上官宏 張雄 喬建華 武曉嘉 寧愛(ài)平

太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院 山西太原 030024

1 “數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

數(shù)字圖像是一種在計(jì)算機(jī)中以數(shù)字格式存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)各大高校所開(kāi)設(shè)的針對(duì)本科生的“數(shù)字圖像處理”課程主要介紹利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集、增強(qiáng)、變換、編碼、恢復(fù)、分割、分析和識(shí)別等的理論、方法和技術(shù)，該課程涉及傳感器、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理和模式識(shí)別等技術(shù)領(lǐng)域，是一門(mén)多學(xué)科交叉的課程。隨著我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的技術(shù)型人才成為當(dāng)前高等教育的使命?？蓮V泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診療、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、自動(dòng)駕駛、目標(biāo)跟蹤、地形勘探等領(lǐng)域的“數(shù)字圖像處理”課程已成為信息類學(xué)科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過(guò)研究數(shù)字圖像的采集、顯示和處理的基本概念、算法和系統(tǒng)，學(xué)生們可獲取畢業(yè)后從事模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、信息技術(shù)及其工程應(yīng)用等工作所需的機(jī)器視覺(jué)基礎(chǔ)知識(shí)。

“數(shù)字圖像處理”課程涉及較為高深的基本理論(如傅里葉變換、聚類分析、霍夫變換、形態(tài)學(xué)分析、數(shù)字信號(hào)濾波)，具備較強(qiáng)的應(yīng)用實(shí)踐背景(例如人臉、指紋、靜脈等生物特征識(shí)別，圖像去雨、去霧、去摩爾紋，以及智能視頻監(jiān)控等)，要求學(xué)生具備較強(qiáng)編程動(dòng)手能力。該課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題如下：

(1)傳統(tǒng)教學(xué)以課堂講授為主，在教學(xué)過(guò)程中以“教授知識(shí)”為中心，面對(duì)抽象的理論知識(shí)和復(fù)雜繁多的公式，學(xué)生往往充當(dāng)被動(dòng)接受者的角色，教學(xué)目標(biāo)中沒(méi)有體現(xiàn)以“學(xué)生”為中心的OBE理念；

(2)傳統(tǒng)線下教學(xué)方式提供的學(xué)習(xí)資源非常有限，教學(xué)內(nèi)容陳舊。現(xiàn)階段，線上線下混合教學(xué)已成為當(dāng)代大學(xué)的必要選擇，這使得授課教師需充實(shí)線上教學(xué)資源，更新教學(xué)案例，以保障在長(zhǎng)時(shí)間線上教學(xué)過(guò)程中調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；

(3)傳統(tǒng)“數(shù)字圖像處理”課程考核方式落后，僅進(jìn)行終結(jié)性評(píng)價(jià)，關(guān)注的重點(diǎn)是學(xué)生在期末考試中對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，未進(jìn)行過(guò)程性考核，無(wú)法科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生在整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)收獲；

(4)傳統(tǒng)教學(xué)模式以知識(shí)傳授為主，在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中鮮少考慮在專業(yè)課程中融入思想政治教育元素。

因此，在目前大多數(shù)學(xué)校所采用的傳統(tǒng)教學(xué)模式下培養(yǎng)出的學(xué)生，已無(wú)法滿足新時(shí)代我國(guó)對(duì)創(chuàng)新型人才的需要。有必要從“新工科”建設(shè)的本質(zhì)和內(nèi)涵出發(fā)，探索適應(yīng)應(yīng)用型、復(fù)合型人才培養(yǎng)需求的“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)新模式。

2 OBE理念引導(dǎo)下“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革探索

伴隨著中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證的熱潮，成果導(dǎo)向教育(Outcomes-based Education，OBE)逐漸被高等教育從業(yè)者所接受。將“以教學(xué)內(nèi)容為本”教學(xué)模式轉(zhuǎn)化為“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，OBE的關(guān)注焦點(diǎn)是如何用學(xué)生的學(xué)習(xí)成效引導(dǎo)教學(xué)目標(biāo)的制定、教學(xué)過(guò)程的實(shí)施和教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。具體來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)由“教材導(dǎo)向”的教學(xué)大綱向由“產(chǎn)出導(dǎo)向”的教學(xué)大綱的轉(zhuǎn)變；如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容從“教什么”向“學(xué)什么”的轉(zhuǎn)變；如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法由“怎么教”向“怎么學(xué)”轉(zhuǎn)變；如何實(shí)現(xiàn)教學(xué)評(píng)價(jià)從“教得怎么樣”向“學(xué)得怎么樣”轉(zhuǎn)變。OBE強(qiáng)調(diào)學(xué)生的素質(zhì)培養(yǎng)和能力提高，強(qiáng)調(diào)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

2.1 OBE理念引導(dǎo)下的“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

OBE理念引導(dǎo)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)滿足以下相互作用關(guān)系：課程教學(xué)目標(biāo)由畢業(yè)要求直接決定，畢業(yè)要求的達(dá)成又依賴于課程教學(xué)目標(biāo)。按照OBE理念，“數(shù)字圖像處理”課程應(yīng)能夠支撐畢業(yè)要求的若干指標(biāo)點(diǎn)，由指標(biāo)點(diǎn)決定該課程的教學(xué)要求，由教學(xué)要求決定該課程的教學(xué)內(nèi)容，然后通過(guò)教學(xué)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并將教學(xué)評(píng)價(jià)的結(jié)果用于畢業(yè)要求的達(dá)成度評(píng)價(jià)和課程教學(xué)體系改進(jìn)。通過(guò)這一閉環(huán)系統(tǒng)，不斷完善“數(shù)字圖像處理”課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

目前，我校電子信息工程專業(yè)學(xué)生通過(guò)“數(shù)字圖像處理”課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到以下思政育人目標(biāo)：(1)理想信念：引導(dǎo)學(xué)生要立鴻鵠志，堅(jiān)定理想信念，把實(shí)現(xiàn)個(gè)人價(jià)值與實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)統(tǒng)一起來(lái)，努力成為中國(guó)特色社會(huì)主義合格建設(shè)者和可靠接班人。(2)正確三觀：堅(jiān)定唯物主義世界觀，樹(shù)立科學(xué)人生觀，遵守社會(huì)主義核心價(jià)值觀，認(rèn)識(shí)和改正自身不正確的價(jià)值追求。(3)科學(xué)精神：把專業(yè)知識(shí)與科學(xué)精神緊密融合，激發(fā)學(xué)生追求真理、實(shí)事求是、敢于探究與實(shí)踐、勇攀科學(xué)高峰的科學(xué)精神。(4)創(chuàng)新思維：對(duì)于遇到的問(wèn)題要認(rèn)真觀察與思考，要能探究其中所蘊(yùn)含的規(guī)律，善于從事物與事物之間的聯(lián)系來(lái)分析并解決問(wèn)題，具有迎難而上的勇氣與精神，培養(yǎng)學(xué)生卓越的創(chuàng)新思維。

通過(guò)“數(shù)字圖像處理”課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到以下知識(shí)能力目標(biāo)：Z1掌握數(shù)字圖像、數(shù)字圖像處理、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的概念，理解圖像處理的目的及主要內(nèi)容，了解數(shù)字圖像處理的應(yīng)用及發(fā)展動(dòng)向；Z2掌握?qǐng)D像數(shù)字化的基本原理，了解色度學(xué)基礎(chǔ)、顏色模型、數(shù)字圖像類型及圖像文件格式的概念，理解頻域與頻域變換的概念，掌握傅里葉變換的基本原理，掌握?qǐng)D像比例縮放、圖像平移、圖像鏡像、圖像旋轉(zhuǎn)的基本原理，掌握二值形態(tài)學(xué)(膨脹、腐蝕、開(kāi)運(yùn)算、閉運(yùn)算)、灰值形態(tài)學(xué)的基本原理，掌握?qǐng)D像的基本特征、焦點(diǎn)特征的基本概念和紋理分析的基本原理；Z3掌握灰度變換、直方圖修正、圖像平滑、圖像銳化、偽彩色處理的基本原理，理解同態(tài)濾波的原理，理解頻域中圖像處理的實(shí)現(xiàn)，了解小波變換的原理，了解角點(diǎn)檢測(cè)的方法，掌握閾值分割、基于區(qū)域的分割、基于形態(tài)學(xué)的分割、邊緣檢測(cè)、分水嶺分割的基本原理，學(xué)會(huì)區(qū)域標(biāo)記與輪廓跟蹤，了解局部不變特征點(diǎn)提取方法、理解圖像匹配的原理。能夠綜合運(yùn)用該課程中包含的專業(yè)知識(shí)解決圖像處理領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題；Z4能夠采用多種可行方案解決圖像處理領(lǐng)域的工程問(wèn)題，通過(guò)分析比較可行方案的優(yōu)缺點(diǎn)獲取最佳解決方案。

表1 “數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 OBE理念引導(dǎo)下“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

目前，我校電子信息工程專業(yè)本科生所修“數(shù)字圖像處理”課程的配套教材為何東健教授所著的國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《數(shù)字圖像處理(第3版)》，該教材中的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及課程進(jìn)程安排比較適合本科生教學(xué)。為了貫徹OBE理念中教學(xué)內(nèi)容從“教什么”向“學(xué)什么”的轉(zhuǎn)變，我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了與時(shí)俱進(jìn)的擴(kuò)展，以使學(xué)生適應(yīng)人工智能和數(shù)字圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展。具體教學(xué)改革措施如下：

在教學(xué)內(nèi)容中增設(shè)深度學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。目前本校本課程的教學(xué)內(nèi)容比較基礎(chǔ)，無(wú)法跟上數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展步伐。我們?cè)凇皵?shù)字圖像處理”課程教學(xué)過(guò)程中，增加了基于深度學(xué)習(xí)“數(shù)字圖像處理”相關(guān)內(nèi)容的介紹。通過(guò)增加圖像去雨去霧去摩爾紋、腦腫瘤分割、無(wú)人機(jī)目標(biāo)跟蹤等實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)拓寬學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

表2 部分章節(jié)的教學(xué)補(bǔ)充內(nèi)容

2.3 OBE理念引導(dǎo)下的“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)方式設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)信息化的快速推進(jìn)，圖像處理在工業(yè)信息化中發(fā)揮了不可或缺的作用。因此，圖像處理的內(nèi)容不僅僅要強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識(shí)，更要與當(dāng)前應(yīng)用緊密結(jié)合，引入前沿專題講座，把相關(guān)科研項(xiàng)目和實(shí)際項(xiàng)目以“實(shí)例”形式引入教學(xué)內(nèi)容中。以病理檢測(cè)為例，采用人工智能與醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)相結(jié)合的智能診斷技術(shù)對(duì)癌癥進(jìn)行早期診斷與篩查，可以有效緩解醫(yī)生的工作壓力，提高醫(yī)學(xué)診斷的可靠性。這就需要開(kāi)發(fā)篩選癌細(xì)胞的自動(dòng)診斷系統(tǒng)，包含細(xì)胞顯微圖像讀取、圖像預(yù)處理、圖像分割、特征參數(shù)提取和檢測(cè)識(shí)別等核心技術(shù)。以圖像預(yù)處理為例，手機(jī)在夜間拍攝圖像存在大量噪聲，需要引入圖像預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行去噪；以消除圖像的運(yùn)動(dòng)模糊為例，手機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)常常出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，可要求學(xué)生獨(dú)立分析這一問(wèn)題并提出可行的解決方案等，這就要求學(xué)生深入理解運(yùn)動(dòng)模糊的基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)這種方式，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增添了課堂氣氛，也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到課程的重要性。

“實(shí)例”教學(xué)模式的實(shí)施主要包括以下幾個(gè)部分。(1)采集適當(dāng)應(yīng)用“實(shí)例”：調(diào)研工廠、醫(yī)院、企業(yè)的實(shí)際需求，收集課題構(gòu)成“實(shí)例”項(xiàng)目群。(2)“實(shí)例”項(xiàng)目分配：針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目，分配2～3名學(xué)生組成一個(gè)項(xiàng)目小組。(3)“實(shí)例”項(xiàng)目實(shí)施：在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，每組需要在課堂上講解項(xiàng)目實(shí)施中遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)，尋求老師和其他學(xué)生的幫助；每個(gè)組定期匯報(bào)項(xiàng)目進(jìn)展，大約設(shè)置2～3次上臺(tái)講解的機(jī)會(huì)。(4)項(xiàng)目評(píng)價(jià)：每個(gè)項(xiàng)目必須有項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告和驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，并給出實(shí)驗(yàn)演示。每個(gè)組的項(xiàng)目評(píng)價(jià)由本組的成員評(píng)分、其他組組長(zhǎng)評(píng)分和教師評(píng)定。

最后，以項(xiàng)目成果為手段，采用豐富多樣的形式展示教學(xué)內(nèi)容。這樣不僅能夠提高教學(xué)的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索精神。通過(guò)引入數(shù)字圖像處理的實(shí)際應(yīng)用案例和相關(guān)科研內(nèi)容，增加圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)趣味性，提高學(xué)生的自覺(jué)性和主動(dòng)性。此外，還能夠通過(guò)運(yùn)用圖像處理相關(guān)知識(shí)分析和解決具體問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)有整體的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.4 OBE理念引導(dǎo)下“數(shù)字圖像處理”課程考核方式設(shè)計(jì)

以O(shè)BE為導(dǎo)向的教學(xué)體系，注重過(guò)程化的課程考核模式，并強(qiáng)調(diào)建立持續(xù)評(píng)價(jià)和過(guò)程化的閉環(huán)反饋機(jī)制。支持課程教學(xué)目標(biāo)的過(guò)程化考評(píng)是OBE為導(dǎo)向教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，“數(shù)字圖像處理”課程目標(biāo)達(dá)成的評(píng)價(jià)方式仍然單一，只重視終結(jié)性評(píng)價(jià)，而忽視過(guò)程性評(píng)價(jià)。除了對(duì)期末考試成績(jī)直接評(píng)價(jià)外，大多只針對(duì)學(xué)生作業(yè)甚至考勤做出評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法不能真正反映學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。課程主講教師習(xí)慣于“面向教學(xué)內(nèi)容”的課程評(píng)價(jià)方法，很難接受“面向產(chǎn)出”的評(píng)價(jià)方法?！懊嫦虍a(chǎn)出”的評(píng)價(jià)方法是指，課程的教學(xué)評(píng)價(jià)是為了判斷課程教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成，而不是判斷教學(xué)內(nèi)容是否掌握。

本課程注重形成性過(guò)程考核，采用百分制記分方式。包括期末考試成績(jī)、期中考試成績(jī)、平時(shí)成績(jī)(包括作業(yè)和課堂表現(xiàn))、實(shí)驗(yàn)成績(jī)，其中平時(shí)成績(jī)占15%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占25%，期中考試成績(jī)占15%，期末考試成績(jī)占45%。考試方式為閉卷，考試題包括基本概念、基本理論、基本分析方法等，題型可采用填空題、選擇題、判斷題、簡(jiǎn)答題、計(jì)算題和綜合分析題等多種形式?？己藘?nèi)容應(yīng)覆蓋主要教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)對(duì)課程目標(biāo)和支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的評(píng)價(jià)，考核環(huán)節(jié)與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及分值見(jiàn)表3。

表3 考核環(huán)節(jié)與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系及分值表

課程組在“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)過(guò)程中構(gòu)建的持續(xù)改進(jìn)過(guò)程考核方案，從對(duì)知識(shí)點(diǎn)的考核逐步過(guò)渡到解決實(shí)際問(wèn)題能力達(dá)成度的考核。連續(xù)三年的教學(xué)實(shí)踐說(shuō)明了本課題設(shè)計(jì)的課程過(guò)程考核方案的有效性。

結(jié)語(yǔ)

“數(shù)字圖像處理”課程是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，主要內(nèi)容包括數(shù)字圖像的采集、顯示和處理的基本概念、基本算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，可為電子信息類學(xué)生從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像模式識(shí)別和信息處理技術(shù)相關(guān)的工程應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在OBE理念引導(dǎo)下進(jìn)行“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)改革，以學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)教學(xué)成效，實(shí)現(xiàn)從“以知識(shí)傳授為中心”到“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念轉(zhuǎn)變，通過(guò)調(diào)整課程教學(xué)目標(biāo)提高該課程對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐度。通過(guò)改變傳統(tǒng)授課模式，在教學(xué)內(nèi)容中融入數(shù)字圖像處理的最新發(fā)展成果，采用實(shí)例教學(xué)模式和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方法，在成績(jī)?cè)u(píng)定中加入多樣化的過(guò)程考核等手段，有效提高了該課程的教學(xué)效果。