信息管理与信息系统专业“数字图像处理”课程教学实践探讨

曾 怡

（北京林业大学信息学院,北京 100083）

信息管理与信息系统专业“数字图像处理”课程教学实践探讨

曾 怡

（北京林业大学信息学院,北京 100083）

“数字图像处理”是高校信息类专业一门重要的选修课程。该文分析了林业高校信息管理与信息系统专业的教学特点,研究了“数字图像处理”课程教学中存在的问题和解决方案,提出了教学改革的措施。强调学生以具体应用为出发点,探索解决方法,以此引导学生的学习活动,驱动和维持学习者的兴趣和动机,使学生能够较好地完成从理解到实践、从实践到应用的学习过程。从教学内容、教学方法与手段、实验教学等方面进行了详细阐述,并结合具体的教学案例进行了说明。

数字图像处理;信息管理与信息系统专业;教学改革

一、课程特点分析

“数字图像处理”是高校信息类专业一门重要的选修课程,是一门涉及学科领域相当广泛的交叉性学科。随着对地观测技术的迅速发展,遥感图像在社会生活与经济建设中发挥着越来越重要的作用,数字图像处理技术逐步受到关注并得到相应发展[1]。目前,遥感技术在森林资源管理中有着越来越深入的应用,因此,对于林业院校信息管理与信息系统专业的学生而言,培养一定的遥感数字图像处理和应用分析技能,该课程具有重要作用。

“数字图像处理”课程涉及多学科领域,渗透性强、课程内容广泛、理论抽象、算法实现过程不直观,对教学提出了较高的要求,学生要真正理解相关知识和技术并不容易。该课程既具有完备的理论基础,又是一门应用广泛的实用学科,理论性和实践性都很强[2]。同时,迅猛发展的图像处理技术,促使该课程的教学内容需要不断更新。

针对“数字图像处理”课程理论性、实践性、系统性和探索性强的特点,如果不进行课程教学改革,不对授课内容重新进行精选及更新,将很难反映课程内容的时代性特征。虽然通过数字图像可以直观地展示一部分原理知识,但是如果教师不强调图像判读技能和运用方法,不引入相应的实际应用背景,学生就不能深刻体会,无法获得良好的教学效果。

如果仍然遵循传统的强调以教师为中心的教学模式,盲目地以灌输为主,势必会导致每堂课信息量的大量堆积,不能适应社会经济发展对人才应用能力的需求。为了体现该课程在信息管理与信息系统专业中的应用价值,教师需要主动地补充和选择一些与教学内容相关的实际应用图像与案例,从而培养学生的图像处理能力和应用遥感图像分析和解决实际问题的能力。

本文分析林业高校信息管理与信息系统专业的教学特点,研究“数字图像处理”课程教学中存在的问题和解决方案,提出进行教学改革的措施。强调学生以具体应用为出发点,探索问题的解决方法,以此引导学生的学习活动,驱动和维持学习者的兴趣和动机,使学生能够较好地完成从理解到实践、从实践到应用的学习过程。

二、教学改革的内容

（一）教学内容建设

“数字图像处理”是一门综合性很强的课程,主要讲授如何利用计算机对图像信息进行分析与处理的原理、算法及其相关应用。该课程涉及计算机、数学、光学、电子等多个学科。同时,该课程与实际应用密切相关。结合林业类高校信息管理与信息系统专业课程开设的情况,将教学内容划分为3个方面：

一是数字图像处理基础理论知识。主要包括数字图像处理的基本概念、特点、应用领域、图像处理系统的硬件组成、图像数字化和显示过程的数学描述等。

二是遥感基本原理。主要包括遥感系统的组成、遥感物理基础、数据特征分析和数据采集方法。特别是基于电磁波的成像原理、地物反射波谱曲线和常见传感器的图像数据特征。

三是数字图像处理与分析的基本技术,分为图像校正、图像增强和图像分类。具体包括图像的灰度直方图、三种基本图像运算、遥感数字图像的辐射校正与几何校正、图像增强处理（平滑与锐化）、图像变换、遥感图像分类等。着重研究如何将图像基本原理与处理技术有效结合。

为了使学生真正掌握课程知识和相关技术应用,合理地构建教学内容体系是关键。应从理论教学、实践教学、应用实践3个方面,最优化地合理利用和整合教学资源,使教学与实践环节相辅相成,逐层深入,实现有效衔接。

（二）教学方法与教学手段

为了取得良好的教学效果,并充分体现互动教学的特点,本课程必须注重教学方法与教学手段的研究。注重现代化教学手段与传统教学的结合,教学内容与教学方法的优化组合,以启发式教学法为主,提高学生的学习兴趣,激发学生自主探索与研究的积极性。

由于课程学习难度较大,并且需要有一定的先修课基础,对于部分理论基础薄弱的学生而言,严密复杂的数学推导会令人望而生畏,课程刚开始的兴奋感很容易转化成三分钟的热度。因此,要想让学生在学习的全过程都保持兴趣,必须探索如何将课程的内容化繁为简,以深入浅出的方式进行课程讲述[3]。在教学手段的设计与运用方面,不能局限于本课程的学期教学过程,更应该注重该课程对学生专业的长远影响,以及对专业探究方法的引导。

注重更新教学手段,采用现代化手段教学。按照教学大纲的要求认真撰写教案,所有教案均制成电子教案,教学内容达到图、文、声并茂,并全部在网上共享。在教学中不断更新和完善,使教学内容尽可能为最新的成果,使课程教学具有现代性。通过研建课程教学相关网络资源库和课程网站,课程的教学大纲、授课教案、教学课件、习题、实验指导、参考文献目录等均上网,为实现教学资源共享、开展多种形式的教学奠定基础。同时,要开设适当的讲座和科研指导。通过开发立体化教材、多媒体教学等方式,有效促进课外的师生交流,形成良好的师生、生生互动。

另一方面,结合学校的行业优势,在课程的教学过程中应突出林业遥感数字图像处理特色。例如,通过选取典型的林业数字图像处理及应用案例（如林火监测与分析）,师生双方进行案例探讨,深入理解图像处理的基本规律。通过启发式的案例教学,不仅使学生深刻领会学习该门专业课的真正目的和用途,而且还大大提高了学生综合运用专业理论知识去分析和解决复杂的实际问题的能力。

（三）实践教学

“数字图像处理”是一门面向工程实践的课程,要求学生具备“学以致用”的能力。应建立教师讲授与学生自学相结合、理论与实践相结合的教学模式。鼓励学生针对实验过程中遇到的问题进行交流,通过学生做报告、教师点评、学生之间讨论的方式,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

同时,在部分章节讲授完之后,通过阶段训练模式强化对主要技术与算法的应用;通过实际工程案例分析,讲授该课程的技术应用与发展趋势;通过上机实践,让学生掌握其中的基本技术方法。

为了加深学生对数字图像处理基本原理的理解,掌握实际图像处理系统应用分析的基本方法和过程,本课程设立12个学时的实验课。按照遥感数字图像处理流程,划分相互联系的实验单元。实验内容包括：图像校正、图像增强和图像分类。通过循序渐进的实验操作,全面地掌握数字图像处理的基本技术,培养学生分析和解决实际问题的能力。

（四）网络资源教学

通过研建该课程教学相关网络资源库和课程网站,开发立体化教材、多媒体教学等方式,有效促进课外的师生交流,形成良好的师生、生生互动。充分利用北京林业大学教务处的网络教学平台和信息学院信息教研室的教学服务器发布本门课程的相关电子资源,包括如下几个方面：①课程简介;②教学文件：教学大纲、教学日历、课程标准、课程手册;③主讲教案：中文文稿、多媒体课件;④实验教学：实验教学大纲、实验指导书、实验数据等;⑤习题集：基础题、提高题;⑥参考文献及相关网址;⑦网上答疑：课程辅导答疑;⑧网上讨论。

三、应用实习案例分析

为了突出学生的主动性,在教学中,根据专业的实际情况和学校的行业特点,结合目前的教学实习和科研项目,对实验内容做适当的调整。

1.教学实验。以美国ERDAS公司开发的专业遥感图像处理与地理信息系统软件ERDAS IMAGINE为实验平台,安排几何校正、遥感图像空间域增强、遥感图像分类等实验内容,3个实验任务相互关联。改变传统的观察与分析整理方法,增加林业资源的影像分析与解译。优化实习内容,提高实习的创新性和现代教学技术应用水平。

2.研究性实验。结合教师的研究课题,将学生的实践课同具体的科研活动内容相结合,突出遥感数字图像在林业资源管理中的应用。在实习条件满足要求的情况下,将课堂上讲解的图像处理原理知识与一个具体的研究项目相结合,引导学生以项目和实际应用为中心,充分发挥主观能动性,完成一个综合的实践性课题。例如,结合某市园林绿化局林火视频监测项目,为学生讲解实际数字图像中的林火特征,黑夜林火识别的样本采集、数据测试及算法,白天林火识别的样本特征采集与整理、算法分析与判别方法,以及烟雾识别的图像解译算法。通过这些研究型的实习和项目参与,鼓励和帮助学生及时整理研究成果,自己撰写科研论文,大大激发了学生们的学习兴趣和科研积极性,培养了学生们发现问题、解决问题、独立思考的能力。又如,结合某省林业局森林资源数据更新项目,为学生系统讲解基于遥感数字影像的森林小班变化监测方法,实际操作数字图像配准、校正、增强及融合的过程,使学生真正参与数字图像在林业应用领域的实际应用工作。同时,借助GIS软件的集成平台,使学生自主完成数据更新流程。通过参与性实践,学生综合应用自己所学遥感图像处理知识和技能,不仅熟悉了图像处理技术的工作流程,而且培养了团队合作意识。

通过结合国内外教学科研成果,不断更新和补充教学内容,灵活运用各种教学方法,使本课程的设置更加合理。在教学手段的设计与运用方面,不局限于本课程的学期教学过程,更注重该课程对学生专业的长远影响,以及对专业探究方法的引导。在实验与实习过程中,通过设计一系列遥感图像处理项目,在完成规定实习内容的同时,留给学生一定的思考空间,鼓励学生提出自己的方法来解决问题,加深学生对基础理论和实验课内容的理解。在实验进行阶段,教师应针对不同学生的个体差异和特点,采用分层指导的教学方法,满足不同层次学生的要求,提供不同层次的锻炼机会,提高学生独立分析与解决实际问题的能力。在注重基础理论和技术内容的同时,及时补充国内外图像处理技术有关理论和方法的最新动态和技术成果,努力使“数字图像处理”课程成为具有学校行业特色的精品课程。

[1] 贾永红.“数字图像处理”课程的建设与教学改革[J].高等理科教育,2007（1）：96-98.

[2] 金炜,周亚训.“数字图像处理”课程项目驱动教学模式的实践[J].中国电力教育,2010（7）：82-83.

[3] 刘直芳,张继平.“数字图像处理”选修课一体化教学研究[J].魅力中国,2009（8）：8-10.

（责任编辑 张仕固）