孫 鵬，段洪英，趙喜清，黃文文，楊晶晶

(1.河北北方學院 信息科學與工程學院，河北 張家口 075000；2.張家口市人防(民防)指揮信息保障中心，河北 張家口 075000；3.河北建筑工程學院 電氣工程學院，河北 張家口 075000)

數(shù)字圖像處理是電子通信類本科專業(yè)的一門綜合應(yīng)用性課程，通常設(shè)置于計算機科學與技術(shù)、電子信息科學與技術(shù)、電子信息工程和通信工程等專業(yè)的高年級學年中。該課程包含了大量的抽象概念、數(shù)學公式和圖形演示，涉及的算法較復雜，且其中的很多重要概念和核心算法都需要通過較為繁瑣的數(shù)學公式推導來闡述。傳統(tǒng)的教學方法一般以教師為主導，按照教材的組織結(jié)構(gòu)和編排順序展開課堂教學的各個環(huán)節(jié)。但在教學中，教師需要對教學知識點的歷史演變和存在意義、相關(guān)的數(shù)學基礎(chǔ)以及對應(yīng)的算法描述等作完整的理論鋪墊，再進行應(yīng)用實例的介紹與講解，學生以課后習題和實驗課的形式進行學習實踐[1]。與傳統(tǒng)教學方法較為不同，實踐驅(qū)動教學法是以實踐項目為主導的方法。教師在教學過程中起輔助作用，學生則需要按照教師設(shè)計的實踐項目自主學習并完成相應(yīng)的實驗任務(wù)。實踐證明，實踐驅(qū)動教學法在實際教學中取得了良好的效果，得到了教師與學生的肯定。

一、實踐驅(qū)動教學概況

實踐驅(qū)動教學法是授課教師根據(jù)授課內(nèi)容設(shè)計難度適宜的實踐項目的教學方法，在授課內(nèi)容的組織形式和組織順序上都與傳統(tǒng)教學方法有較大的不同。在教學過程中，教師針對課程某環(huán)節(jié)的核心知識設(shè)計難度逐級遞進的教學任務(wù)，并布置給學生自行完成。學生在完成實踐項目的過程中需要自行查閱參考資料和學習軟件的使用方法，組成學習小組分析討論并解決問題，逐一完成實踐項目中教師布置的各項任務(wù)。這種實踐性學習過程的目的是讓學生自主學習，遇到問題后去查找資料并逐一弄清各個知識點。因此，實踐驅(qū)動教學法是“先實踐，后理論”的方法，也可以講是“實踐和理論同時進行”的方法[2-4]。

二、實踐驅(qū)動教學設(shè)計

文章選取“數(shù)字圖像處理”課程第二章“空間域圖像處理”中的“中值濾波”降噪算法[5]作為授課內(nèi)容，設(shè)計實踐驅(qū)動教學案例。在教學中，具體設(shè)計了“圖像加噪實驗”“掩模尺寸對濾波效果影響的實驗”和“多次中值濾波實驗”3個實踐內(nèi)容，并使用MATLAB軟件進行模擬仿真[6]。

(一)圖像加噪實驗

在圖像加噪實驗中，首先，教師簡單介紹MATLAB圖像處理工具箱中的加噪函數(shù)imnoise( )[6]；其次，教師布置學生查看MATLAB幫助文檔學習此函數(shù)的基本功能、參數(shù)用法與應(yīng)用示例；最后，教師演示使用imnoise( )函數(shù)對圖像分別添加椒鹽噪聲和高斯噪聲(圖1)。其中，圖1(a)是未添加噪聲的原始圖像，圖1(b)是向原始圖像添加了0均值和0.1方差椒鹽噪聲的圖像，圖1(c)是向原始圖像添加了0均值和0.1方差高斯噪聲的圖像。由圖1可知，椒鹽噪聲和高斯噪聲均對圖像產(chǎn)生了一定程度的污染，降低了圖像的顯示效果。但由于椒鹽噪聲和高斯噪聲有不同的統(tǒng)計特性，其對圖像的污染效果并不相同。

圖1 教師引導演示1

基于教師演示，學生進行實驗的內(nèi)容為：1.使用imnoise( )函數(shù)為圖像增添噪聲。噪聲類型為椒鹽和高斯兩種。噪聲參數(shù)為：均值都為0，方差依次為0.01、0.05、0.1、0.5和0.8。實驗要求將加噪聲的圖像分別在MATLAB環(huán)境中顯示出來，并保存圖像，圖中需作出對應(yīng)標注以顯示圖像的噪聲類型和噪聲參數(shù)。2.分組討論相同噪聲類型與不同噪聲參數(shù)的圖像的區(qū)別，以及相同噪聲參數(shù)與不同噪聲類型的圖像的區(qū)別。

(二)掩模尺寸對濾波效果影響的實驗

在該教學任務(wù)中，首先，教師介紹MATLAB圖像處理工具箱中的中值濾波函數(shù)medfilt2( )[6]；其次，教師布置學生查看MATLAB幫助文檔學習此函數(shù)的基本功能、參數(shù)用法和應(yīng)用示例；最后，教師演示使用3×3和11×11尺寸掩模對圖1(b)進行中值濾波，實驗結(jié)果如圖2所示。通過觀察可以看出，3×3尺寸掩模的中值濾波效果很好，圖像清晰。而使用11×11尺寸掩模的濾波結(jié)果顯示效果較差，圖像模糊，圖像細節(jié)大量丟失。為進行定量分析，使用MATLAB中的corr2( )函數(shù)[6]計算濾波結(jié)果圖像與原始圖像的相關(guān)度系數(shù)。圖2(a)與原始圖像的相關(guān)度系數(shù)為R1=0.990 8，圖2(b)與原始圖像的相關(guān)度系數(shù)為R2=0.867 5。數(shù)據(jù)顯示，使用3×3尺寸掩模的濾波結(jié)果即圖2(a)與原圖的相似度在99%以上，是較理想的濾波結(jié)果。而使用11×11尺寸掩模的濾波結(jié)果圖2(b)與原圖的相似度大約為87%，效果較差。簡言之，無論是圖像的直觀顯示效果還是通過定量計算對比相似度系數(shù)，均可知3×3尺寸掩模的濾波效果更好。由此得出結(jié)論，掩模尺寸的大小對濾波效果是有影響的。

圖2 教師引導演示2

基于教師演示及分析，學生進行實驗的內(nèi)容為：1.依次使用3×3、5×5、7×7、9×9、11×11以及13×13尺寸的中值濾波掩模對含有高斯噪聲和椒鹽噪聲的圖像進行中值濾波。值得注意的是，噪聲參數(shù)可以使用0均值和0.1方差，也可由學生自主設(shè)定；2.使用MATLAB作出用于表示相關(guān)度系數(shù)與掩模尺寸關(guān)系的函數(shù)圖。實驗結(jié)束后，學生分組討論不同尺寸中值濾波掩模的濾波效果的區(qū)別，得出結(jié)論并形成報告。

(三)多次中值濾波實驗

在此教學任務(wù)中，教師需對含有重度椒鹽噪聲的圖像作兩次中值濾波，并演示分析結(jié)果，實驗演示過程如圖3所示。其中，圖3(a)是未添加噪聲的原始圖像，圖3(b)是添加0均值和0.5方差椒鹽噪聲的圖像。但圖像在椒鹽噪聲的影響下幾乎看不清任何圖像細節(jié)，顯示質(zhì)量很差。圖3(c)是對圖3(b)作了3×3中值濾波的效果。圖像的質(zhì)量有了明顯提高，但仍有明顯的椒鹽噪聲存在。圖3(d)是對圖3(c)再次進行3×3中值濾波的效果，相對于圖3(c)而言，圖像質(zhì)量又得到了提升。對此進行定量分析，計算得出圖3(c)與原圖的相關(guān)度系數(shù)為R3=0.755 6，圖3(d)與原圖的相關(guān)度系數(shù)為R4=0.877 0。概言之，兩次中值濾波的圖像質(zhì)量要比一次中值濾波的圖像質(zhì)量好。由此可以推論：對受椒鹽噪聲重度污染的圖像可進行多次中值濾波，以得到更好的濾波效果。

圖3 教師引導演示3

基于教師演示及分析，學生進行實驗的內(nèi)容為：1.設(shè)定椒鹽噪聲為0均值和0.8方差，并將此噪聲添加到圖像中；2.對噪聲圖像進行多次中值濾波。對比實驗結(jié)果，觀察濾波結(jié)果圖像質(zhì)量的變化趨勢；3.分組討論中值濾波次數(shù)與圖像質(zhì)量的關(guān)系；4.計算每次中值濾波的輸出圖像與原始圖像的相關(guān)度系數(shù)，找到最合適的中值濾波次數(shù)；5.討論相關(guān)度系數(shù)的變化趨勢，并使用MATLAB作出變化曲線圖；6.改變噪聲參數(shù)，保持均值不變，方差依次為0.01、0.05、0.1和0.5。針對4種不同參數(shù)的噪聲圖像，分別重復上述實驗步驟。

三、實踐驅(qū)動教學成效

通過觀察實踐驅(qū)動項目的教學過程并結(jié)合學生的反饋得知，按照教師設(shè)計的教學實驗流程，學生通過查閱文獻資料和小組討論等方式，基本可以解決項目任務(wù)中出現(xiàn)的問題。相對于以教師為主導的傳統(tǒng)教學模式而言，實踐驅(qū)動教學以學生實踐為主導，更側(cè)重于培養(yǎng)學生的自主學習能力。在完成任務(wù)的過程中，學生表現(xiàn)出較高的學習積極性和主動性，他們的文獻查閱、實驗驗證、數(shù)據(jù)收集、程序設(shè)計與圖表制作等各方面能力均得到了很好的提升，進而有效提高了學習興趣和主動解決問題的能力。同時，小組合作的學習過程能夠很好地鍛煉學生之間的團隊合作與協(xié)調(diào)能力，對學生未來工作或繼續(xù)深造都很有意義。教師在教學過程中起到了重要的輔助作用，在學習方法和解決問題的思路上給予學生幫助，如指導學生查閱文獻資料解決技術(shù)性難點等。值得注意的是，教師應(yīng)不斷完善實踐驅(qū)動項目設(shè)計的合理性和實效性，與學生及時溝通，通過問卷調(diào)查與訪談等形式收集學生學習效果的反饋情況，掌握好實踐項目學習內(nèi)容對核心知識的覆蓋，從而建立完整的實踐教學體系。

在未來的教學實踐中，實踐驅(qū)動教學法可應(yīng)用于電子通信類本科專業(yè)的其它課程中，尤其是信號與信號處理課程體系的信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、自動控制原理以及語音信號處理等課程中，以激發(fā)學生的學習興趣，提高學生學習的積極性和能動性，為將來投入工作或繼續(xù)深造打好基礎(chǔ)。