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(jì)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(dòng)化等專業(yè)中屬于專業(yè)課，是一個(gè)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(jì)”“信號(hào)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(shí)別”“機(jī)器視覺”“人工智能”等專業(yè)課程提供了扎實(shí)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(shí)相對(duì)較少[1]。通過調(diào)研與教學(xué)實(shí)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(shí)遺忘，對(duì)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(huì)貫通，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。在這有限的課時(shí)范圍內(nèi)，按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難達(dá)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(dāng)前教材內(nèi)容嚴(yán)重滯后于當(dāng)前主流技術(shù)的發(fā)展，由于教材的審核和出版周期較長(zhǎng)，教材內(nèi)容不能很好地與當(dāng)前新興的人工智能技術(shù)相銜接。因此，在課時(shí)緊張和教材內(nèi)容滯后的情況下，教師很難對(duì)理論應(yīng)用展開充分的討論，也很難對(duì)前沿技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，這使得當(dāng)前的教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際的有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏目標(biāo)，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(shí)限制，教師課堂時(shí)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(jìn)行PPT 演示為主，通過這些手段向?qū)W生傳遞知識(shí)。這種方式會(huì)導(dǎo)致學(xué)生所獲取的知識(shí)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(jìn)行淺層次的溝通，教師難以獲得學(xué)生的準(zhǔn)確反饋信息。而要加強(qiáng)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(jì)等等，這在傳統(tǒng)的面授課堂中都很難實(shí)現(xiàn)。

注重理論而忽略實(shí)踐。為了確保教學(xué)內(nèi)容的嚴(yán)密性，教師通常在課堂上注重理論推導(dǎo)，但對(duì)學(xué)生在解決實(shí)際應(yīng)用和工程問題方面的能力培養(yǎng)關(guān)注不足，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容也偏向于Matlab 編程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師僅簡(jiǎn)要說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中使用的算法，學(xué)生則按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的示例進(jìn)行機(jī)械的模仿，使學(xué)生陷入完全被動(dòng)的復(fù)制中，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的深刻理解，難以主動(dòng)思考和解決實(shí)際問題。這與課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)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(dòng)、實(shí)驗(yàn)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(cuò)的考核成績(jī)，并不能反映出學(xué)生平時(shí)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(biāo)[2]。

2 課程教學(xué)的改進(jìn)方案

根據(jù)該課程的實(shí)踐能力的培養(yǎng)要求和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，迫切需要在知識(shí)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)之間實(shí)現(xiàn)有機(jī)的結(jié)合，同時(shí)加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)際工程應(yīng)用能力之間的緊密聯(lián)系，對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程進(jìn)行教學(xué)改革，對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有重要而深遠(yuǎn)的意義[3]。針對(duì)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(shí)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(shí)具備了解國(guó)際前沿動(dòng)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(tái)，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(jìn)方案如下所述。

2.1 課前階段

在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)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(guó)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(hào)處理、線性代數(shù)、微積分等內(nèi)容。通過設(shè)定任務(wù)點(diǎn)，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(shí)，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(diǎn)知識(shí)。目的在于克服教材內(nèi)容滯后的問題，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。學(xué)生完成預(yù)習(xí)后，帶著思考和問題進(jìn)入線下課堂，為更深層次的討論奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，教師根據(jù)學(xué)習(xí)通的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析，了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，查看學(xué)生對(duì)思考題的討論，明確學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)問題存在的疑點(diǎn)。這種精細(xì)化的分析為線下課程中的重點(diǎn)討論提供了有力的支持，確保課堂時(shí)間得以更有效地利用。

2.2 課中階段

2.2.1 考勤與互動(dòng)

在線下課堂中，教師跟學(xué)生可以面對(duì)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(dòng)。通過超星學(xué)習(xí)通進(jìn)行考勤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一方面考勤數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，另一方面教師通過統(tǒng)計(jì)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(shí)在線下課堂中，教師針對(duì)課堂知識(shí)點(diǎn)，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(dòng)積分，在主題討論時(shí)，教師可以隨機(jī)選人互動(dòng)交流，增強(qiáng)了課堂的趣味性，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)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(qiáng)了師生互動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)了教學(xué)效果。

2.2.2 工程案例講解

在線下課堂中，除了對(duì)圖像處理方法的理論講解，還增加了圖像處理實(shí)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(yùn)算中的加法運(yùn)算時(shí)，首先介紹加法運(yùn)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(yùn)算與圖像水印的聯(lián)系，講解圖像水印的具體算法實(shí)現(xiàn)過程，將生活中的水印技術(shù)在課堂上呈現(xiàn)出來(lái)，更利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)算法的理解和實(shí)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(jì)工程實(shí)際案例。教學(xué)內(nèi)容與工程案例對(duì)照如表1 所示。按照每次課堂內(nèi)容，選擇1～2 個(gè)工程案例講解其具體的實(shí)現(xiàn)過程。

表1 教學(xué)內(nèi)容與工程案例對(duì)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(duì)本次教學(xué)內(nèi)容的講解后，會(huì)在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)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(duì)課堂知識(shí)的掌握情況。在超星學(xué)習(xí)通隨堂練習(xí)頁(yè)面，教師可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的答題情況，統(tǒng)計(jì)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(duì)性地進(jìn)行答疑，提高了答疑效率，也增進(jìn)了教師對(duì)學(xué)生知識(shí)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(shí)，教師在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)上設(shè)置了相應(yīng)作業(yè)，涵蓋了課程每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，我們將線下授課所使用的課件上傳至平臺(tái)，并設(shè)定了任務(wù)點(diǎn)，以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(duì)掌握不牢的內(nèi)容進(jìn)行有針對(duì)性的線下復(fù)習(xí)和提高。學(xué)生需要按照任務(wù)點(diǎn)的要求完成由教師布置的任務(wù)。教師則通過平臺(tái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括考勤數(shù)據(jù)、隨堂得分、課堂搶答與互動(dòng)，以及課后任務(wù)點(diǎn)的完成情況等。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，教師能夠合理而有效地評(píng)估每位學(xué)生的平時(shí)表現(xiàn)。

除了日常的教學(xué)工作，教師的職責(zé)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(shí)提醒那些有曠課記錄的學(xué)生，并對(duì)多次曠課的學(xué)生進(jìn)行深入的思想溝通。教師關(guān)心學(xué)生的近況，通過面對(duì)面的交流促進(jìn)學(xué)生的全面健康發(fā)展。

2.4 實(shí)驗(yàn)階段

為了有效提升學(xué)生的編程實(shí)踐水平，教師在傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程框架上引入了一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該綜合性實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行流程包括教師提供必要的知識(shí)，學(xué)生選擇并確定項(xiàng)目題目，展開項(xiàng)目實(shí)施，最終演示成果并進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。教師鼓勵(lì)學(xué)生不局限于滿足給定選題的要求，而是積極探索對(duì)所選項(xiàng)目的功能進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。學(xué)生在完成項(xiàng)目開發(fā)后，對(duì)其項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的演示和講解。這既培養(yǎng)了學(xué)生在公眾面前表達(dá)的能力，同時(shí)也預(yù)防了一些學(xué)生直接復(fù)制粘貼他人項(xiàng)目提交的不當(dāng)行為。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.5 綜合考核

“數(shù)字圖像處理”課程屬于具有實(shí)踐性和應(yīng)用性的學(xué)科，傳統(tǒng)的評(píng)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(shí)際應(yīng)用能力。在優(yōu)化后的課程評(píng)估中，更注重過程性評(píng)估，綜合采用各類形成性評(píng)估方式，以全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)業(yè)成果。評(píng)估分為四個(gè)主要類別，權(quán)重分別為：平時(shí)考核15%、網(wǎng)絡(luò)課程考核25%、實(shí)驗(yàn)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(shí)、綜合知識(shí)、延伸與應(yīng)用三個(gè)部分，結(jié)合多樣化的題型設(shè)置，有助于教師在整個(gè)教學(xué)周期中客觀、公正地評(píng)估每位學(xué)生的學(xué)業(yè)情況。具體課程考核的詳細(xì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表3 所示。

表3 課程考核詳細(xì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

3 結(jié)語(yǔ)

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(biāo)。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(dòng)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(jìn)方案從課前、課中、課后、實(shí)驗(yàn)和綜合考核5 個(gè)方面進(jìn)行探討，分別給出了具體的改進(jìn)內(nèi)容。

為了對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)與改進(jìn)后的教學(xué)成效，將采用改進(jìn)后的教學(xué)方案的學(xué)生期末成績(jī)（2022 年和2023年）與采用傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生期末成績(jī)（2020 年和2021 年）進(jìn)行對(duì)比分析，近4 年“數(shù)字圖像處理”課程的考核分?jǐn)?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(jìn)后的教學(xué)方案和綜合考核方式后，學(xué)生的平均成績(jī)明顯提高，90～100 分?jǐn)?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(shì)。

表4 近4 年“數(shù)字圖像處理”課程的考核分?jǐn)?shù)分布占比

實(shí)踐表明，改進(jìn)后的教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)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(duì)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。