问题驱动和Matlab 相结合教学法在数字图像处理课程中的应用研究

相入喜等

摘要：为了吸引光电信息工程专业学生对“数字图像处理”这门学科的学习兴趣，该文根据应用技术大学高年级本科生学习特点和数字图像处理学科本身的特点，提出了一种基于问题驱动和Matlab相结合的教学方法，在具体教学实践中取得了较好的教学效果。

关键词：问题驱动教学法；数字图像处理；Matlab

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）04-0169-01

《数字图像处理》不仅是光电信息类的核心课程，而且也是一门交叉性很强的学科，涉及多学科知识，如高等数学、概率论、随机过程、线性代数、电子学和光度学等学科。目前数字图像处理技术在军事、生物医学、航空航天、教育等行业得到广泛应用[1-4]。近年来，随着电子科学技术的快速发展，数字图像处理的理论研究也进入了新的阶段，为了适应目前的快速发展，几乎所有高校的光电信息类专业都开设了该课，但在讲授该课程时，几乎所有高校教师都采用了传统的教学方式，侧重理论，轻视实践的教学模式，大大消弱了学生学习的积极性，同时严重抑制了学生创新思想的发展。为了进一步提高学生兴趣和学习主动性，该文在《数字图像处理》课程教学中进行问题驱动和Matlab相结合方式教学探讨，取得不错的教学效果。

1 问题驱动教学法

问题驱动教学法和前人提出的项目教学法很类似，但不完全相同。建构主义学习理论认为知识是学生在一定情景下，结合其他人的帮助，利用有效地学习资料，通过意义建构的方式获得。教师在整个学习过程中起着帮助者的角色，利用一些情景、协作等学习方法，让学生在学习过程中充分发挥主体性[5]。问题驱动教学法也是在建构主义理论的指导下，以实际的项目为讲解对象，先由教师提出几个主要问题，分组引导学生思考，然后学生围绕问题思考，独立解决问题。在解决过程中，可以参考资料，也可以寻求他人帮助。在解决过程中，学生会不断有新的问题、新的方法出现。问题驱动教学法针对应用大学本科层次学生本身的特点，通过不断提问题，解问题，再提问题，从而让学生掌握基础知识，锻炼学生思考问题能力，从而激发学生的学习兴趣。

问题驱动教学法的关键是问题的设计好坏，设计的好，可以促进学生正确的思考，不好会严重影响学生的思考，太难学生会长时间思考不得结果，就失去了问题驱动的效果，同样太简，也失去问题驱动的效果。问题设计要按照难度与知识点的范围设计难度均衡的问题，做到难易兼顾，逐渐深入的问题模式。在课程教学中，设计问题做到难中易的比例为2：6：2的形式。问题易，学生基本看书就可以解决问题；问题中，学生看书后需要少许思考就可以解决问题；问题难，学生需要长时间思考，同时需要结合前面问题模式中的中和易的问题才可以解决。如学生在学习图像增强的内容时，就可以先提出一个大的问题，如目前智能手机比较普遍，利用手机拍照也是很简单的事，但利用手机拍照很容易得到一张对比度不佳的图片。对于这一部分的内容，在学习时首先提出大问题就是如何提高图像的对比度，改善图像质量？接着给出几个简单的问题，如：图像为什么要增强？对比度是什么？直方图均衡化的原理是什么？ 直方图规定画的原理是什么？几个简单问题过后就是比较难一点的问题，对比度增强适用范围是什么？直方图均衡化要注意哪些？等等，最后给出难一点问题，就是如何有效改善图像的质量？ 对于每一章节的学习，都可以采用类似的方法，先抽象成问题，尤其要结合学生实际获取图像所遇到的现象，然后细化解决这个问题的子问题，最后再回归到学习这章节的大问题中。对于单一章节来说，这样方式很合适，但对于综合性内容，在设计问题模型时就要花的时间更多，因为涉及到多项数字图像处理技术的综合应用，综合问题的设计要来源学生实际。例如可在课程中设置几个综合问题：如何检测流水线上的赝品？如何将多幅图像拼接成大场景？如何将人从场景中分离出来？这些问题的设计都需要授课老师先展示结果给学生，吸引学生的兴趣，增加进一步学习的欲望。

2 问题驱动和Matlab相结合

通过问题驱动，引导学生自学，提高学生创新能力。在解决问题时需要一种简单快速的仿真工具，在众多的仿真软件中，由于Matlab具有强大的矩阵处理与三维显示，非常适合数字图像出的仿真实验，可以加速问题的解决。

在问题驱动教学中，很多问题的解决可以通过Matlab的快速仿真验证。多数问题解决涉及到算法中有大量枯燥的公式推导，

学生不容易集中注意力，这时如果通过Matlab仿真得到结果，能重新引起学生的学习兴趣。Matlab仿真除了可以帮教师解决部分问题的演示，也可以帮助学生继续解决剩下的问题。由于Matlab 本身编程和验证要耗费额外的时间，那么每堂课教师所讲述问题中必然有所减少，否则会造成教学任务没有完成。因此问题驱动和仿真工具Matlab 相结合可让教师想教，学生想学，同时还能提高学生的创新能力。

3 总结

教学改革是一个非常漫长、不断探索、逐步完善的过程，在这个过程中，教师要打破传统的教学模式和理论教学的课程局限，巧妙地运用新的教学模式-问题驱动和Matlab相结合，激发学生学习兴趣，提高学生独立思考、自主解决问题的能力。因而使用这种新的教学模式的数字图像处理教学中，教学效果显著增强，学生学习兴趣增大，推动了传统教学模式向研究型教学发展。

参考文献：

[1] 陈青.数字图像处理教学中思维能力培养的实践[J].上海理工大学学报，2013，45（4）：356-359.

[2] 曹永锋，苏彩霞. “数字图像处理”教学中提高学生主动性的探索[J].中国电力教育，2013（13）：101-102.

[3] 贾永红. 现代化教学手段在数字图像处理教学中的应用研究[J].测绘通报，2006（1）：62-64.

[4] 吕秀琴.GIS 专业《数字图像处理》实验教学研究[J]. 地理空间信息，2012，10（5）：174-176.

[5] 赵建华. 协作学习及协作学习模式[J]. 中国电化教育，2000，165（10）：5-6.