(shù)字圖像已經(jīng)成為一種重要的信息載體。以數(shù)字圖像為研究對(duì)象的數(shù)字圖像處理課程逐漸成為軟件工程、信息、機(jī)電、計(jì)算機(jī)和生物醫(yī)學(xué)等專(zhuān)業(yè)一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)課[3]。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，由于數(shù)字圖像處理內(nèi)容的理論性較強(qiáng)，很多學(xué)生認(rèn)為這門(mén)課程很難學(xué)，而且學(xué)了之后又很難應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題，因而失去了繼續(xù)學(xué)習(xí)的信心。另外一方面，部分學(xué)生能夠在考試中取得較好的成績(jī)，但是面對(duì)實(shí)際問(wèn)題卻無(wú)從下手，形成典型的“高分低能”。顯然，這種教學(xué)模式難以培養(yǎng)出適應(yīng)卓越工程師系列人才。因此本次課程實(shí)踐改革以“數(shù)字圖像處理”課程為改革試點(diǎn)，貫徹卓越工程師理念，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題能力和工程實(shí)施能力[4-5]。

本項(xiàng)目針對(duì)當(dāng)前數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，以卓越工程師為培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)數(shù)字圖像處理流程具有不同表達(dá)方式這一顯著特性，提出以數(shù)字圖像處理理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線，結(jié)合數(shù)字圖像工程案例，面向數(shù)字圖像處理課程建立多視圖立體教學(xué)模型。項(xiàng)目實(shí)施解決了數(shù)字圖像處理已有教學(xué)方法存在模式單一、教學(xué)過(guò)程枯燥等問(wèn)題。在教學(xué)效果上，學(xué)生不僅能夠理解如何采用數(shù)字圖像處理的基本理論解決工程實(shí)際問(wèn)題，而且能夠掌握?qǐng)D像處理基本編程能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)理論模型和編程技術(shù)的一體化建模，大大提高了學(xué)生的工程能力。

1 啟發(fā)式的多視圖教學(xué)模型

目前，圖像處理教學(xué)過(guò)程存在的主要問(wèn)題是數(shù)學(xué)描述過(guò)于抽象，學(xué)生不易理解。如果單純采用這種理論模型，由于理論過(guò)程的抽象性，容易導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。如何把數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于工程問(wèn)題也是工科學(xué)生的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。學(xué)生雖然知道直線方程、最小二乘、偏導(dǎo)等基礎(chǔ)理論，但是普遍缺乏針對(duì)工程問(wèn)題的快速聯(lián)想，缺少理論聯(lián)系實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)和能力。本項(xiàng)目采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)理論基本知識(shí)解決數(shù)字圖像處理問(wèn)題，能夠有效提高學(xué)生數(shù)學(xué)分析能力。因此，本文在強(qiáng)調(diào)數(shù)字圖像處理理論模型基礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)字圖像處理信息表達(dá)方式的多樣性這一特點(diǎn)，提出結(jié)合編程模型、可視化模型形成豐富的多視圖立體教學(xué)方案，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生提高解決問(wèn)題的能力。

面向數(shù)字圖像處理課程的多視圖教學(xué)模型的整體方案如圖1所示。整個(gè)模型在傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，引入了可視化模型和編程模型。采用可視化模型可以有效地和啟發(fā)式教學(xué)方法相結(jié)合，通過(guò)圖像處理效果可視化模型引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題思考，形成圖像處理效果的逆向分析模型。采用這種編程模型主要是考慮圖像處理課程作為一門(mén)學(xué)科專(zhuān)業(yè)課，大部分學(xué)生已經(jīng)有了較好的編程基礎(chǔ)，這種編程模型可以讓學(xué)生進(jìn)一步消化前面程序類(lèi)課程的教學(xué)內(nèi)容，并掌握數(shù)字圖像處理基本編程技術(shù)。通過(guò)數(shù)字圖像處理工程案例，提高學(xué)生的圖像處理技術(shù)綜合建模能力。

本文提出的啟發(fā)式的多視圖立體教學(xué)模型分為：?jiǎn)栴}引入、學(xué)生分析思考、視覺(jué)模型理論化、程序模型重現(xiàn)視覺(jué)結(jié)果等四個(gè)步驟。

⑴ 問(wèn)題引入。在問(wèn)題引入上，結(jié)合逆向思維方法，通過(guò)數(shù)字圖像處理工程案例的可視化結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生思考分析，說(shuō)明課程知識(shí)點(diǎn)的目標(biāo)和工程應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生興趣。

⑵ 學(xué)生思考與討論。讓學(xué)生對(duì)視覺(jué)效果進(jìn)行分析討論，從視覺(jué)感知中形成基本思路，形成算法的最終目的。

⑶ 視覺(jué)模型理論化。在上述討論分析后，教師對(duì)視覺(jué)模型進(jìn)行啟發(fā)式引導(dǎo)，肯定學(xué)生的思維結(jié)果，并逐步給出理論模型，從而把視覺(jué)模型上升到理論模型。

⑷ 程序模型重現(xiàn)視覺(jué)結(jié)果。為了進(jìn)一步鞏固上述教學(xué)過(guò)程效果，也是讓學(xué)生學(xué)會(huì)自我設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的能力。給出程序部分代碼，并重現(xiàn)出視覺(jué)效果，完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

2 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步介紹多視圖立體教學(xué)模型，本節(jié)針對(duì)圖像處理課程中的“腐蝕”知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行案例設(shè)計(jì)和分析。腐蝕是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中一個(gè)非常重要的概念，而且在工程應(yīng)用領(lǐng)域也使用較為頻繁。在視覺(jué)感知上，腐蝕就是把兩個(gè)具有粘連的區(qū)域分開(kāi)。因此，我們以視覺(jué)感知為起點(diǎn)，以編程設(shè)計(jì)為終點(diǎn)，設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，從而使學(xué)生從不同角度去理解腐蝕的定義，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)和工程應(yīng)用的統(tǒng)一。

⑴ 引導(dǎo)學(xué)生分析觀察

在教學(xué)切入點(diǎn)上，我們首先給出一個(gè)細(xì)胞計(jì)數(shù)的圖像。采用圖像處理方法進(jìn)行醫(yī)學(xué)分析已經(jīng)是當(dāng)前的趨勢(shì)。通過(guò)視覺(jué)可吸引學(xué)生的注意力。然后給出細(xì)胞計(jì)數(shù)的問(wèn)題所在：由于存在過(guò)多的粘連，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)出來(lái)的細(xì)胞個(gè)數(shù)不準(zhǔn)確，如何消除這些粘連。

⑵ 學(xué)生討論分析

對(duì)這個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生觀察、討論和分析，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性。有學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些粘連具有一個(gè)非常明顯的特征，就是粘連部分都很細(xì)。如果能使這些區(qū)域一層層的減小，那么這些粘連部分首先被去除，而其他區(qū)域只是減少了面積。討論到這一步，已經(jīng)基本上了揭示出了腐蝕的基本原理，此時(shí)可以考慮進(jìn)行下一步數(shù)學(xué)理論分析。

⑶ 給出數(shù)學(xué)模型，從視覺(jué)分析上升到理論模型

在上述討論、分析的基礎(chǔ)上，首先肯定學(xué)生的分析成果，說(shuō)明腐蝕的原理，然后給出腐蝕的數(shù)學(xué)定義：

通過(guò)上述對(duì)圖像的視覺(jué)觀察和討論分析，學(xué)生已經(jīng)把腐蝕的概念和應(yīng)用原理基本消化，對(duì)于腐蝕概念和相應(yīng)的數(shù)學(xué)定義，已不會(huì)產(chǎn)生抵觸情緒，進(jìn)而接受了原本枯燥的數(shù)學(xué)公式，實(shí)現(xiàn)了從感知到理論的提升，加強(qiáng)了學(xué)生的理論分析能力。

為了進(jìn)一步鞏固上課效果，讓學(xué)生在理論模型和程序中建立關(guān)聯(lián)。最后，給出部分實(shí)現(xiàn)代碼，讓學(xué)生明白，只要理解了原理，模型很容易設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3 教學(xué)效果分析

為了驗(yàn)證啟發(fā)式的多視圖立體教學(xué)模型多視圖教學(xué)效果分析，我們從課程考試和學(xué)生校外科技立項(xiàng)等方面進(jìn)行了跟蹤分析。在課程考試方面，進(jìn)行了考試改革，要求每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成一個(gè)圖像處理相關(guān)的工程案例，要求提交算法分析報(bào)告、程序結(jié)構(gòu)、源代碼。還要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，老師任意抽取其中一段代碼，要求學(xué)生回答設(shè)計(jì)思想以及功能。這種考核方法，能夠把教學(xué)效果實(shí)實(shí)在在地體現(xiàn)出來(lái)。也能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性。部分學(xué)生完成的成果是：覆蓋了人臉檢測(cè)、車(chē)牌檢測(cè)、圖像風(fēng)格化處理等各個(gè)領(lǐng)域。部分學(xué)生作品如圖3所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證教學(xué)方式所產(chǎn)生的效益，我們對(duì)學(xué)生課外競(jìng)賽情況進(jìn)行了跟蹤分析。有相當(dāng)比例的學(xué)生在課程教學(xué)結(jié)束后，以圖像處理相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)課外科技作品，參與校運(yùn)河杯比賽，得到了校二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

啟發(fā)式的多視圖立體教學(xué)模型充分發(fā)揮信息表達(dá)的多樣性和豐富性，并融入討論式教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的興趣，提高學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。這種教學(xué)模型，將抽象的理論知識(shí)通過(guò)可視化模型表達(dá)出來(lái)，非常適合圖像處理等視覺(jué)特征非常明顯的課程教學(xué)。通過(guò)該教學(xué)方法，啟發(fā)學(xué)生思維，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，取得了好的效果。此外，這種模型從實(shí)際工程項(xiàng)目中提取出來(lái)，能夠使學(xué)生掌握項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的技能，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力。在下一步研究中，我們將考慮進(jìn)一步深化圖像分析工程案例，并結(jié)合課外科技競(jìng)賽探討實(shí)踐教學(xué)，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析和設(shè)計(jì)能力。

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