彭響華，彭 玲，劉 舸，林宏翔

（惠州學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516000）

0 引言

圖像處理技術(shù)的誕生可以追溯到20 世紀初，其迅猛的發(fā)展速度、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域以及與其他學(xué)科的密切交叉使其備受矚目。作為一門多學(xué)科交叉的應(yīng)用型課程，“數(shù)字圖像處理”在電子信息工程、自動化等專業(yè)中屬于專業(yè)課，是一個承上啟下的核心基礎(chǔ)課。該課程以“高等數(shù)學(xué)”“線性代數(shù)”“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信息處理”等課程為基礎(chǔ)，為后續(xù)的“模式識別”“機器視覺”“人工智能”等專業(yè)課程提供了扎實的基礎(chǔ)。

1 課程教學(xué)存在的不足之處

“數(shù)字圖像處理”課程作為專業(yè)課，課程內(nèi)容多，承接先修課程的概念較多，新概念也較多，但學(xué)時相對較少[1]。通過調(diào)研與教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，目前該課程教學(xué)存在以下不足之處。

課程內(nèi)容繁多，概念抽象，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多。在授課過程中，由于大多數(shù)學(xué)生先修課程基礎(chǔ)薄弱和知識遺忘，對課程產(chǎn)生畏難、抵觸等情緒。因此要將繁多抽象的理論一一講透、融會貫通，需要花費大量的時間。在這有限的課時范圍內(nèi)，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難達到令人滿意的教學(xué)效果。

教學(xué)內(nèi)容陳舊。新興的人工智能技術(shù)在不斷發(fā)展，但當前教材內(nèi)容嚴重滯后于當前主流技術(shù)的發(fā)展，由于教材的審核和出版周期較長，教材內(nèi)容不能很好地與當前新興的人工智能技術(shù)相銜接。因此，在課時緊張和教材內(nèi)容滯后的情況下，教師很難對理論應(yīng)用展開充分的討論，也很難對前沿技術(shù)進行詳細的介紹，這使得當前的教學(xué)難以實現(xiàn)理論與實際的有機結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏目標，學(xué)習(xí)興趣逐漸減退，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

教學(xué)方式單一。在傳統(tǒng)的面授課堂環(huán)境中，由于受到課時限制，教師課堂時間通常較少用于練習(xí)，教學(xué)方式主要以在黑板上板書和進行PPT 演示為主，通過這些手段向?qū)W生傳遞知識。這種方式會導(dǎo)致學(xué)生所獲取的知識量有限，而且學(xué)習(xí)途徑受到一定的限制。師生之間僅能進行淺層次的溝通，教師難以獲得學(xué)生的準確反饋信息。而要加強教學(xué)過程的管理，如學(xué)生考勤、隨堂練習(xí)、教學(xué)效果調(diào)查統(tǒng)計等等，這在傳統(tǒng)的面授課堂中都很難實現(xiàn)。

注重理論而忽略實踐。為了確保教學(xué)內(nèi)容的嚴密性，教師通常在課堂上注重理論推導(dǎo)，但對學(xué)生在解決實際應(yīng)用和工程問題方面的能力培養(yǎng)關(guān)注不足，實驗設(shè)計內(nèi)容也偏向于Matlab 編程的驗證性實驗。在實驗教學(xué)中，教師僅簡要說明實驗中使用的算法，學(xué)生則按照實驗指導(dǎo)書的示例進行機械的模仿，使學(xué)生陷入完全被動的復(fù)制中，缺乏對實驗原理的深刻理解，難以主動思考和解決實際問題。這與課程強調(diào)學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的目標不太相符。

教學(xué)考核偏重理論。“數(shù)字圖像處理”課程傳統(tǒng)的考核方式以期末理論考試為主，占70%，過程性考核數(shù)據(jù)如學(xué)生出勤、課堂師生互動、實驗練習(xí)，課后作業(yè)等占30%，過程性考核數(shù)據(jù)不被重視，導(dǎo)致學(xué)生重視理論輕視思考。學(xué)生只要在期末做足夠的習(xí)題，即能取得不錯的考核成績，并不能反映出學(xué)生平時的學(xué)習(xí)態(tài)度和和思考問題解決問題的能力，不符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標[2]。

2 課程教學(xué)的改進方案

根據(jù)該課程的實踐能力的培養(yǎng)要求和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標，迫切需要在知識學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)之間實現(xiàn)有機的結(jié)合，同時加強理論知識與實際工程應(yīng)用能力之間的緊密聯(lián)系，對“數(shù)字圖像處理”課程進行教學(xué)改革，對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有重要而深遠的意義[3]。針對課程教學(xué)中存在的一些問題，為了在現(xiàn)有教學(xué)的基礎(chǔ)上更好地順應(yīng)人工智能技術(shù)熱潮，改善課程的教學(xué)效果，充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實踐能力，使得學(xué)生能夠掌握數(shù)字圖像處理的傳統(tǒng)方法和相關(guān)的人工智能技術(shù)，同時具備了解國際前沿動態(tài)的能力，本文借助超星學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，提出了適合本課程的混合式[4]教學(xué)模式的教學(xué)改革方案[5]，該課程教學(xué)整體改進方案如下所述。

2.1 課前階段

在超星學(xué)習(xí)通平臺的支持下，教師積極發(fā)布相關(guān)前沿理論技術(shù)資料、中國大學(xué)MOOC 精品課程資源，以及與本課程相關(guān)的先導(dǎo)課程學(xué)習(xí)資料，如信號處理、線性代數(shù)、微積分等內(nèi)容。通過設(shè)定任務(wù)點，教師引導(dǎo)學(xué)生在課前完成預(yù)習(xí)，深入復(fù)習(xí)先導(dǎo)課程知識，并深入研讀前沿技術(shù)資料、觀看MOOC 精品課程資源，以便更好地把握重難點知識。目的在于克服教材內(nèi)容滯后的問題，同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動性。學(xué)生完成預(yù)習(xí)后，帶著思考和問題進入線下課堂，為更深層次的討論奠定基礎(chǔ)。同時，教師根據(jù)學(xué)習(xí)通的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行分析，了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，查看學(xué)生對思考題的討論，明確學(xué)生對重難點問題存在的疑點。這種精細化的分析為線下課程中的重點討論提供了有力的支持，確保課堂時間得以更有效地利用。

2.2 課中階段

2.2.1 考勤與互動

在線下課堂中，教師跟學(xué)生可以面對面交流學(xué)習(xí)。除了傳統(tǒng)的線下授課，教師開始重視學(xué)生的考勤數(shù)據(jù)和與學(xué)生之間的交流互動。通過超星學(xué)習(xí)通進行考勤數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一方面考勤數(shù)據(jù)更加準確，另一方面教師通過統(tǒng)計考勤帶給學(xué)生的心理震懾，可以降低學(xué)生的曠課率。同時在線下課堂中，教師針對課堂知識點，在超星學(xué)習(xí)通設(shè)置部分搶答題和主題討論題目，學(xué)生可以搶答題目增加互動積分，在主題討論時，教師可以隨機選人互動交流，增強了課堂的趣味性，進一步調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的課堂參與度，加強了師生互動，進而增強了教學(xué)效果。

2.2.2 工程案例講解

在線下課堂中，除了對圖像處理方法的理論講解，還增加了圖像處理實際工程案例的講解[6]。例如在講解教學(xué)內(nèi)容為圖像的代數(shù)運算中的加法運算時，首先介紹加法運算的基本原理，然后講解圖像水印的基本概念，最后結(jié)合加法運算與圖像水印的聯(lián)系，講解圖像水印的具體算法實現(xiàn)過程，將生活中的水印技術(shù)在課堂上呈現(xiàn)出來，更利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對算法的理解和實際工程應(yīng)用的掌握。根據(jù)課程大綱的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計工程實際案例。教學(xué)內(nèi)容與工程案例對照如表1 所示。按照每次課堂內(nèi)容，選擇1～2 個工程案例講解其具體的實現(xiàn)過程。

表1 教學(xué)內(nèi)容與工程案例對照

2.2.3 隨堂練習(xí)與答疑解惑

在傳統(tǒng)的線下授課中，教師完成了對本次教學(xué)內(nèi)容的講解后，會在超星學(xué)習(xí)通平臺上發(fā)布與本次課程相關(guān)的隨堂練習(xí)，以便幫助教師更全面地了解學(xué)生對課堂知識的掌握情況。在超星學(xué)習(xí)通隨堂練習(xí)頁面，教師可以實時查看學(xué)生的答題情況，統(tǒng)計出學(xué)生的答題正確率。教師可根據(jù)學(xué)生在答題過程中出現(xiàn)的普遍問題，有針對性地進行答疑，提高了答疑效率，也增進了教師對學(xué)生知識掌握的了解。

2.3 課后階段

古人云溫故而知新，為更好地促使學(xué)生熟練掌握線下授課的知識，教師在超星學(xué)習(xí)通平臺上設(shè)置了相應(yīng)作業(yè)，涵蓋了課程每個章節(jié)的知識點。同時，我們將線下授課所使用的課件上傳至平臺，并設(shè)定了任務(wù)點，以引導(dǎo)學(xué)生進行有效的課后復(fù)習(xí)。根據(jù)學(xué)生在課堂和課后練習(xí)中的表現(xiàn)，教師將對掌握不牢的內(nèi)容進行有針對性的線下復(fù)習(xí)和提高。學(xué)生需要按照任務(wù)點的要求完成由教師布置的任務(wù)。教師則通過平臺對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行統(tǒng)計，包括考勤數(shù)據(jù)、隨堂得分、課堂搶答與互動，以及課后任務(wù)點的完成情況等。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，教師能夠合理而有效地評估每位學(xué)生的平時表現(xiàn)。

除了日常的教學(xué)工作，教師的職責還包括培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。通過學(xué)習(xí)通的考核數(shù)據(jù)，教師能夠及時提醒那些有曠課記錄的學(xué)生，并對多次曠課的學(xué)生進行深入的思想溝通。教師關(guān)心學(xué)生的近況，通過面對面的交流促進學(xué)生的全面健康發(fā)展。

2.4 實驗階段

為了有效提升學(xué)生的編程實踐水平，教師在傳統(tǒng)的驗證性實驗課程框架上引入了一個綜合性實驗項目。該綜合性實驗的執(zhí)行流程包括教師提供必要的知識，學(xué)生選擇并確定項目題目，展開項目實施，最終演示成果并進行成績評定。教師鼓勵學(xué)生不局限于滿足給定選題的要求，而是積極探索對所選項目的功能進行創(chuàng)新改進。學(xué)生在完成項目開發(fā)后，對其項目進行詳細的演示和講解。這既培養(yǎng)了學(xué)生在公眾面前表達的能力，同時也預(yù)防了一些學(xué)生直接復(fù)制粘貼他人項目提交的不當行為。詳細實驗項目如表2 所示。

表2 實驗項目

2.5 綜合考核

“數(shù)字圖像處理”課程屬于具有實踐性和應(yīng)用性的學(xué)科，傳統(tǒng)的評估方式主要依賴于期末理論考試，難以充分反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和實際應(yīng)用能力。在優(yōu)化后的課程評估中，更注重過程性評估，綜合采用各類形成性評估方式，以全面評價學(xué)生的學(xué)業(yè)成果。評估分為四個主要類別，權(quán)重分別為：平時考核15%、網(wǎng)絡(luò)課程考核25%、實驗考核10%，期末考核50%。期末考試采用閉卷形式，內(nèi)容包含基礎(chǔ)知識、綜合知識、延伸與應(yīng)用三個部分，結(jié)合多樣化的題型設(shè)置，有助于教師在整個教學(xué)周期中客觀、公正地評估每位學(xué)生的學(xué)業(yè)情況。具體課程考核的詳細評價準則如表3 所示。

表3 課程考核詳細評價準則

3 結(jié)語

隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標。鑒于這一背景，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，本文以“數(shù)字圖像處理”課程為例，首先分析了該課程的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)模式中存在的不足，其次提出了基于超星學(xué)習(xí)通的線上線下相結(jié)合的一體化教學(xué)模式。該改進方案從課前、課中、課后、實驗和綜合考核5 個方面進行探討，分別給出了具體的改進內(nèi)容。

為了對比傳統(tǒng)教學(xué)與改進后的教學(xué)成效，將采用改進后的教學(xué)方案的學(xué)生期末成績（2022 年和2023年）與采用傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生期末成績（2020 年和2021 年）進行對比分析，近4 年“數(shù)字圖像處理”課程的考核分數(shù)分布占比如表4 所示。這4 屆考試試卷題目難度一致，題型一致，從表4 可以看出，自2022 年開始采用改進后的教學(xué)方案和綜合考核方式后，學(xué)生的平均成績明顯提高，90～100 分數(shù)段內(nèi)人數(shù)比例明顯增多，70 分以上人數(shù)比例呈逐年遞增趨勢。

表4 近4 年“數(shù)字圖像處理”課程的考核分數(shù)分布占比

實踐表明，改進后的教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進了學(xué)生從被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，提升了該課程的教學(xué)效果，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。本次教學(xué)改革對新工科背景下的應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有一定的指導(dǎo)作用和借鑒意義，值得推廣應(yīng)用。