数字图像处理课程的教学建设与改革研究

◆张 辉

(南京信息工程大学计算机与软件学院)

一、课程教学内容体系建设

随着科学技术，尤其是计算机技术日新月异的发展，数字图像处理领域更有效、更实用的新方法和新手段不断产生，需要将最新的成果和前沿性的知识纳入教材，淘汰一些陈旧的、实用性差的教学内容。

鉴于以上考虑，我们在众多的数字图像处理类教材中，选择了清华大学龚声蓉编写的《数字图像处理与分析》教材为主，主要考虑到该教材内容较为系统全面，在内容阐述上重点突出，实践性强，有较多的实例来帮助学生理解图像处理的理论和算法。同时以西安电子科技大学许录平编写的《数字图像处理》、美国 Rafael c、Gonzalez等著的《Digital Image Processing》等教材为辅助，同时结合自身科研项目和当前图像处理领域的前沿动态及科技成果。课程主要内容涉及图像处理绪论和基础知识、图像几何变换、图像增强、图像分割、图像频域处理、图像二值化、图像编码、图像复原、图像特征与理解、彩色图像处理等内容。

我们以“内容的基础性兼顾方法的先进性”为原则，对课程内容进行了适当的取舍和更新。以当今数字图像处理领域的重要内容作为本课程的基本教学内容，使教学内容具有科学性、先进性、系统性和适用性。例如，保留了狭义图像处理中影像灰度直方图的概念、性质及其应用，图像的空间域、频率域增强与复原，广义图像处理中边缘检测、区域分割、灰度共生矩阵分析法和图像的模板匹配等内容。增添了比较新颖而实用的方法和前沿知识，如分形特征提取、多分辨率分析法等内容。在教学过程中，我们非常注重向学生介绍最新的、前沿性的学科知识。若受学时的限制，有些新颖的、难以理解的理论如小波分析、马尔科夫随机场和神经网络等，作为选学内容供学生自学。

教学内容体系建设还要顾及专业、学科课程体系的设置。我们非常注重课程间的衔接，这包括两个方面:一是恰当处理从已知到未知的过渡，使学生能较好、较快地接受新知识;二是恰当处理内容重复的问题，以提高学生学习的兴趣和效率。为此，我们要求教师具备“一人多课”能力，即一名教师能讲授多门相关课程，这样在讲授某一内容时，不仅能有针对性地、适时地补充相关教学内容，而且能与前后课程相关内容有机联系起来，有助于巩固、深化已学知识，引导学生联想和思维。另外，“一人多课”有利于形成“一课多人”的良好格局，有利于保持教学的一致性和连贯性。例如，讲授计算机图像边缘增强方法时，可回顾以往摄影处理实现边缘增强的方法。讲授这一内容，不是知识的简单重复，而是承上启下，温故知新。

二、教学方法与教学手段的改革

为力戒“教师满堂灌，学生记笔记”的教学模式，使学生抛弃“上课记笔记，考试考笔记，考完扔笔记”的学习习惯，遵循有利于发挥“学生是教育主体”、有利于学生“学会学习”、有利于学生创新能力和素质的培养、有利于实现教学目标和促进学生个性的发展、有利于师生彼此促进共同进步的原则，针对数字图像处理学科的特点，我们在教学方法和教学手段方面采取了以下改革措施:

1.加强基础理论教学，贯彻“少而精”原则。数字图像处理内容丰富，应用广，我们一方面注重基础理论教学，另一方面注意精选讲授内容，贯彻“少而精”原则，突出重点，使学生在有限的学时内有最大的收获。例如，讲授方法时突出理论依据及其特点，再以专题形式讲授方法应用，并力求讲授内容新颖，这不仅能激发学生的兴趣，而且在理论素养和方法应用方面都有收获和体会。

2.应用现代化教学手段教学。随着计算机、通信技术应用的迅速普及，计算机辅助教学(Computer Aided Instruction，CAI)对传统教学手段的补充作用和对教学方法改革的促进作用，显得越来越重要了。数字图像处理是以图像为处理对象，其输出的形式主要以图像和图形为主。该课程最适宜将课程教学内容制成课件，采用多媒体计算机开展现代化教学。

3.改革课堂教学方法。采用现代化教学手段，既要充分发挥其优势，又要重视研究对教学方法改革的促进作用，探求新的教学方法。无论是传统课堂讲授还是采用现代化手段教学，我们都以启发式教学为主，综合使用“问题教学法”“形象化教学法”和类比法，引发学生去思考、分析问题，激发他们学习的积极性，提高教学效果。

三、实践教学，注重学生能力培养

“数字图像处理”实习内容包括图像处理软件操作、图像处理算法设计和综合应用等。以往的实习，指导教师在实习前花较多时间讲解实习目的、实习内容、实习要求和实习步骤等，结果导致学生自己动手实习的时间不够用。现在指导老师重点让学生进行算法与程序设计。这样学生不仅能完成实习，而且能有更多时间探讨算法的优缺点，深入分析实验结果，进一步巩固和消化所学理论知识，从而提高了学生理论联系实际和独立动手的能力。

实验课程主要基于MATLAB算法编程。MATLAB图像处理工具箱提供了图像读写、图像显示、图像处理与分析等众多的函数，使从事图像处理的科研工作者从复杂的程序开发过程中解放出来，把更多的精力放在算法本身的设计和研究上，从而加快图像处理领域里的新理论新算法的出现。

实验课程使用的部分MATLAB算法程序实验如图1～3所示。

四、加强师资队伍建设

课程建设的关键以及核心是教师，教师自身的素质和专业水平在课程建设与改革中有着不可替代的重要地位。提高教师的业务能力和综合素质，是加强和提高大学生素质教育的基本前提，是高水平高等教育的关键所在。为此，我们建立了图像处理团队，数字图像处理课程小组共有教师11名。从职称结构看，其中，教授1名、副教授4名、讲师6名。另外，配备有博士生和硕士生作为辅导教师。从年龄层次看，30～40岁的教师占大多数。因此，这是一支以学科带头人、骨干教师为主，老中青结合的战斗力很强的教师队伍。

课程小组注重队伍的能力提高与发展，有计划地安排年青教师到国外进修，如加拿大、法国等具有高水平学术研究氛围的高等院校，以及积极参加国内外教学研讨会和科研活动。小组中教师全部拥有博士学位。课程小组重视教学实践中师德、师能、师表等方面的修养，已实现了老、中、青都能主讲，而且教学效果好，保证了课程建设的可持续发展，得到学校师生的好评。

数字图像处理课程通过以上方面的建设与改革，已具备以下特点。

1.教学资源丰富、新颖，并将相关国内外学术会议、新理论和新技术专题讲座、学科进展和动态报告等信息在网上及时公布，能满足教师和学生教与学的需要。

2.课件采用图形、照片、表格、动画等形象化手段表现图像处理的知识，运用现代化手段教学，提高了学生学习数字图像处理的兴趣，加深了学生对所学内容的理解。

3.将课堂教学与网络辅助教学相结合，把课堂教学延伸到课外，有利于学生自主学习和资源共享，有效提高了教学质量和人才培养质量。

4.实践教学环节分为课间和集中实习，实习内容从基础性操作、验证扩展到探索性、创新性和应用性的综合实习，开拓了学生视野，提高了学生的创新能力。

数字图像处理课程的建设和改革，促进了以教师为中心向以学生为中心的教学方式的转变，增强了学生的创新能力、信息意识、综合素质，为新形势下课程建设与改革提供了有益的经验和启示。

［1］张大良，吕浩雪.打造精品课程，提升教学质量［J］.中国高等教育，2003，(9):6-7.

［2］贾永红.“数字图像处理”课程的建设与教学改革.高等理科教育，2007，(1):96-111.