陳 芳，張道強

（南京航空航天大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

研究性學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從自身學(xué)習(xí)及自身發(fā)展的需求出發(fā)，以探究的方式主動獲取知識、應(yīng)用知識、解決實際問題的教學(xué)方式［1-2］。研究性學(xué)習(xí)強調(diào)以學(xué)生為核心的學(xué)習(xí)新模式，學(xué)生通過自主選題、自我評估的方法進(jìn)行知識學(xué)習(xí)，從而在教師的引導(dǎo)下自主構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)體系。不同于傳統(tǒng)的接受性學(xué)習(xí)，研究性學(xué)習(xí)更強調(diào)學(xué)生的自主能動性，通過以學(xué)生為主體的教學(xué)模式完成知識傳授過程。

數(shù)字圖像處理技術(shù)是智能化領(lǐng)域最具有前景，也最富有挑戰(zhàn)的研究方向之一。目前，圖像處理技術(shù)被應(yīng)用于不同生活場景中，包括醫(yī)療健康、智能駕駛、智能安防等。數(shù)字圖像處理是一門利用計算機進(jìn)行圖像分析與信息提取的學(xué)科，作為人工智能大類的課程之一，具有理論與實際緊密聯(lián)系的特點［3-4］。針對數(shù)字圖像處理課程的實用性特點，如何在教學(xué)過程中引入研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)思想，實現(xiàn)一種教學(xué)新模式是值得探討的問題。

1 教學(xué)現(xiàn)狀與問題

隨著計算機處理性能的提升以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機視覺以及數(shù)字圖像處理技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注，目前已應(yīng)用于人們社會生活的各個方面，如工業(yè)檢測、醫(yī)學(xué)、智能機器人等。因此，目前國內(nèi)高校為電子信息專業(yè)的本科生和研究生開設(shè)了數(shù)字圖像處理課程。數(shù)字圖像處理課程現(xiàn)有教學(xué)方式主要通過課堂講授介紹圖像處理相關(guān)算法［5-6］。為了將研究性學(xué)習(xí)有效引入到現(xiàn)有數(shù)字圖像處理課程中，需要解決以下問題：

（1）啟發(fā)學(xué)生挖掘生活及科研中人們對數(shù)字圖像處理技術(shù)的實際需求，體現(xiàn)課程的實用性特點。圖像及視覺是人類從大自然中獲取信息最主要的手段，在人類獲取的信息中，視覺信息約占60%［7］。在實際生活中，學(xué)生也會接觸到各種類型的圖像，包括網(wǎng)絡(luò)圖片、電影圖像、手機照片等。目前，圖像信息采集方式也開始呈現(xiàn)出多元化特點。多元化的圖像采集設(shè)備如彩色相機、深度相機、紅外相機等便攜性不斷提高，價格也越來越低廉，因此在生活中的應(yīng)用越來越廣。應(yīng)當(dāng)有效利用多元化的圖像采集設(shè)備引導(dǎo)學(xué)生從圖像采集的源頭出發(fā)，發(fā)現(xiàn)生活中數(shù)字圖像處理技術(shù)的實際需求，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，體現(xiàn)課程“個性化、實用化”的特點。

（2）結(jié)合智慧教學(xué)平臺，在數(shù)字圖像處理課程中融入研究性學(xué)習(xí)。目前高校中數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容相對傳統(tǒng)，主要介紹傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)與圖像處理算法［8］。隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)也開始呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)驅(qū)動、開源平臺共享等新趨勢。圖像數(shù)據(jù)集和圖像分析方法的開源化、移動化特點越來越明顯［9］，例如手寫數(shù)字識別、花卉識別、人臉識別等圖像處理開源數(shù)據(jù)集已實現(xiàn)了全網(wǎng)共享。在這種新趨勢下，數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容亟待更新，在傳授數(shù)字圖像處理相關(guān)方法的同時，需要融入研究性學(xué)習(xí)的思想，側(cè)重以學(xué)生為主的實踐教學(xué)［10-11］。因此，在課程中突出研究性學(xué)習(xí)的特點，實現(xiàn)“主觀能動性為基礎(chǔ)，理論+工具促能力”的教學(xué)方式是很有意義的，特別是需要結(jié)合新型智慧教學(xué)平臺［12-13］，提高學(xué)生的工程實踐能力及專業(yè)水平。

（3）針對數(shù)字圖像處理課程特點進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的課程設(shè)計。目前數(shù)字圖像處理課程設(shè)計與其它類型課程幾乎完全相同，主要基于“課上講解+課后課程訓(xùn)練”的形式，沒有根據(jù)課程本身的特點進(jìn)行課程設(shè)計［14-15］。教師在課堂上采用填鴨式方式講解枯燥的圖像處理算法，導(dǎo)致學(xué)生課堂代入感不強。在課后訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，訓(xùn)練案例未針對學(xué)生的興趣點進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。然而，數(shù)字圖像處理課程具有開源化、移動化特點［16-17］，在課上講解與課后訓(xùn)練過程中需要選擇與學(xué)生生活直接相關(guān)的案例，以提高學(xué)生參與度，例如可以讓學(xué)生自主提供圖像素材進(jìn)行案例設(shè)計。同時，可根據(jù)該課程特點融入研究性學(xué)習(xí)的課程設(shè)計理念，加強教材選擇的自主性，以及課程考核的開放性，并在信息技術(shù)支持下建立資源發(fā)布和自助學(xué)習(xí)平臺，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

2 研究性學(xué)習(xí)在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革中的應(yīng)用舉措

研究性學(xué)習(xí)強調(diào)以學(xué)生為核心的教學(xué)新模式，不同于傳統(tǒng)的接受性學(xué)習(xí)，研究性學(xué)習(xí)更強調(diào)學(xué)生的自主能動性。為了尋找一種針對人工智能大類課程教學(xué)行之有效的研究性學(xué)習(xí)教學(xué)方案，本文針對數(shù)字圖像處理課程的實用性特點以及“開源化、共享化”的新趨勢，從教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教材選擇等方面提出5 點具體措施，如圖1 所示。

圖1 研究性學(xué)習(xí)在數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中的應(yīng)用舉措

（1）利用圖像硬件采集設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生找到需求點，提高學(xué)習(xí)興趣。21 世紀(jì)，人類跨入了圖像智能采集與處理的新時代［18］。隨著深度學(xué)習(xí)算法在圖像處理技術(shù)上的不斷突破，圖像采集與分析技術(shù)也開始應(yīng)用于人們的實際生活中［19］。例如，學(xué)生可利用智能相機拍攝生活中的美圖，也可利用深度體感相機進(jìn)行游戲娛樂等。為了啟發(fā)學(xué)生的應(yīng)用探究思維，該課程充分利用圖像采集硬件設(shè)備，如數(shù)碼相機、深度相機、紅外相機等開展室外圖像采集實踐活動。通過室外圖像采集實踐環(huán)節(jié)，不僅能引導(dǎo)學(xué)生找到圖像處理技術(shù)的實際需求點，為數(shù)字圖像處理課程提供相關(guān)案例素材，而且可以提高課程的趣味性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，在進(jìn)行課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計時，需要進(jìn)一步通過問卷調(diào)查、智能APP 投票等方式了解學(xué)生的個性化需求，制定針對性的教學(xué)目標(biāo)。

（2）結(jié)合智慧教學(xué)平臺，在課程體系中融入研究性學(xué)習(xí)的新思路?，F(xiàn)有數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式的弊端主要表現(xiàn)在專業(yè)知識陳舊過時、實踐教學(xué)較少等［20］。針對這些問題，在重視理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合“雨課堂”、“慕課”等智慧教學(xué)平臺，采用案例驅(qū)動式的教學(xué)方式。例如，在講授數(shù)字圖像處理課程中的“圖像分割”知識點時，可對新冠肺炎中CT 圖像肺部分割案例展開介紹。通過實際案例，結(jié)合雨課堂互動，讓學(xué)生對圖像分割的意義有直觀理解，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹圖像分割的理論方法。這種案例驅(qū)動方式可體現(xiàn)研究性學(xué)習(xí)思維，讓學(xué)生有更強的課程代入感。另外，還可由學(xué)生自主完成教學(xué)應(yīng)用案例選擇，并在案例教學(xué)過程中強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，與實際應(yīng)用接軌。同時，通過案例反饋互評的方式，讓學(xué)生對案例的教學(xué)效果進(jìn)行評價，增強學(xué)生的參與感。

（3）加強教材選擇的自主性，改革教學(xué)內(nèi)容。作為人工智能大類課程的一個分支，數(shù)字圖像處理技術(shù)是研究與模擬人類智能、實現(xiàn)自動化圖像分析的一門學(xué)科，覆蓋的知識面廣，包括算法層、數(shù)據(jù)層、代碼層等多個方面，而且將人工智能與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合也是21 世紀(jì)以來的新興領(lǐng)域［21］。因此，數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展十分迅速。在數(shù)字圖像處理課程的教材選擇上也應(yīng)與時俱進(jìn)，并注重學(xué)生在教材選擇上的自主性。學(xué)生可以選擇經(jīng)典紙質(zhì)教材，如岡薩雷斯編寫的《數(shù)字圖像處理》紙質(zhì)課本，也可以選擇新興的交叉類電子教材，如吳恩達(dá)的人工智能電子教材等。通過紙質(zhì)與電子教材的配合使用，保證課程教材既具經(jīng)典性，又能反映最新的技術(shù)發(fā)展。同時，通過智能APP 投票的方式，選擇出最受學(xué)生歡迎的5 篇圖像處理領(lǐng)域的綜述性學(xué)術(shù)論文作為輔助教材。通過“經(jīng)典教材+新興電子教材+綜述性學(xué)術(shù)論文”的方式，加強教材選擇的自主性，進(jìn)一步提高學(xué)生參與度。

（4）制定基于研究性學(xué)習(xí)的新型課程考核方案。研究性學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，從自身學(xué)習(xí)及自身發(fā)展的需求出發(fā)自主選擇研究專題，以探究的方式主動獲取知識。因此，在確定數(shù)字圖像處理課程考核方案時，也需要體現(xiàn)學(xué)生的自主性和個性化。由于圖像采集與處理技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，目前一些針對圖像處理技術(shù)的公開挑戰(zhàn)賽也越來越多，因此可鼓勵學(xué)生參加相關(guān)挑戰(zhàn)賽，利用課程知識解決實際問題。例如，對健康醫(yī)療感興趣的學(xué)生可以選擇參加醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)挑戰(zhàn)賽作為課程考核，對智能駕駛感興趣的學(xué)生可以選擇參加車輛行人識別相關(guān)挑戰(zhàn)賽作為課程考核。另外，鼓勵學(xué)生利用圖像處理技術(shù)解決生活中的實際問題，如為所在研究組開發(fā)一個實驗室專用的圖像識別打卡系統(tǒng)等。建立基于研究性學(xué)習(xí)的新型課程考核方式，可突出圖像智能處理課程考核的實用性，增加學(xué)生的參與感。

（5）利用圖像處理技術(shù)建立圖像交流平臺，學(xué)以致用。在課程應(yīng)用階段，在授課教師帶領(lǐng)下利用圖像處理技術(shù)建立圖像交流平臺。在平臺中，學(xué)生可自主實現(xiàn)圖像美化功能、圖像轉(zhuǎn)語音功能等，并可將相關(guān)功能用于交流、娛樂等，從而讓更多學(xué)生對數(shù)字圖像處理技術(shù)產(chǎn)生興趣。另外，在基于研究性學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革中，也需要采用智慧教學(xué)解決方案，包括“翻轉(zhuǎn)課堂”、“課程挑戰(zhàn)賽互動”、“短視頻學(xué)習(xí)”等，如圖2 所示。例如，將手機短視頻APP 與數(shù)字圖像處理課程結(jié)題匯報相結(jié)合，通過熱門的短視頻軟件，提高學(xué)生對課程結(jié)題作品的重視度。

圖2 可配套使用的智慧教學(xué)解決方案

3 結(jié)語

研究性學(xué)習(xí)通過以學(xué)生為主體的教學(xué)方式進(jìn)行知識傳授，是一種以學(xué)生為核心的學(xué)習(xí)新模式。本文針對數(shù)字圖像處理課程的實用性特點，探索了基于研究性學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革實踐，并從教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、教材選擇等方面提出了5 點具體改革措施。基于研究性學(xué)習(xí)的數(shù)字圖像處理課程改革能夠有效提升學(xué)生的應(yīng)用探究意識，引導(dǎo)教師在課程教學(xué)中重視應(yīng)用需求、強化課題研究。在未來研究中，可將研究性學(xué)習(xí)進(jìn)一步推廣到人工智能大類的其它課程教學(xué)中，為人工智能類課程教學(xué)提供新思路。