唐超++檀明

摘要：根據應用型高校的辦學定位和CDIO工程教育理念，對數字圖像處理課程的教學內容和教學方法進行了研究。探索了以工程項目實踐、課程教學和網絡課程自學三位一體的教學改革。實踐表明該教學方法極大地激發(fā)了學生主動學習的興趣，提升了工程實踐與創(chuàng)新能力，使學生綜合的能力與素養(yǎng)得到了提高。

關鍵詞：CDIO；數字圖像處理；工程項目實踐；教學方法

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）06-0154-02

Practice of CDIO Teaching Method of Digital Image Processing in Application Oriented University

TANG Chao， TANG Min

（Hefei University，Department of Computer Science and Technology， Hefei 230601， China）

Abstract：The teaching contents and teaching methods of the digital image processing course are discussed and explored according to school-running orientation of applied university of and CDIO engineering education concept.Engineering project practice， classroom teaching and online courses self-study are applied in teaching. Practice shows that this teaching method greatly stimulated the students' interest in active learning； promote the innovation ability and scientific research ability. Meanwhile students team work and engineering practice are improved in the process of project design implementer and practicing.

Key words：CDIO；digital image processing；engineering project practice；teaching method

《數字圖像處理》這門課程主要介紹數字圖像的基本概念、相關理論和實現算法[1]。隨著信息及電子技術的快速發(fā)展，數字圖像處理技術在航空和衛(wèi)星遙感、生物醫(yī)學、工業(yè)和軍事等各個領域中的應用越來越廣泛。數字圖像處理是一門數學理論要求比較多的課程，它需要學習者有一定的高等數學基礎，較強的分析能力，較強的算法設計與實現能力。作為應用型本科高校的合肥學院（以下簡稱“我?！保榱藘?yōu)化人才培養(yǎng)方案，全面提升學生綜合能力，在計算機科學與技術專業(yè)（嵌入式方向）開設了數字圖像處理選修課程。數字圖像處理課程對于本科生來說理論性，工程實踐性，學習難度都比較高。因此從歷年的教學效果及考試情況來看，學生對本課程往往心存畏懼，教學效果有待提高。為了有效地激發(fā)學生的興趣，增強學生的學習信心，我校在該課程教學中引入CDIO工程教學理念，將工程項目實踐，課堂講授和網絡課程自學結合起來，強調學生素質的培養(yǎng)應該與行業(yè)發(fā)展相適應，全面提升學生工程思維與素養(yǎng)。

1 CDIO模式

當代社會需要培養(yǎng)什么樣的工科畢業(yè)生？工科畢業(yè)生應掌握怎樣的知識、能力和態(tài)度？其水平應達到什么樣的程度？這些都是作為應用型本科高校必須面臨和解決的問題。現代大學工程教育的目標應使培養(yǎng)的人才具備廣泛的個人能力、人際溝通能力以及產品、過程及系統的構建能力，這些能力保證學生在實際的社會和企業(yè)背景環(huán)境下的團隊工作中發(fā)揮重要作用。CDIO工程教育模式為我們提供了一種新的教育方法，有助于解決工程教育普遍存在的問題，并可滿足學生和社會的需求。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，是由麻省理工學院、瑞典皇家工學院等四所大學自2000年起，經過四年的探索研究后創(chuàng)立的先進工程教育理念[2]。CDIO含義是：構思（Conceive）、設計（Design）、執(zhí)行（Implement）和運轉（Operate）。每個工科畢業(yè)生都應具備在團隊合作的現代工程環(huán)境背景中，能夠構思、設計、執(zhí)行和運轉復雜的具有附加值的工程產品、過程及系統。CDIO工程教育模式第一次全面描述了現代工程師所需的知識、能力及態(tài)度的完整內容，為應用型本科高校的工程教育改革提供很好的借鑒作。

2 數字圖像處理課程特點

數字圖像處理是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術。通過該課程的學習可以為學生進一步學習“計算機視覺”、“模式識別”等課程及訓練一定的工程實踐能力和走向工作崗位后的學以致用打下基礎。該課程具有以下特點：

1）數字圖像處理課程學習內容一般是按照圖像處理的需要的“數學基礎”、“算法理論”、“編程實現”及“應用分析”等過程來進行的，其中涉及的數學基礎要求較高，算法理論性較強，編程實現難度較大。

2）該課程是理論性與實踐性并重的課程。課程內容的每一塊都與實際的工程應用密切相關。在整個教學過程中，強調對概念和原理的理解而不是死記硬背，培養(yǎng)的是獨立思考和獨立解決相關工程問題的能力。

3 課程教學改革實踐

工程教育有其本身的要求，作為大學的教育工作者，我們有責任向學生傳授廣泛的學科知識。CDIO全面描述了現代工程師所需的知識、能力及態(tài)度的完整內容，即我們希望獲得的教學效果。教學大綱是工程教育所需的重要文件，也是對教學效果的全面描述。CDIO教學大綱建立在對人才培養(yǎng)目標綜合分析的基礎之上，主要包括技術知識與推理、個人與職業(yè)技能、人際交往技能、 CDIO 4 個方面的內容[3]（見圖1）。

CDIO能力培養(yǎng)教學大綱為我校的數字圖像處理課程教學改革提供了理論指導。為此我們探索了以項目工程實踐為主線，教師課程講授和學生網絡課程自學三位一體的教學模式（見圖2）。整個課程的教學活動是通過實現若干個項目工程來整合課程的知識點。這些項目都來源于實際工程應用問題。例如：“基于五幀差分法的運動目標檢測算法”可應用于公共場所視頻監(jiān)控中，該項目工程問題涉及若干個數字圖像處理知識點：“圖像濾波”、“圖像邊緣檢測”、“圖像的代數運算”，“數學形態(tài)學”等。教師的課程講授則主要則重于圖像處理中涉及數學原理講解與推導，幫助學生克服自學過程中遇到的數學障礙。網絡課程自學則是學生利用優(yōu)質的在線學習資源進行自主學習提升學習能力和知識探索能力。

1）項目工程實踐：為了配合本課程的教學活動，我們成立了“數字圖像處理與計算機視覺”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室，給學生學習、創(chuàng)新，創(chuàng)業(yè)提供平臺。并將班級學生組織成若干個專項科研小組，如：“圖像分割小組”、“運動目標檢測小組”，數字圖像分析小組等。同時將教師的科研工作和安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃融合到興趣小組的實踐活動中，例如：鄒樂老師指導的“基于水平集的圖像分割算法”；高玲玲老師指導的“大學生機器人足球競賽”和唐超老師指導的“基于機器視覺的汽車流量檢測算法研究”等。為盡快提高學生的科研能力與自學能力，定期（一周或幾周）組織專項組內成員開展交流活動，每期一個專題，由學生將自己的專題調研報告向大家作匯報，交流活動后再進行項目的實際開發(fā)。實踐證明，這種方式對于學生的自學能力、科研能力和實踐能力有很強的促進作用。

2）課程講授：采用了“需求分析、理論推導與驗證、流程設計、編程實現、應用實例、優(yōu)化總結、前沿展望”的授課主線，采用邊講邊示范的方式進行，使理論學習與工程實踐在同一時空環(huán)境下完成。具體如下：（a）需求分析：圖像處理的實際處理需求，了解處理的必要性。（b）理論推導與驗證：貫徹 “少而精”原則，學生可以見到理論應用到實際的效果，增加認識，易于掌握實踐技術。（c）流程設計：通過有效的算法流程設計，優(yōu)化算法的時間復雜度與空間復雜度，加深對理論實現方法的理解。（d）編程實現：通過兩種不同的編程語言MATLAB和OpenCV向學生展示例子程序，加深學生對于知識點的理解，并解讀代碼編寫過程中需要注意的技巧與問題。（e）應用實例：給出與知識點密切相關的應用案例，通過案例來加深理論理解。（f）優(yōu)化總結：在實際應用的背景下，對現有方法進行優(yōu)化，以滿足實際應用需求。（g）前沿展望：對本知識點的最新學術發(fā)展進行介紹，開拓學生的思維空間，進一步激發(fā)學生的求知與學習熱情。

3） 網絡課程自學：為了進一步擴展學生知識，調動學生自主學習，自主研究熱情。為此課程組要求學生必須在課后完成與課程相關的自主學習內容與研究性學習內容的搜集、整理和匯報工作，并有效地將工程項目實踐融入到自主學習當中來。主要通過四個方面來進行擴展訓練：（a）教學內容補充擴展：引導學生通過查閱學習網上指定參考教材及中外文參考資料，促進學生主動學習，擴充知識面。（b）圖像處理軟件開發(fā)工具自學擴展：學生在學習了MATLAB語言、C語言和面向對象程序設計C++等課程后，通過進一步學習OpenCV機器視覺庫，VLIB軟件庫來實現圖像處理的應用開發(fā)。（c）專題知識擴展：由于圖像處理與模式識別技術密切相關，引導學生在網上自學相關模式識別與機器學習技術來拓展圖像處理應用能力。（d）豐富的在線精品教學資源擴展：讓學生通過網絡上提供精品課程資源進行在線學習，進一步完善學生的自主學習。

4 項目的實施效果

采用了CDIO模式的數字圖像處理課程具有課程教學與工程實踐教學并重特色，充分重視實際應用能力的培養(yǎng)，能過工程項目實踐，課程講授，網絡課程自學三位一體的方法，努力使基礎理論在實際應用中能得到很好的體現和應用。學生普遍反映，學習這門課收獲很大，課程無論從理論到具體實踐，都是十分成功的。

5 結論

本文結合數字圖像處理課程的特點，在CDIO教育模式基礎上，探索了一種新的數字圖像處理工程教學方法。教學實踐表明，該教學方法提高了學生的學習積極性，促進了其創(chuàng)新能力的提高。

參考文獻：

[1] 梁志貞，江海峰，楊小冬. 基于“卓越計劃”的《數字圖像處理》課程教學改革實踐[J].高教學刊，2016（3）：146-147.

[2] 李彤，張璇，王旭，等. SE-CDIO工程教育模式的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2014（1）：52-57.

[3] 陳旭輝，吳克壽，姜春艷. 基于CDIO理念的計算機工程教育模式[J].計算機教育，2010（18）：141-143.