基于ARCS模型的“数字图像处理”综合设计

□刘艳 李庆武 周妍 霍冠英

基于ARCS模型的“数字图像处理”综合设计

□刘艳 李庆武 周妍 霍冠英

为提高实践教学中学生的主动学习热情、维持学生的学习积极性，课题组结合国家“卓越计划”项目实施，开展了“数字图像处理”实践课程教学改革。改革后的教学设计基于ARCS模型构建，在课前、课中、课后三个环节的教学中，以任务单形式引起学生注意，引发学生的关联思考，组织有效学习和讨论，维持学生信心，并及时反馈与评价，使学生获得满足感。该教学方式能让学生主动承担学习责任，提高实践能力。

实践教学；数字图像处理；ARCS模型

数字图像处理技术将计算机、数字图像输入输出硬件、图像处理软件等相结合组成图像处理系统，并对所捕获的图像进行数字化转换、存储、编辑、传送和使用。随着计算机与数学的不断发展，农林牧业、军事、工业、公共安全和医学等应用方面的需求，该技术激发了广大工程人员的学习热情，在教学中愈受重视。“数字图像处理”是河海大学物联网工程学院“卓越工程师教育培养计划”通信工程专业的工程基础教育课程，包括图像变换、图像编码于压缩、图像增强与复原、图像分割、图像描述、图像识别等内容，同时具备较强的理论性与应用性，其实践教学要求学生具备相应理论知识与一定的实践能力。

实践教学作为本科生培养过程中的重要组成部分，应以能力为导向，并结合相关理论课程，以实践项目为载体，分别在基础性、应用性、创新性实践教学中培养学生对知识的理解能力、理论联系实际的动手能力、发现问题并解决问题的创新能力。“数字图像处理”课程通常会在理论教学的同时，开设基于Matlab的实验教学，或进行教学方式的改革，如可视化教学。由于课时的限制，学生的实践机会不多，实践能力得不到提高，因此课题组将实践课程单独开设，以基于ARCS模型的综合设计形式进行教学。

一、ARCS模型的适用性

ARCS模型由美国佛罗里达大学的约翰.M.凯勒1983年提出，该模型关注如何通过教学设计来调动学生的学习动机问题。该动机模型中具备4类要素：A（Attention)为注意，包括无意或有意的注意，是个体进行学习的先决条件；R（Relevance)为关联，让学生发现新知识与已有知识和生活经验之间的关系，以及新知识可以用来解决生活中的实际问题；C（Confidence)为信心，根据学生的需要在学习的不同阶段，持续的给予支持和维护并让学生对成功拥有更高的期望，相信自己能获得成功；S（Satisfaction)为满足，它作为内部动机，让学生感到所学知识有用，自己做得还不错，受到的评价很公平。

国内诸多学者已开展了基于ARCS模型的教学研究。陈立春研究了美国“ARCS学习动机设计模型”原理；孙冬梅分析了该模型在高校课堂中的适用性；廖敏秀、刘惠敏、颜磊等人将该模型应用到信息检索课程、历史课堂教学和幸福课中。对基于ARCS模型的实践课程教学，相关文献较少。而传统的实践课程教学存在的诸多问题亟待解决，如作为理论教学的辅助手段，教学模式相对固定，教学过程中教师与学生的重视程度普遍不高；大部分学生认为实践教学只是形式，对教学内容兴趣不高；学生在参加学习前，没有深入思考课程内容及相关知识点，动手实践时常遇到困难；信息化手段的不断发展，也让学生倾向于找已知答案而不是自己去解答；学生喜欢避难就易，分析、解决问题的能力得不到锻炼。

ARCS模型对学习动机的调动，可以在教学的各个环节中进行渗透，解决下面问题：

1.引起注意

将课程丰富的教学资源展现给学生，以吸引并保持学生的学习兴趣；同时设置各层级、各种题型的思考题，要求学生自己去查阅资料、学习并解答。围绕教师提供的信息和课程任务，学生自行查阅、收集资料、拟定实验方案，实现自主独立、循序渐进的学习和自主探究学习。

2.切身关联

教学资源中，可结合示例说明学习任务的价值及其与学生后续学习、未来发展的联系；联系生活实际唤醒学生已有的生活经验或常识，与现实世界的联系；结合数字图像处理相关应用背景，引导学生在理论知识与实际应用之间的联想；在课堂教学中鼓励学生提出问题，结合教师抛出的新问题，组织学生讨论。

3.维持信心

保持交流答疑的畅通，如开设线上讨论区，提供及时的帮助与支持，引导学生积极面对学习困难，并相信自己能够很好地完成学习任务；组织小组学习、讨论与探究，施行同伴教学法，培养学生的人际交往、团队协作能力；给予学生发言与上台讲解的机会，进行个人展现，提升学生的自信。

4.获得满足

教学过程中不断进行反馈与评价，使学生感受到教师的关注，鼓励、赞扬、批评、单独指导等方式均可让学生在心理上产生愉快的学习体验；教师遵循学生个体差异的教学，能够使学生得到理解和尊重，更加积极地投入学习中。

二、基于ARCS模型的教学设计

课题组借助翻转课堂教学模式，将数字图像处理综合设计的教学活动分为3个阶段，包括课前任务、课堂教学和课后反思。其结构见图1。

图1 基于ARCS模型的教学设计

1.课前任务

根据教学目标，分别设计仿真和硬件各1个综合项目，仿真项目要求学生借助Matlab软件实现，硬件项目借助数字图像处理综合实验系统完成。目标的深浅、层次和结构关系到学习效果，因此将项目任务的详细要求分基本要求和提高要求。仿真项目“数字图像处理软件”的基本要求为实现数字图像的基本操作、灰度图像的去噪与增强、几何变换及边缘检测；硬件项目“视频图像的去噪及边缘检测”的基本要求为分别实现视频图像的实时去噪和边缘检测。

借助网络平台，在综合设计课程开始前一周，教师发放相关教学资源，包括学习目标、项目内容、原理及要求、参考资料和学习任务单等，表现方式为文档、课件、视频等。精干短小的视频包括项目示例和结合科研的应用范例，中间穿插少量习题，吸引学生长期注意的同时利于教师了解学生的掌握情况，实现交互式教学。学生的兴趣被调动起来后，自行查阅资料、学习并设计项目方案。期间利用网络平台与同学、老师相互交流，维持互动。

2.课堂教学

学生带着方案来到课堂，教师按照“三步法”进行教学：

第一步，检测学生的课前学习成效，将项目方案进行实现，即“实践阶段”。该阶段学生将基本要求完成即可。教师及时指导并不断肯定学生的成功，维持学生的信心。

第二步为“协作阶段”。考虑到学生的个体差异，对学生尚未完成的提高部分内容，如个人可以完成，可继续开展个人实践；若不能完成，可分组进行，小组成员可以相互协作，并就最佳方案和实现方式（算法)达成共识。

第三步非常重要，是对课前自学和课堂学习的进一步探究，为“总结阶段”。这一阶段学生可以对个人或小组的方案设计和算法实现进行阐释，其他小组或个人可以对其进行质疑。可采用小组代表做总结的形式。此时教师要及时反馈，以赞扬为主，维持学生的信心并使学生获得满足。

3.课后反思

传统实践教学几乎没有课后教学。基于ARCS模型、参考了翻转课堂模式的教学可将课堂进行无限延伸，即课后反思。课后反思包括学习者对学习的反思和教师的教学反思。

教师的课后反思包括对教学内容、教学过程、教学策略的反思。这一过程是教师借助教学实践行动、探究和解决教学中的实际问题，不断追求教学实践合理性，发展教师个人教学水平、提高教学设计和过程有效性的全面发展过程。

学生完成课堂活动后，需要提交设计报告。撰写报告的过程本身就是反思的过程，学生回忆和联想已经掌握的知识并写入报告，对未解决的问题和教师的课堂反馈也进行课后反思。若学生个人仍不能解决，可借助网络平台的讨论区与教师、同学进行讨论、对话、协商、合作，帮助自己进一步理解所学的知识、解决更深层次的问题。完成并在线提交报告后，学生还需要根据教师提供的互评标准进行报告互评与互评，促进学生对知识进行深加工，并进一步思考问题和现象的本质。

采用ARCS模型的“数字图像处理”综合设计的教学，从教学内容、教学流程、教学方式上与传统项目设计或课程设计均有较大的改变。诚然，开展此种教学方式加大了教师的工作量、课堂上的教学强度，也对教师的业务水平和教学水平提出了更高的要求。但在这种教学模式下，学生获得的不仅是学完一门课，拿到了相应的实践学分，更多的是在整个学习过程中主动投入热情与注意力，结合切身性开展自学与实践，并在与同学、教师的交流中获得维持信心的反馈，获取学习的满足感，提高自身的实践应用能力和创新能力。

[1]朱金秀,范新南,朱昌平等.电气信息类人才实践创新能力培养体系[J].实验室研究与探索,2011,30(10):129-131.

[2]朱昌平,黄波,朱陈松等.通过“三层次实验”培养学生实践创新能力[J].实验室研究与探索,2007,26(7):5-8.

[3]杜云明,王全,徐建东.基于Matlab的“数字图像处理”教学[J].电气电子教学学报,2015,37(4):111-114.

[4]张坤华,纪震.“数字图像处理”可视化教学体系探索[J].电气电子教学学报,2007,29(1):113-115.

[5]陈立春.美国“ARCS学习动机设计模型”原理在课堂教学中应用的研究[J].上海教育科研,2010,(3):79-80.

[6]孙冬梅,刁彩霞.ARCS动机设计模型及其在高校课堂中的实践探索.现代教育科学,2011,(5):141-144.

[7]廖敏秀.ARCS学习动机模型在信息检索课程中的应用分析[J].图书馆学研究,2014(19):14-17.

[8]刘惠敏.基于ARCS动机设计模型的历史课堂教学研究[J].继续教育研究,2013,(5):150-151.

[9]颜磊.樊文强.刘庆慧.基于ARCS动机模型的网络公开课教学视频分析——从学习动机角度看幸福课的成功及其启示[J].现代教育技术,2013,23(7):72-75,126.

[10]埃里克·马祖尔.同伴教学法:大学物理教学指南[M].朱敏,陈险峰译.北京:机械工业出版社,2011.

（编辑：秦俊嫄）

本文系江苏高校品牌专业建设工程一期项目（编号：PPZY2015B141）和河海大学高等教育科学研究2015年度立项课题“翻转课堂模式下的电类课程实践教学模式研究与实践”（编号：20151212）的研究成果。

G642.4

A

1671-0568（2016)26-0035-03

刘艳，硕士，河海大学物联网工程学院实验师。研究方向：电子技术、信息获取与处理；李庆武，博士，河海大学物联网工程学院教授，博士生导师。研究方向：数字图像处理、信息获取与智能感知；周妍，博士，河海大学物联网工程学院讲师。研究方向：数字图像处理、多尺度几何分析及其应用；霍冠英，博士，河海大学物联网工程学院副教授，硕士生导师。研究方向：声呐图像处理、信息感知与智能系统。