“数字图像处理”课程研讨式教学

　　摘要：“数字图像处理”是一门理论性和实践性都很强的信息类专业课程。针对其知识面较广、理论知识难度大、实验内容深的特点，基于三年的课程教学经验，文章提出一种新的研讨型教学方式，采用“教师主题引导—学生专题讲授—随堂研讨—教师质疑答疑”的施教方案。这种教学方式在实际教学中取得了良好的教学效果。
　　关键词：数字图像处理；研讨式教学方法；创新
　　
　　数字图像处理是一门新兴的交叉学科，经过几十年的发展，在军事、工业、科研、医学等领域得到了广泛应用，成为一门重要的信息技术类专业课程。目前理工类或综合类院校的相关专业几乎都开设了该课程，在课程类型的设置上有专业必修和选修之分。讲授该课程的教师普遍认为，“数字图像处理”是一门理论性和实践性都很强的专业课程，具有知识面较广、理论知识难度大、实验内容深的特点，以课堂为中心、以教师为中心、以教材为中心的传统教学模式不能适应图像技术发展的需要，不利于创新型人才的培养。这一共识促进了该课程的教学改革实践，同行们在教材建设、实验设置、教学方法和手段上总结了大量有效的教学经验并提出了很多有益的观点[1-7]。
　　笔者于2007年在计算机学院开设了数字图像处理选修课程，授课对象为该学院四年级本科生。借鉴前人的实践经验，针对课时有限和选修课开放性等特点，在教学内容取舍、课程活动规划、作业设置、考核方式等环节上进行了改革实践，取得了一些良好的成效[8]。但笔者发现教学过程中仍然存在以下问题：尽管课堂教学中穿插了大量的实例演示和辅助实验，但由于受到学时有限、学生课下自习时间不可控等因素影响，有关图像处理基础理论知识部分的教学效果
　　
　　仍然不理想。反映出的现象是，学生在课堂上对丰富多彩的演示兴趣盎然，但对繁复的数学公式及其背后蕴含的物理意义却不愿深入探究，从而导致学习浮于表面，对数字图像处理基本原理的理解不够深刻，甚至出现有的学生可以完成课程实验但对程序反映的算法机理却一知半解的情况，不利于创新思维的训练。由于学生没有课前研习的激励，教师常常在授课过程中遭遇研讨冷场等尴尬局面。面对这样的状况，为了进一步激发学生的学习兴趣和探究精神，我们有必要探索和尝试更适合的教学模式，使学生不仅能从课程中感受到数字图像处理技术的魅力，更能深入理解掌握一些基本理论和技术，培养灵活运用知识解决实际问题的能力。2010年春季学期我们在“数字图像处理”课程的教学实践中，大胆尝试了全新的研讨型教学方式，并在实验、考核等环节上进行了相应的配套设计，获得了一些经验和启发，在本文中与同行分享。
　　1研讨型教学方式设计与实践
　　研讨型教学方式应属于研究性教学模式的范畴。近年来，研究性教学以及研究性学习成为国内外广为推崇的教学和学习方法，并进行了大量的实证研究[9]。在当前的本科生教学实践中，研究性教学成果大多体现在教师的教学内容和实验设计上，已经改变了数字图像处理课程教学长期以来以教师课堂理论教学为主的状况，“问题教学法”、“形象化教学法”、“类比法”等教学方式的采用也极大地提升了课堂教学效果。但我们在教学过程中发现，上述改革仍然无法根本改变教师有意无意主导整个教学活动的现状，学生的课堂参与度有限，无法真正做到主动学习和研究性学习。基于三年的数字图像处理课程教学经验，在这门本科专业选修课程中，笔者提出并实践了新的研讨型教学方式，摆脱以往课堂上以教师讲授为主的模式，采用“教师主题引导—学生专题讲授—随堂研讨—教师质疑答疑”的形式安排课堂活动，并配合验证型和设计型实验拓展学生的学习和创新空间。我们重点在课堂活动安排上进行了新的尝试，整体设计包括首堂互动、专题讲授与研讨、实验设置与课程竞赛、作业与考核等4个环节。
　　1.1课前宣传与首堂互动
　　本课程在我校计算机专业系列课程中设置为专业任选课，安排在本科第八学期开课，与此同时开课的还有四门任选课，学生中因兴趣差异而造成选课分流，从而自然形成小班教学，给本课程实施研讨型教学创造了条件。但由于选修课的成绩约束不强，且第八学期绝大多数学生的学分都已修满，学生选课和弃课的自由度较大。按照以往经验，如果授课过程缺乏持续的吸引力和学生自己的内驱力，选修课很容易遭遇虎头蛇尾、学生大量流失的境况。针对这种情况，为了保证研讨式教学活动的正常实施，我们采取了课前宣传和首堂互动的方式来吸引学生选课和稳定课程选修人数。
　　在学生选课之前，由主讲老师在授课年级主办1～2次课程宣传活动，通过典型应用实例、前沿技术展示和丰富的媒体效果为学生展现一个奇幻的图像世界，吸引学生的注意力、激发学生探求技术奥秘的好奇心。这种方式能很好地调动学生课前学习热情，很大程度上排除学生以往单纯“修课拿学分”的被动思想，取得良好的授课基础。以笔者连续三年5个班次的教学实践看，选修该门课程的学生，平均有50%是在学分修满的情况下仍然全程参与了课堂教学和课程实践，并全部通过考核，学生普遍反映课前宣传使他们能更多地了解课程，消除了选课的盲目性。
　　正式开课的第一堂往往是学生最集中的一次课。为了保证后续研讨课时的教学效果，在本年度我们精心设计了首堂互动活动，除了常规的全面介绍授课内容、教学目标、课时安排和考核方式等内容外，增加了“课程研讨主题发布和质询”的师生互动环节，首先由主讲老师介绍课程研讨的实施方式和预先拟定的研讨主题，然后学生可以自由提问、提出需求或发表提案，经过讨论、质疑甚至是辩论后，在主讲老师的引导下确定最后的实施方案。在此过程中一定要充分发挥学生的主观能动性，并在不违背课程大纲基本要求的前提下尽可能地尊重学生的学习意愿，这样得到的方案对学生而言才具有说服力，有利于在学生心理上形成自然的内驱力和约束力。由于后续研讨和实验活动都将分组实施，课程成绩与小组表现挂钩，学生随意弃课会对教学效果造成较大影响，因此在首堂下课前我们又特别安排了“选课再确认”和“自由组队”的环节，虽然仅仅是向课代表的口头承诺，但无形中增强了学生的团队意识和责任心，进一步加强了参与课程学习的学生之间的凝聚力。
　　从实施效果看，课程基本杜绝了学生中途弃课的现象，并且“数字图像处理”课程成为我院第八学期任选课到课率最高的课程之一。
　　1.2专题讲授与研讨
　　本轮教学改革的重点是授课方式的改变。摆脱以往课堂上以教师讲授为主的本科生教学模式，大胆尝试了“教师主题引导—学生专题讲授—随堂研讨—教师质疑答疑”的课堂活动形式，得到了学生的积极反馈，取得了很好的教学效果。
　　在课时受限的情况下，我们设立了数字图像处理基础、图像增强、图像变换、图像编码、图像分割、彩色图像处理等6个知识专题。其中数字图像处理基础由任课老师主讲，重点讲授有关数字图像处理技术的基本概念和基础理论，引领学生从宏观上把握这门学科的知识结构和应用方法。后续5个专题则采用学生主讲、老师主持研讨的方式展开，具体操作办法是：老师首先将所有专题的知识点划分为相对独立的知识单元，比如图像增强专题可分为时域增强和空间域增强两个单元，图像分割专题可分为基于边缘的分割方法和基于区域的分割方法两个单元等；再根据选课学生的分组情况，将划分好的知识单元分配给各组学生自学，除教材外还向学生提供教师授课课件及与知识单元相关的参考资料；然后各组学生内部分工合作准备正式课件和应用演示，后续5个专题则由各小组委派代表走上讲台授课，授课形式可由学生自由设计，要求尽可能的深入浅出并能引发思考和讨论，老师在学生授课过程中发现陈述不清楚或理解有误的问题，会随堂发起讨论，学生也可随时进行质疑或发起研讨，专题结束时由老师总结和评述，并布置相应的课外作业和实验，以加深学生对知识点的理解。授课和研讨效果作为课程成绩的重要考核指标。
　　
　　上述研讨式教学方式使课堂教学以学生为主角，最大程度地发挥学生的主观能动性，学生通过课前自学、课上讨论和课后实验能更系统、深刻地掌握所学内容，并会因为研讨提出的交叉应用问题激发拓展学习的热情。在这个过程中，老师扮演主持人和评论员的角色，发挥纠正误区、揭示本质、解答疑惑和引导思考的作用。
　　从实施效果和学生反馈来看，本轮改革是具有示范意义的。主要表现在：
　　1) 课堂教学的学生参与度显著提高。学生为了上好课在课下花了很多功夫学习和研究所要讲授的内容，并补充和修改课件，从学生的角度设计了许多新颖的案例来吸引听课学生的关注和思考，比如用“找茬”游戏外挂的设计引出图像运算的知识点、用有关的“信息熵”的智力题来引发图像编码质量的讨论、用快速傅立叶变换8人游戏演示算法原理，等等。学生课后普遍反映这种教学形式改变了过去被动学习的状况，使他们有了“学深、学透”的成就感。
　　2) 课堂气氛十分活跃。研讨碰撞出的思想火花激发了极大的学习热情，一些过去仅靠老师讲授而显得枯燥无味的理论知识，在研讨课上也变成了激烈辩论的课题，比如有关傅立叶变换的本质及其在图像处理中的应用的讨论异常热烈，学生虽然在早期信号系统课上已经接触过，但都停留在“只会用公式却不知其物理含义”的层面上，而在本次“图像变换”的专题研讨课上，为了透彻理解和揭示问题，先后有三个组的同学自发上台讲解，并引发了全体大讨论，甚至申请课外课时邀请了理学院的数理课老师来做专题讲座。学生课后纷纷表示这样的研讨课让他们收获很大。
　　3) 学生自己授课，打破了权威意识。学生一改过去听课不敢提问和质疑的状况，台上台下互动频繁，且由于分组之间相互评分，促进了团队意识的培养，几乎每个学生都想为课堂有所贡献。在这种轻松的氛围中，由于学生的质疑，甚至发现了用了几年的课件中存在的错误，引发了诸如“色彩与眼睛对光的吸收率的关系”、“边缘提取算子近似方法原理”等问题的探讨。
　　1.3实验设置与课程竞赛
　　实验是课堂理论教学的补充，对于“数字图像处理”这类交叉学科的课程尤为重要，学生可以通过形象生动的实验加深对理论知识的理解。为了使学生尽快理解和体验典型算法的处理效果而不受困于调试程序，我们以“学以致用”为目标，设计了与专题相配套的单元实验项目。要求学生运用高级图像工具包(如Matlab)或课程组提供的高级编程语言(如C/C++)程序框架来编写数字图像处理基本算法(包括直方图均衡化、各类滤波器、快速傅立叶变换、边缘提取算子、彩色空间转换等)，体验应用效果，使学生能深刻理解基础理论，增强应用开发能力，同时还鼓励学生参与老师承担的学术课题研发工作，将课程实验项目演变为毕业设计课题。图1是学生完成的彩色通道直方图显示实验。
　　此外，我们还设计了运用主流数字图像处理应用软件(如Photoshop)处理各类图像的综合实验环节，使学生具备数字图像处理软件的应用技能。为了激发学生兴趣，我们以课程竞赛的形式组织这个实验环节，学生可以组队参赛也可独立完成，最终的实验作品和报告交由辅导老师和全体参赛选手评价，评出各类奖项以鼓励优秀。所有实验均按比例记入课程成绩，而学期末的颁奖仪式是课程实践成果的最好展示，学生参与热情很高，涌现了很多高水平的作品，充分发挥了理论与实验相互融合补充的作用。图3是Photoshop课程竞赛的优秀学生作品。
　　1.4作业与考核
　　除了实验以外，我们根据教学进度不定期地布置课程作业，已巩固和消化课堂教学内容。但作为一门选修课，为了充分尊重学生自由选课、自主学习的意愿，我们在教学实施过程中提出了“自由作业”的理念。采取“自愿上交作业、交者加分、不交者不扣分”的评价原则。最重要的是作业批改后进行认真的课堂讲评，对学生上交作业率、作业完成情况、作业知识点、学生作业中的闪光点以及评分情况进行分析点评，使所有上交作业的学生有成就感。“自由作业”实施的目的是消除学生被迫完成作业的压力、杜绝作业抄袭现象、通过鼓励式的点评促进学生完成作业的主动性。在笔者连续三年5个班次的教学实践中，授课过程中会布置4～5次作业，多数学生即使没有作业必做的压力，平均每人提交了2次作业。这种自由完成作业的氛围，不仅没有流失学生，相反使学生课下思考的自觉性提高，而且很多学生的作业质量很高，创新性思维体现得十分活跃。
　　在课程考核上，我们也摒弃了“一考定成绩”的方式。结合研讨教学，我们采用了“笔试(40分)＋专题授课研讨(30分)＋实验(30分)+作业附加分(不超过10分)”的考试评价方式。其中，笔试开卷，主要考核学生对数字图像处理基础理论的宏观掌握，不要求死记硬背，重要的是考察学生运用知识解决问题的能力；专题授课研讨的成绩会结合老师和学生两方面的评分综合评定；而实验成绩则会考虑单元实验和课程竞赛作品两部分的完成情况。通过这种考试方式，能够检查学生对数字图像处理理论的掌握程度以及实践能力，并且由于考核灵活度提高，将学生的考试压力转换为对学习过程的监督，只要学生本着学习一门新技术、提升综合素质的理念全程认真参与教学活动，通过课程考试就是水到渠成的事情。2010年春季学期的笔试内容灵活性和广度较以往都有很大提升，但学生最终的综合平均成绩达到了86.1分，客观反映了本轮研讨式教学改革的成效明显，并得到了选课学生的高度认可。
　　2经验与建议
　　为培养创新性人才，提升本科教学水平，笔者在计算机专业选修课程“数字图像处理”的教学实践中，设计并实施了研讨型教学方式，取得了良好的反馈和积极的成果。现总结以下几点经验和实施建议，供相关课程改革实践参考：
　　1) 研讨式教学适用于50人以下的小班教学，否则无法有效地组织研讨。
　　2) 专题和知识单元的设置和划分十分重要，要注意知识单元之间的衔接和联系，合理安排学时。
　　3) 教师备课要充分，教师要预先准备随堂研讨的问题，并能恰当地控制研讨局面，善于取舍，重要的理论和技术要给予充分的时间讨论，发散性的议论要及时收敛，以保证正常的教学进度。特别对未有结论的研讨教师要给予及时的反馈和讲评，消除学生疑惑或引导学生深入学习。
　　
　　4) 课程实验要与专题研讨配合，最好能根据研讨的情况进行相应的调整，提升整个课程教学活动的整体性和互补性。
　　3结语
　　本科生课程研讨式教学可以给学生更宽的视野、更深的思考、更多的收获，但同时对授课教师提出了新的挑战和更高的要求。数字图像处理作为当前非常具有前景的学科方向之一，我们还将继续探索实践，不断完善教学内容和方法，以满足社会对该领域人才的需求。
　　
　　参考文献
　　[1] 贾永红. “数字图像处理”课程的建设与教学改革[J]. 高等理