■ 丁 衛(wèi)，王 偉

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)界的科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)格局正在發(fā)生重大調(diào)整，在“新工科”背景下，學(xué)科交叉融合已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]。數(shù)字圖像處理是一門(mén)融合電子學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的交叉課程[2]，具有多學(xué)科交叉課程的一般特性，即呈現(xiàn)內(nèi)容覆蓋面廣、理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生綜合能力要求高的特點(diǎn)[3]。在實(shí)際教學(xué)中，該課程具有如下特征：首先，數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容寬泛，但各個(gè)章節(jié)內(nèi)容獨(dú)立，導(dǎo)致學(xué)生難以構(gòu)建系統(tǒng)性的知識(shí)體系，容易失去學(xué)習(xí)興趣，影響后續(xù)學(xué)習(xí)[4]；其次，數(shù)字圖像處理課程注重理論講解，并未強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生開(kāi)放性思維進(jìn)行鍛煉，“重理論、輕實(shí)踐”，在面對(duì)實(shí)際的圖像處理問(wèn)題時(shí)，學(xué)生往往束手無(wú)策[5]；再次，數(shù)字圖像處理課程知識(shí)點(diǎn)多，涉及內(nèi)容包括圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像理解等，受課時(shí)限制，單純利用課堂時(shí)間和依靠書(shū)本教材并不能讓學(xué)生快速掌握學(xué)科基本理論知識(shí)，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果；最后，數(shù)字圖像技術(shù)更新快，實(shí)際應(yīng)用多樣化，教學(xué)內(nèi)容與新技術(shù)之間存在脫節(jié)，教學(xué)內(nèi)容不足以解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。隨著數(shù)字圖像處理課程在諸多人工智能、機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，該課程正成為信息處理技術(shù)中發(fā)展最快且應(yīng)用范圍最廣的課程。因此，以數(shù)字圖像處理課程為代表，以培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的新型復(fù)合工科人才為目標(biāo)的多學(xué)科交叉課程的教育模式和教學(xué)內(nèi)容改革亟待探索。

一、數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革研究現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)教學(xué)研究人員對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程、實(shí)踐和創(chuàng)新教學(xué)、課程育人等方面進(jìn)行了一系列探索和實(shí)踐改革。王偉等[6]探討了一種將傳統(tǒng)教學(xué)模式與在線教學(xué)結(jié)合的新的混合教學(xué)模式，將課堂教學(xué)與MOOC資源相結(jié)合，課外以豐富的視頻資源教學(xué)為主，課上針對(duì)視頻授課的內(nèi)容進(jìn)行深入討論、答疑為主。李亞楠等[3]強(qiáng)調(diào)采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)法與過(guò)程性考核，基于PBL模式的教學(xué)流程具體分為創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境、組織學(xué)習(xí)小組、認(rèn)識(shí)、成果展示、交流與評(píng)價(jià)及反思與總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，使其逐漸形成觀察、思考和解決有關(guān)理論和實(shí)踐問(wèn)題的能力；崔文超等[2]基于OBE理念，探索了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式對(duì)數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行改革，從項(xiàng)目調(diào)研、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)、項(xiàng)目運(yùn)行反饋四個(gè)方面對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行工程化重塑，多年的教學(xué)實(shí)踐表明該模式能有效提高學(xué)生的工程應(yīng)用實(shí)踐能力；羅曉清等[7]對(duì)研究生“計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理與應(yīng)用”課程教學(xué)改革進(jìn)行探索，對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)策略以及考核方式進(jìn)行探索；田園等[8]以數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革為例展開(kāi)研究，數(shù)字圖像處理課程的實(shí)踐教學(xué)因秉承“一條主線、三個(gè)模塊”理念展開(kāi)創(chuàng)新實(shí)踐，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到處理實(shí)際問(wèn)題中；張儼娜等[9]基于翻轉(zhuǎn)課堂重新設(shè)計(jì)了教學(xué)流程和內(nèi)容，以期變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)思辨和創(chuàng)新能力；侯麗玲[10]針對(duì)高職專(zhuān)科院?！皵?shù)字圖像處理”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了基于Halcon軟件的數(shù)字圖像處理教學(xué)方案。談玲瓏等[11]在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加面向工程實(shí)踐的特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，打破傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)間、空間限制，在實(shí)驗(yàn)考核中增加對(duì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)、操作演示情況以及線上學(xué)習(xí)情況的考核；劉東等[12]從課程內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)方法改革、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置等三個(gè)方面探討了人工智能視域下數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革。

從上述研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)數(shù)字圖像處理教學(xué)方法開(kāi)展了深入研究，但是現(xiàn)有數(shù)字圖像處理課程教學(xué)方法尚未詳細(xì)闡明教學(xué)理論方法應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)的具體實(shí)施過(guò)程；數(shù)字圖像處理課程知識(shí)點(diǎn)多且相互獨(dú)立，但尚未建立數(shù)字圖像處理課程中知識(shí)點(diǎn)之間的知識(shí)串聯(lián)模型；數(shù)字圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，應(yīng)用類(lèi)目多樣化，而現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用之間存在脫節(jié)，導(dǎo)致無(wú)法真正學(xué)以致用。為了解決上述問(wèn)題，本文基于OBE教學(xué)理念，以學(xué)生學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)為導(dǎo)向，以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為目標(biāo)，強(qiáng)化學(xué)生的主觀能動(dòng)性和實(shí)踐能力，不斷提高數(shù)字圖像處理的教學(xué)質(zhì)量。

二、基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目式融合教學(xué)方法

（一）基本原理

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)是模擬人類(lèi)學(xué)習(xí)發(fā)生機(jī)制，教師通過(guò)設(shè)計(jì)與學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備相匹配的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性的教學(xué)方法。該方法可以以學(xué)生為教學(xué)中心，實(shí)現(xiàn)課堂由“教師知識(shí)灌輸”向“師生互動(dòng)式學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變[3]。然而在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)存在如下不足：首先針對(duì)具體教學(xué)內(nèi)容該如何合理設(shè)計(jì)問(wèn)題，其次問(wèn)題之間的內(nèi)在邏輯性和引導(dǎo)性不足，最后問(wèn)題設(shè)計(jì)缺乏實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題考慮和知識(shí)拓展。為了解決上述問(wèn)題，本文從數(shù)字圖像處理課程特點(diǎn)、人才培養(yǎng)需求和學(xué)生發(fā)展的角度出發(fā)，提出了一種新的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)和項(xiàng)目式教學(xué)融合的教學(xué)方法，教學(xué)思維導(dǎo)圖如圖1所示。首先將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)分解為以下三個(gè)問(wèn)題，即“所學(xué)知識(shí)點(diǎn)是什么？”“知識(shí)點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)的？”“知識(shí)點(diǎn)是如何應(yīng)用的？”，再依據(jù)每個(gè)問(wèn)題的復(fù)雜度，分解為2—3個(gè)小問(wèn)題，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生按照邏輯順序解決小問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三個(gè)大問(wèn)題的求解，在問(wèn)題求解中，引導(dǎo)學(xué)生完成知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)。在問(wèn)題設(shè)置時(shí)，需要考慮學(xué)生的前期知識(shí)儲(chǔ)備和能力，設(shè)計(jì)合理難度的問(wèn)題，讓學(xué)生能夠“跳一跳，摘個(gè)桃”；其次，問(wèn)題設(shè)計(jì)要具有一般解決問(wèn)題的邏輯性，要符合由易到難，由簡(jiǎn)單到綜合，且要注意解決問(wèn)題的先后次序；最后，問(wèn)題設(shè)計(jì)要理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。該方法以學(xué)生興趣培養(yǎng)為導(dǎo)向，強(qiáng)化學(xué)生的主觀能動(dòng)性；以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為邏輯主線，培養(yǎng)學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力；以實(shí)際工程應(yīng)用為教學(xué)情境，提升學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力。

圖1 教學(xué)思維導(dǎo)圖

（二）教學(xué)設(shè)計(jì)

本文以數(shù)字圖像處理中Hough變換為例，以無(wú)人駕駛中車(chē)道線檢測(cè)為應(yīng)用情境，以問(wèn)題為邏輯主線展開(kāi)知識(shí)點(diǎn)，具體實(shí)施方式如圖2所示。課前通過(guò)藍(lán)墨云班課手機(jī)APP發(fā)布課前預(yù)習(xí)任務(wù)，對(duì)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、預(yù)習(xí)情況進(jìn)行了解，為進(jìn)一步課堂理論教學(xué)提供參考。在教學(xué)過(guò)程中，以智能車(chē)無(wú)人駕駛中車(chē)道線檢測(cè)為情境，播放相關(guān)視頻以吸引學(xué)生注意力，明確課程內(nèi)容。通過(guò)圖片演示，幫助同學(xué)具體回顧邊緣檢測(cè)知識(shí)，并提出問(wèn)題，即邊緣檢測(cè)后，如何進(jìn)一步自動(dòng)連接斷開(kāi)的輪廓并檢測(cè)道路線？從而引入課程內(nèi)容并建立新知識(shí)點(diǎn)和已學(xué)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系。新課內(nèi)容由理論教學(xué)和教學(xué)演示組成，其中理論教學(xué)圍繞以下三個(gè)主要問(wèn)題展開(kāi)，即“什么是Hough變換？”“怎么實(shí)現(xiàn)Hough變換？”“如何應(yīng)用Hough變換？”。具體如下：

圖2 Hough變換教學(xué)設(shè)計(jì)

1.針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題“什么是Hough變換？”，將該問(wèn)題分解為以下三個(gè)小問(wèn)題：通過(guò)問(wèn)題1引出參數(shù)和參數(shù)坐標(biāo)的概念；利用問(wèn)題2觀察圖像坐標(biāo)與參數(shù)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，引出Hough變換的基本原理和性質(zhì)；通過(guò)垂直直線無(wú)法用直角參數(shù)方程表示，引出問(wèn)題3：為什么直線要用極坐標(biāo)參數(shù)表達(dá)式表示。

2.針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題“怎么實(shí)現(xiàn)Hough變換？”，將該問(wèn)題分解為兩個(gè)小問(wèn)題，通過(guò)解決問(wèn)題，使學(xué)生掌握Hough變換的計(jì)算原理和實(shí)現(xiàn)步驟。

3.針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題“如何實(shí)現(xiàn)Hough變換工程應(yīng)用？”，將該問(wèn)題分解為三個(gè)小問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題1讓學(xué)生明白使用車(chē)道線檢測(cè)的具體實(shí)施步驟，通過(guò)算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)已學(xué)圖像預(yù)處理知識(shí)和新學(xué)知識(shí)的知識(shí)串聯(lián)；通過(guò)問(wèn)題2引導(dǎo)學(xué)生了解圖像處理軟件中圖像處理模塊相關(guān)算子和參數(shù)的含義，能夠根據(jù)具體情況，靈活選用算子和修改參數(shù)；通過(guò)問(wèn)題3讓學(xué)生掌握?qǐng)D像處理編程軟件使用方法，實(shí)現(xiàn)基于Matlab或者Halcon的車(chē)道線檢測(cè)完整過(guò)程。

知識(shí)點(diǎn)講解完畢后，帶領(lǐng)學(xué)生回顧教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)Hough變換的主要性質(zhì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，在理解Hough主要思想的基礎(chǔ)上，知識(shí)拓展思考Hough變換還可用于哪些曲線的自動(dòng)檢測(cè)。課后，通過(guò)二維碼給學(xué)生分享卡奈基梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究主頁(yè)，方便學(xué)生復(fù)習(xí)和知識(shí)拓展；通過(guò)藍(lán)墨云設(shè)置測(cè)試題目，使學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（三）教學(xué)改進(jìn)

本教學(xué)設(shè)計(jì)基于OBE教學(xué)理念，采用以問(wèn)題為中心的教學(xué)法，使學(xué)生掌握Hough變換的基本原理、實(shí)現(xiàn)步驟和實(shí)際應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生在類(lèi)似智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中學(xué)以致用。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以通過(guò)藍(lán)墨云軟件設(shè)置調(diào)查問(wèn)卷，以及通過(guò)QQ和微信等聯(lián)系方式與學(xué)生建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系，及時(shí)解決同學(xué)們學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題，課后的學(xué)生評(píng)價(jià)以及課后作業(yè)反映出了學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況對(duì)教學(xué)方案作出調(diào)整，以確保教學(xué)質(zhì)量并且持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方案。

從數(shù)字圖像處理課程需求、學(xué)生需求和學(xué)生發(fā)展的角度出發(fā)，基于OBE教學(xué)理念，對(duì)數(shù)字圖像處理的教學(xué)過(guò)程和教學(xué)方法進(jìn)行了探索，提出了一種新的基于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目式融合教學(xué)方法。該方法通過(guò)合理設(shè)置問(wèn)題和引導(dǎo)式解決問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的主導(dǎo)性、能動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)項(xiàng)目式融合教學(xué)，可將算法的理論知識(shí)與具體應(yīng)用緊密結(jié)合，增強(qiáng)各個(gè)獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，有利于為學(xué)生建立完整的知識(shí)體系，提高教學(xué)質(zhì)量，并為其他多學(xué)科交叉課程的教學(xué)實(shí)踐提供理論參考。