姜秀艷，徐迎曉，張 睿

（復(fù)旦大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200433）

0 引言

傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程的講授方法集中在“教”和“受”兩方面，即教師在課堂上“教”，學(xué)生被動接“受”與數(shù)字圖像處理相關(guān)的技術(shù)或原理。導(dǎo)致學(xué)生在課堂中一直處于被動狀態(tài)，可能無法完全理解教師所講授的內(nèi)容或觀點。此外，教師通常為了保證教學(xué)進度，無法顧及每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)感受。

由于學(xué)生未能真正理解課堂所學(xué)知識或缺乏與圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的擴展資料，導(dǎo)致學(xué)生深度思考所學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)積極性下降。并且，數(shù)字圖像處理課程的重要實驗受教學(xué)課時限制，通常依賴于學(xué)生課下自主完成，難以保證實驗完成質(zhì)量。

為了解決以上問題，本文通過結(jié)合線上線下教學(xué)方式，設(shè)計了一個針對數(shù)字圖像處理課程實際情況的混合式教學(xué)方案。線上方面，學(xué)生利用課外時間自主學(xué)習(xí)，以“學(xué)”為中心取代傳統(tǒng)教學(xué)模式，以“教”為中心，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性和積極性；線下方面，通過討論線上所學(xué)內(nèi)容和對當(dāng)前研究熱點論文進行報告、互評，拓展學(xué)生對數(shù)字圖像處理技術(shù)的視野，并通過線下指導(dǎo)學(xué)生進行實驗，在保證實驗的質(zhì)量的同時，提升學(xué)生對數(shù)字圖像處理領(lǐng)域經(jīng)典算法和技術(shù)的理解及應(yīng)用能力。

1 相關(guān)工作

目前針對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的研究較多。陳芳等提出了面向研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，在教學(xué)考核中鼓勵學(xué)生完成科研課題或參加數(shù)字圖像處理技術(shù)的挑戰(zhàn)賽。崔金榮等提出教學(xué)科研一體化式教學(xué)，在教學(xué)中采用案例化教學(xué)。唐曉芬等提出以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的教學(xué)方法，采用問題驅(qū)動、啟發(fā)式思考和項目驅(qū)動的教學(xué)方式進行教學(xué)。李坤乾等面向工程認證的教學(xué)模式，在學(xué)習(xí)圖像理論過程中，著重于利用所學(xué)技術(shù)理論解決實際問題。歐先鋒等提出將理論基礎(chǔ)與實際工程相結(jié)合，在講解理論過程中引入實際工程案例。然而，上述方法均偏向于研究性教學(xué)或面向工程教學(xué)，都屬于線下教學(xué)方式，未能充分利用線上教學(xué)優(yōu)勢，還是基于以“教”為主傳統(tǒng)教學(xué)模型，未能充分發(fā)揮學(xué)生的自主性。

為此，魯明麗等針對數(shù)字圖像處理課程提出了混合式教學(xué)方案，通過結(jié)合線上線下教學(xué)方式，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和仿真實驗?zāi)芰?。范春年等設(shè)計并實施了一個“以學(xué)生為中心”的在線教學(xué)方案，該方案通過學(xué)生在線學(xué)習(xí)、在線測試、在線討論等環(huán)節(jié)完成教學(xué)工作。劉燕等以數(shù)字圖像處理課程為例，探究了“MOOC+在線翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，學(xué)生在線學(xué)習(xí)后提出問題，教師根據(jù)問題引導(dǎo)學(xué)生對知識進行再次梳理。徐志剛等基于混合式教學(xué)進行數(shù)字圖像處理課程。黃朝兵等對數(shù)字圖像處理的混合式教學(xué)模式進行設(shè)計和實踐，線下部分主要討論數(shù)字圖像處理線上學(xué)習(xí)部分的一些問題。以上方法均基于線上教學(xué)或混合式教學(xué)模式，但未強調(diào)教學(xué)的各個目標(biāo)、知識點及考核目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，并未突顯以“學(xué)”為主的目的和面向“提出問題—分析問題—解決問題”的基本思路，在教學(xué)中強調(diào)學(xué)生對當(dāng)前數(shù)字圖像處理領(lǐng)域研究課題的認識較少。

為此，本文提出線上線下相結(jié)合的以“學(xué)”為中心的混合式教學(xué)方案。具體地，線上部分以“提出問題—分析問題—解決問題”方式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)數(shù)字圖像技術(shù)內(nèi)容；線下部分，教師引導(dǎo)學(xué)生對課程相關(guān)部分進行深入討論、拓展與實驗，并對當(dāng)前研究熱點論文進行報告交流。以期充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動力和提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決實際工程問題的能力。

2 混合式教學(xué)方案

如圖1 所示，數(shù)字圖像處理課程的混合式教學(xué)模式包括線上、線下兩部分，始終貫穿以“學(xué)”為中心，面向問題解決思想，培養(yǎng)學(xué)生“提出問題—分析問題—解決問題”的能力。

Fig.1 Overall composition of digital image processing hybrid teaching scheme圖1 數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)方案總體構(gòu)成

2.1 線上內(nèi)容設(shè)計

線上部分內(nèi)容分為課件內(nèi)容、實驗內(nèi)容和當(dāng)前數(shù)字圖像處理的研究和應(yīng)用。

2.1.1 課件內(nèi)容

視頻內(nèi)容通常圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”的思路。例如，在講解圖像壓縮部分時，可將講解內(nèi)容劃分為以下幾個部分：①為何要壓縮圖像；②為何圖像可以壓縮（可以壓縮那些信息）；③如何進行圖像壓縮（有哪些思路）；④每種方法如何實現(xiàn)（圍繞數(shù)學(xué)建模、理論堆導(dǎo)、實驗驗證等方面進行展開討論）；⑤每種壓縮方法的優(yōu)、缺點。考慮到長時間觀看視頻容易產(chǎn)生視覺疲勞，將每一章內(nèi)容分開錄制，單個視頻時長控制在10min 內(nèi)，并且在觀看教學(xué)視頻前，要求學(xué)生先閱讀學(xué)習(xí)目標(biāo)和關(guān)鍵知識點，以便于學(xué)生帶著問題和目標(biāo)進行學(xué)習(xí)。

2.1.2 實驗內(nèi)容

數(shù)字圖像處理技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的重要分支，也是一門注重應(yīng)用的課程。通常會安排實驗，加深學(xué)生對數(shù)字圖像處理技術(shù)的理解，促使學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實際應(yīng)用中。本文實驗設(shè)置主要分布在圖像壓縮編碼、圖像增強的方法、中值濾波、圖像恢復(fù)和圖像重建等章節(jié)。

2.1.3 當(dāng)前數(shù)字圖像處理的研究和應(yīng)用內(nèi)容

研究內(nèi)容主要來源于國內(nèi)外期刊、會議、最新的業(yè)界咨詢等。從中提取的內(nèi)容可在一定程度上拓展本科生的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促使其通過查詢資料進一步了解最新的數(shù)字圖像處理技術(shù)和應(yīng)用。

2.2 線下內(nèi)容設(shè)計

線下部分的內(nèi)容設(shè)計主要分為問題討論和答疑、實驗部分和目前數(shù)字圖像處理技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展的討論。

2.2.1 問題討論和答疑

為進一步加深學(xué)生的理解，通過公開討論形式圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”的思路進行問題討論和答疑，這部分內(nèi)容相較于視頻內(nèi)容更注重實際應(yīng)用。例如，在數(shù)字圖像增強的章節(jié)內(nèi)容中，設(shè)計不同類型的圖像，可使用哪些方法進行處理？為何采用該方法？方法的原理？不同方法處理的區(qū)別？通過討論促使學(xué)生理解和掌握相關(guān)方法。表1 為數(shù)字圖像處理不同教學(xué)內(nèi)容線下討論問題。

Table 1 Problems discussed offline in the hybrid teaching program表1 混合式教學(xué)方案線下討論問題

2.2.2 實驗部分

傳統(tǒng)教學(xué)模式的實驗部分由學(xué)生自主線下完成，教師無法掌握實驗部分的教學(xué)效果，但實驗是學(xué)生了解數(shù)字圖像處理的重要步驟，是將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于實際的有效演練。因此，本文提出的教學(xué)模式通過學(xué)生間對實驗結(jié)果的討論及教師的答疑和指導(dǎo)，使學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)能夠充分得到鍛煉，并使教師能夠?qū)崟r掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

2.2.3 目前數(shù)字圖像處理技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展的討論

學(xué)生線下閱讀目前數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的最新熱點論文后進行口頭報告，并在教師的帶領(lǐng)下開展討論，也可選擇多位學(xué)生合作精讀一篇論文后開展報告，其他同學(xué)提問。該方式可有效擴展學(xué)生的視野，并將所學(xué)的數(shù)字圖像處理技術(shù)與當(dāng)下研究領(lǐng)域的進展相關(guān)聯(lián)，通過討論各種圖像技術(shù)的原理、發(fā)展和適用范圍，能進一步加深學(xué)生對所學(xué)知識和相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的了解。

2.3 線上線下比例及互動設(shè)計

本文設(shè)定相同的線上、線下課程學(xué)習(xí)時間。學(xué)生可先收集在線上學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的問題，集中在線下進行討論。通過線上線下相結(jié)合的方式，一方面能夠加深學(xué)生對圖像研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的理解；另一方面可在學(xué)生間進行信息共享，促進相互交流。

2.4 教學(xué)目標(biāo)和考核機制一致性設(shè)計

由于混合式教學(xué)線上內(nèi)容需要明確的教學(xué)目標(biāo)，并需要對應(yīng)的考核機制進行支撐。因此，將線上測試、線上討論均計入最終成績。具體在分數(shù)層面，根據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)課程的特點，各部分的成績占比如下：觀看視頻占15%，在線測試占15%，在線討論占15%，線下討論占15%，線下口頭報告占10%，線下實驗占15%，期末書面報告占15%。如此，學(xué)生的每一個學(xué)習(xí)過程都具有相應(yīng)的考核分數(shù)，可充分調(diào)動學(xué)生的積極性和自主性。

線上測試一般以選擇題和簡答題為主，全面考察學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)包含的知識點。為了保證學(xué)習(xí)時間，設(shè)定學(xué)生在看完視頻后才可進行測試，測試完成后方可進入討論環(huán)節(jié)，討論完成后，整個小節(jié)的內(nèi)容學(xué)習(xí)才完全結(jié)束。如此安排才能夠讓學(xué)生在一個較為寬泛的范圍內(nèi)，自主選取自身感興趣且與課程相關(guān)的研究主題。此外，書面報告可將學(xué)生互評與教師評語兩種形式相結(jié)合，進一步提升課程教學(xué)質(zhì)量。

3 實踐效果

數(shù)字圖像處理課程的混合式線上教學(xué)平臺采用了復(fù)旦大學(xué)的elearning 平臺，目前平臺已經(jīng)完成初步搭建并正在完善中。平臺學(xué)習(xí)資源包括視頻、PPT 課件、相關(guān)研究論文等方面的內(nèi)容，支持線上測試及討論。

本文提出的教學(xué)方法相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，使學(xué)生在課堂上的主動性顯著提升，改善了學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中較為被動的情況，線下超過30%的學(xué)生能夠主動提出問題并分享自身觀點，課堂氣氛更加活躍。

通過團隊合作閱讀熱點論文，提升了學(xué)生間的團隊合作能力，90%以上的學(xué)生在討論和書面報告環(huán)節(jié)，能夠體現(xiàn)自身想法、思路及對研究熱點的理解。

此外，學(xué)生在聽取其他同學(xué)報告的同時，也能進一步鞏固所學(xué)知識點，擴展自身視野，將知識點與自身理解相互串聯(lián)，進一步提升對問題的理解深度。實踐證明，以“學(xué)”為中心的教學(xué)方案能夠有效提升學(xué)生的實際學(xué)習(xí)效果和積極性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一個數(shù)字圖像處理課程的混合式教學(xué)方案，該方案圍繞以“學(xué)”為中心，以面向問題的思路，圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”設(shè)計教學(xué)方案。線上學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主測試并在老師引導(dǎo)下進行自主討論；線下教師根據(jù)線上學(xué)習(xí)問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論，完成實驗、口頭報告，并且在課程考核方面與教學(xué)目標(biāo)一一對應(yīng)。通過疫情期間的線上教學(xué)實踐證明，該方案線上部分的設(shè)計顯著提升了學(xué)生的主動性和積極性。