劉姝廷，張文波，劉 芳

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

OBE 是一種以成果為目標(biāo)導(dǎo)向，以學(xué)生為本，采用逆向思維的先進(jìn)教育理念[1-2]。伴隨著新工科建設(shè)理念，案例教學(xué)[3-4]、混合式教學(xué)[5]、一體化教學(xué)[6]等教學(xué)方式在高校中廣泛應(yīng)用?！皵?shù)字圖像處理”課程是電子信息工程專業(yè)開設(shè)的一門技術(shù)性和應(yīng)用性并存的專業(yè)主干課。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解數(shù)字圖像處理的國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握數(shù)字圖像處理的基本概念、原理和常用的處理方法，具備解決電子信息工程應(yīng)用問(wèn)題的初步能力，為學(xué)生日后在電信、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別等領(lǐng)域從事研究與開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。目前，該門課程的教學(xué)主要采用教師理論講授的方式，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中參與性較低，學(xué)習(xí)效果不理想。北京化工大學(xué)尹嬙提出了以實(shí)踐案例為引導(dǎo)的“數(shù)字圖像處理”教學(xué)改革，太原工業(yè)學(xué)院張俊生進(jìn)行了“數(shù)字圖像處理”案例化建設(shè)研究，淮南師范學(xué)院蔡俊探討了案例化“數(shù)字圖像處理”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[6]。也有很多高校將課程思政元素融入“數(shù)字圖像處理”課程[7-9]，在學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)方面起到很好的作用。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)蔡利梅對(duì)思政教學(xué)的模式和內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。山西大學(xué)張麗紅構(gòu)建了課程思政體系，將思政元素全面系統(tǒng)地融入課程教學(xué)。由此，本文提出在OBE 理念下對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程進(jìn)行案例教學(xué)探索。

1 數(shù)字圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀

“數(shù)字圖像處理”課程要求學(xué)生了解圖像處理、分析和理解的關(guān)系，了解當(dāng)前數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢(shì)、新技術(shù)及新應(yīng)用，掌握常用的數(shù)字圖像處理方法，包括圖像增強(qiáng)方法、幾何變換方法、圖像分割方法、噪聲抑制方法、銳化方法、二值圖像處理方法、圖像復(fù)原和編碼方法，能較為熟練地用Matlab 語(yǔ)言編寫常用的數(shù)字圖像處理算法。未改革前，“數(shù)字圖像處理”課程以主講教師理論講授為主，課后通過(guò)作業(yè)鞏固知識(shí)。在課堂上，學(xué)生依靠認(rèn)真聽(tīng)講完成本課程的學(xué)習(xí)。而“數(shù)字圖像處理”課程涵蓋諸多繁復(fù)冗長(zhǎng)的算法公式和算法思想，學(xué)生難以深刻領(lǐng)會(huì)。因此，主講教師在進(jìn)行課堂互動(dòng)時(shí)，學(xué)生的參與度較低。同時(shí)，在該課程考核部分，期末考試比重較大，達(dá)到總分?jǐn)?shù)的80%，主講教師通過(guò)期末考試來(lái)考核學(xué)生對(duì)于數(shù)字圖像處理的基本理論、分析、常用圖像處理方法等內(nèi)容的綜合運(yùn)用情況。

2 基于OBE 的數(shù)字圖像處理案例教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 基于OBE 的課程教學(xué)目標(biāo)

課程組調(diào)研了近五年來(lái)用人單位對(duì)電子信息工程專業(yè)人才的能力需求，又根據(jù)現(xiàn)有的沈陽(yáng)理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，制訂了該課程的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)目標(biāo)1 要求掌握?qǐng)D像增強(qiáng)方法、幾何變換方法、圖像分割方法等普通的數(shù)字圖像處理方法，建立用計(jì)算機(jī)解決工程問(wèn)題的邏輯思維方式。教學(xué)目標(biāo)2 要求能較為熟練地用Matlab語(yǔ)言編寫常用的數(shù)字圖像處理算法，并可應(yīng)用于解決電子信息工程及相關(guān)工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題。教學(xué)目標(biāo)3 要求掌握?qǐng)D像處理的方法和手段，了解當(dāng)前數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢(shì)和最新技術(shù)。教學(xué)目標(biāo)4 要求針對(duì)數(shù)字圖像處理的復(fù)雜工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)適合的圖像處理方案。教學(xué)目標(biāo)分別對(duì)應(yīng)工程知識(shí)、問(wèn)題分析、研究、使用現(xiàn)代工具四大類畢業(yè)要求。

2.2 基于OBE 的案例教學(xué)設(shè)計(jì)

基于OBE“數(shù)字圖像處理”教學(xué)大綱，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，課程主要分為12 個(gè)部分進(jìn)行案例設(shè)計(jì)。在緒論部分加入圖像處理綜合案例，使學(xué)生對(duì)圖像處理效果有一個(gè)整體的感知，為后續(xù)內(nèi)容的講解打下興趣基礎(chǔ)。在圖像的基本概念部分加入讀取并顯示圖像的案例，使學(xué)生深刻理解圖像的數(shù)字化過(guò)程。在圖像增強(qiáng)部分加入圖像進(jìn)行分段線性變換、非線性變換、直方圖均衡化的案例，達(dá)到使學(xué)生理解灰度線性變換和非線性變換的目的。在圖像幾何變換部分加入圖像的平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)、縮放、錯(cuò)切、幾何失真等案例，使學(xué)生有效理解圖像坐標(biāo)變換的概念，理解圖像按比例縮放的概念及其意義。在圖像噪聲抑制部分，添加均值濾波、中值濾波、高斯濾波案例，加深學(xué)生對(duì)多種平滑濾波計(jì)算過(guò)程的理解。在圖像銳化部分，添加梯度算子、roberts算子、sobel 算子、prewitt 算子、Laplacian 算子、canny 算子、LOG 算子銳化等案例，豐富學(xué)生對(duì)不同微分算子的方向性、適用性的理解。在圖像分割部分，添加灰度直方圖閾度分割、最大類間方差法、迭代運(yùn)算閾值分割、Hough 變換檢測(cè)直線、邊界跟蹤、區(qū)域生長(zhǎng)、區(qū)域合并、區(qū)域分裂、分水嶺分割案例，加深學(xué)生對(duì)不同圖像分割方法的區(qū)別和適用范圍的掌握。在二值圖像處理部分添加創(chuàng)建結(jié)構(gòu)元素、膨脹運(yùn)算、腐蝕運(yùn)算、開運(yùn)算和閉運(yùn)算、二值圖像特征提取、二值圖像的平滑、二值圖像邊緣提取、二值圖像區(qū)域填充、二值圖像目標(biāo)探測(cè)、二值圖像細(xì)化的案例，使學(xué)生理解形態(tài)學(xué)運(yùn)算的意義，結(jié)構(gòu)元素的概念，掌握腐蝕、膨脹的運(yùn)算過(guò)程。在彩色圖像處理部分加入彩色圖像灰度化案例，有助于學(xué)生有效理解彩色圖像的常規(guī)處理。在圖像變換部分加入傅里葉變換、傅里葉幾何變換性、傅里葉頻域?yàn)V波、離散余弦變換、離散余弦變換壓縮、離散K-L 變換、人臉K-L 變換、radon 變換案例，幫助學(xué)生理解傅里葉、離散余弦等正交變換的過(guò)程。在圖像復(fù)原部分，添加運(yùn)動(dòng)模糊退化估計(jì)、逆濾波復(fù)原、維納濾波、等功率濾波、約束最小二乘濾波、RL 復(fù)原濾波案例，有助于學(xué)生理解圖像退化與復(fù)原和非約束復(fù)原的原理。在最后的圖像壓縮編碼部分，加入霍夫曼編碼、算數(shù)編碼、lzw 編碼的案例，使學(xué)生理解多種壓縮編碼方法的過(guò)程及其意義。

“數(shù)字圖像處理”課程總學(xué)時(shí)56 學(xué)時(shí)，以16 學(xué)時(shí)為1個(gè)學(xué)分，共3.5 個(gè)學(xué)分。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，以學(xué)生為主，教師教授為輔，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力。將案例教學(xué)與學(xué)生實(shí)踐充分融入教學(xué)設(shè)計(jì)中。例如，在講解圖像噪聲抑制這部分一內(nèi)容時(shí)，在復(fù)習(xí)階段，教師通過(guò)雨課堂點(diǎn)名形式復(fù)習(xí)上節(jié)課學(xué)習(xí)的圖像縮放、錯(cuò)切、三維圖像投影變換及圖像幾何畸變的內(nèi)容，然后通過(guò)雨課堂小測(cè)試進(jìn)行鞏固驗(yàn)收。在上課過(guò)程中，首先給出本次課程的教學(xué)目標(biāo)為掌握噪聲的概念與分類，掌握均值與中值濾波的方法。然后通過(guò)工業(yè)噪聲污染及降噪方法的視頻進(jìn)行課程思政引入，讓學(xué)生明確遇到問(wèn)題須積極解決問(wèn)題的邏輯方式。接下來(lái)，提出問(wèn)題圖像也容易受到噪聲的污染導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低，應(yīng)如何抑制圖像的噪聲。順利進(jìn)入本次課要講的噪聲的基本概念及均值濾波原理，通過(guò)MATLAB 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)均值，讓學(xué)生直接看到均值濾波的處理效果，引起學(xué)生的注意，之后講解相關(guān)程序代碼加深學(xué)生對(duì)代碼的理解。最后讓學(xué)生通過(guò)自己對(duì)電腦里任意一幅加噪圖像進(jìn)行均值濾波處理并在課堂投影上進(jìn)行分享，讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)該內(nèi)容的成就感。課程最后教師總結(jié)本課程所學(xué)的圖像噪聲的概念和分類，圖像均值濾波內(nèi)容。

2.3 基于OBE 的案例課程考核

改革后，“數(shù)字圖像處理”課程考核主要由平時(shí)成績(jī)與期末閉卷成績(jī)1∶1 組成，其中平時(shí)成績(jī)包括出勤10%，課堂表現(xiàn)10%，作業(yè)10%，階段測(cè)試10%，案例操作60%。出勤（20 次），成績(jī)按10 分評(píng)定，每次0.5 分，曠課0 分。課堂表現(xiàn)（10 次），成績(jī)按10 分評(píng)定，每次1 分，未回答0 分。作業(yè)（23 次），成績(jī)按10 分評(píng)定，求作業(yè)平均值，按學(xué)生作業(yè)完成情況以十分制計(jì)分。階段測(cè)試（2 次）：按10 分評(píng)定，求測(cè)試平均值，按學(xué)生作業(yè)完成情況以十分制計(jì)分。操作（15 次）：按60 分評(píng)定，每次創(chuàng)新性不足扣1 分，未操作0 分。期末考試主要以填空和選擇的題型考核數(shù)字圖像處理的基本概念，以主觀題考核圖像數(shù)據(jù)量計(jì)算、直方圖均衡化計(jì)算、均值濾波計(jì)算、灰度直方圖畫法、退化過(guò)程畫法、典型處理程序等。兌換成支撐程度，教學(xué)目標(biāo)1 支撐程度為30%，其中出勤1.5%，課堂表現(xiàn)1.5%，作業(yè)2.5%，階段測(cè)試2.5%，案例操作5%，期末考試17%。教學(xué)目標(biāo)2 支撐程度為20%，其中出勤1.5%，課堂表現(xiàn)1.5%，作業(yè)2.5%，階段測(cè)試2.5%，案例操作5%，期末考試7%。教學(xué)目標(biāo)3支撐程度為30%，其中出勤1%，課堂表現(xiàn)1%，案例操作10%，期末考試18%。教學(xué)目標(biāo)4 支撐程度為20%，其中出勤1%，課堂表現(xiàn)1%，案例操作10%，期末考試8%。

3 教學(xué)改革效果

課程組根據(jù)OBE 教學(xué)理念，對(duì)本校19 級(jí)電子信息工程專業(yè)進(jìn)行“數(shù)字圖像處理”課程案例教學(xué)。從成績(jī)上分析，總評(píng)成績(jī)呈現(xiàn)正態(tài)分布，總體考核成績(jī)較好，90—100分段占8.99%，80—89 分段占50.56%，70—79 分段占37.08%，60—69 分段占3.37%。從達(dá)成度分析來(lái)看，課程目標(biāo)1 至4 達(dá)成度分別為89.63%、82.55%、78.62%，78.08%，課程目標(biāo)1 的達(dá)成度較高，說(shuō)明學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)掌握較好。課程目標(biāo)2 的達(dá)成度略高，說(shuō)明學(xué)生能夠熟練地用Matlab 語(yǔ)言編寫常用的數(shù)字圖像處理算法。課程目標(biāo)3 達(dá)成度一般，說(shuō)明學(xué)生雖掌握了正確的學(xué)習(xí)圖像處理方法和手段，但對(duì)當(dāng)前數(shù)字圖像處理的發(fā)展趨勢(shì)和最新技術(shù)了解一般，在以后的教學(xué)中要加強(qiáng)對(duì)該方面的引導(dǎo)。課程目標(biāo)4 達(dá)成度一般，說(shuō)明學(xué)生針對(duì)數(shù)字圖像處理方面的復(fù)雜工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)適合的圖像處理方案的能力一般。課程組擬在下一輪課程教學(xué)過(guò)程中增加以實(shí)踐為背景的案例教學(xué)，并強(qiáng)調(diào)數(shù)字圖像處理在電子信息工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。從課堂學(xué)生參與度來(lái)看，學(xué)生明顯比沒(méi)有進(jìn)行案例教學(xué)前參與度高，學(xué)生在課上能積極分享案例運(yùn)行成果，課后快速完成作業(yè)并積極和教師、同學(xué)開展討論。

4 結(jié)語(yǔ)

在工程專業(yè)認(rèn)證的大環(huán)境下，針對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)現(xiàn)狀，課程組以電子信息工程專業(yè)為對(duì)象進(jìn)行了基于OBE 理念的案例教學(xué)改革。介紹了該課程的課程目標(biāo)和畢業(yè)要求，設(shè)計(jì)了基于OBE 的案例教學(xué)內(nèi)容。從改革效果來(lái)看，本文提出的基于OBE 理念的“數(shù)字圖像處理”課程案例教學(xué)方案，能夠有效地提高學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，取得滿意的畢業(yè)要求達(dá)成度，為其他高校數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革提供一定的借鑒作用。