基于C—CDIO 模式的“数字图像处理”课程教学改革与探讨

刘伟　郑扬冰　刘红钊　崔明月　李根全　黄荣杰

摘要：CDIO体现了最新工程教育理念，是工程教育改革的最新成果。在此基础上，结合“数字图像处理”课程实践性和专业性强的特点，有针对性的进一步发展了以集成化课程链、应用化教学链、协作化实验链为特点的C-CDIO模式来探索“数字图像处理”课程教学改革。该教学改革打破了传统专业课教学模式，在提高学生工程意识，项目构思、设计、实施和操作的能力，以及团队合作精神等方面取得显著效果。

关键词：数字图像处理；C-CDIO；教学改革； 自动化；工程教育

中文分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）36-0098-03

Abstract： CDIO embodies the latest engineering education concept， and is the latest achievements in the reform of engineering education. On this basis， combing with the practical and professional characteristics of digital image processing teaching， we explored its teaching reform with C-CDIO mode. This mode is mainly formed by three reform chains， including： integrated curriculum chain， application based teaching chain and cooperation featured experiment chain. The teaching reform broke the traditional courses teaching mode， and achieved remarkable results in improving students' engineering consciousness， project conception， design， implementation and operation ability， as well as team spirit and so on.

Key words： digital image processing； C-CDIO； teaching reform； automation； engineering education

当前，现代信息技术快速发展，尤其是自动化技术作为信息产业的基石，是衡量一个国家高科技实力的标志之一[1]。在这股潮流的推动下，南阳师范学院（下面简称“我校”） 确立了转型发展、内涵发展的新思路，加快了应用型大学建设步伐，在新型人才培养模式的改革中[2]，适时的以自动化、机械电子专业为主体的成立了新的机电工程学院，优化了学科平台建设。其中，“数字图像处理”是自动化重要的专业核心课程之一，它主要教授学生应用计算机技术，对数字图像进行分析和处理，包括图像滤波去噪、图像增强、复原、分割及特征提取等基本理论与方法。“数字图像处理”是一门典型的交叉性学科，它涉及的基础理论知识及学科领域都相当广泛[3]。鉴于此，本门课程具有起点高、难度大、理论性和实践性都很强的特点。从以往的教学效果及考试情况来看，学生对本课程往往心存畏惧，教学效果有待提高。为此，教学中必须改变过去重理论轻实践，重传统轻前沿的教学模式，代之以实践为主，在实践项目中掌握理论并紧扣技术前沿的新型教学模式，以此来提高学生的学习兴趣，培养学生的创新意识和实践能力。针对这一问题，我们加大了课程教学改革力度，探索和借鉴了国内外先进工科高等教育理念，结合教学实践，探索出了基于C-CDIO模式的“数字图像处理”课程教学改革道路。

1 C-CDIO模式的内涵

CDIO工程教育模式在近年来得到了国内越来越多高校的重视[4][5]。它是国际工程教育界改革的最新研究成果[6][7]。具体而言，CDIO实现了构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）过程的有机结合，而这种方式则是以工业界中从产品研发到产品运行的生命周期为载体作为背景，让学生突破传统教学被动接收的模式，能够在学校就通过主动性的、实践性的、课程之间有机联系的方式来学习工程。在CDIO的培养大纲中，工科毕业生的能力被评估并被分为工程知识储备、个人素质能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲的核心思想是以综合的培养方式来使学生同时在这四个层面中达到预定的目标[8]。结合我校人才培养目标，我们在“数字图像处理”课程教学中融合了CDIO理念，创新了链式（Chain）CDIO高技能人才培养模式。C-CDIO探索针对特定工科专业课程教学中CDIO模式的应用，去除专业课教学中的“孤岛”效应，以“三链”融合实现了数字图像处理课程以工程为的背景“做中学，学中做”的教学模式的改革，如图1所示。按此模式进行学科和课程教学实验环节的改革，实现了基础知识成系统，实验、项目实践成系统，且二者交融，解决了“教什么”、“怎么教”的问题，人才培养质量显著提高，学生学习的主动性明显增强，突显出了C-CDIO在“数字图像处理”课程教学改革中的先进性和合理性。

2 基于C-CDIO模式的“数字图像处理”课程改革方案体系的构建

2.1以“数字图像处理”课程为中心的集成化课程链设计

CDIO的理论体系中，规范标准三定义了一种“集成化”的“课程体系”。这个规范强调了有机集成、融合成一体的课程体系，而不是传统常见的联系并不紧密的课程集合。以往的“数字图像处理”课程，仅仅是作为自动化专业一门独立的专业课开设，其中涉及诸如“信号与系统”中的频域分析、滤波器设计，“电磁场与电磁波”中的波长特性理论，编程语言“Matlab原理及应用”等多门相关课程，由于各门课程没有统筹安排，以至于当学生学到某些知识点时由于基础薄弱产生畏难心理，而代课教师又无法占用计划课时深入补充背景知识，这样难以同步学生的课堂理解和老师的授课计划，进而影响了学生学习本课程的积极性和主动性，又令老师的授课效果大打折扣。

C-CDIO模式的重要一环是设计了以“数字图像处理”课程为中心的集成化课程链，如图2所示。围绕“数字图像处理”所涉及的内容，我们用课程链的形式将相关课程合理集成在一起。除公修课“线性代数”外，我们将作为理论基础的“电磁场与电磁波”和编程语言“Matlab原理及应用”安排在课程链之前，还特意在“Matlab原理及应用”课程中增添了“Image Processing工具箱”一章作为预备知识。由于频域图像处理部分在“数字图像处理”课程中处于中后部分章节，而该部分内容涉及的“信号与系统”中的频域分析方法数学推理较多，内容抽象，我们将这两门课安排在课程链的同一环节开设，既打通了课程之间的壁垒，又有助于抽象理论知识和具体应用分析的结合，同时提高了两门课的教学效果，从整个学科教育上来说可谓一举两得。除此之外，在整体布局上，作为“数字图像处理”课程的延伸，我们又将此作为随后开设的“机器人学概论”中视觉系统的基础以及本科毕业设计的选题来源，从而将“数字图像处理”课程链贯穿于整个自动化专业本科教学中。

2.2 以工程应用为目标的教学链流程设计

C-CDIO模式的教学链流程设计如图3所示。我们探索并尝试了一种适合“数字图像处理”教学的新颖教学流程模式，除了课堂听讲外，还引导学生通过多层次的实践教学环节来掌握教学内容。可以看出，教学链的设计以工程应用为目标，贯穿了课堂理论教学和实践教学。“数字图像处理”是一门应用性、实践性都很强的课程，要想真正掌握领会课程内容并对其进行创新与应用，学生必须在教师的引导下进行大量的上机实践练习。C-CDIO模式教学链的特色在于强调实验教学的重要性，但与传统实验教学的不同之处在于，它又以工程应用为目标将实验环节根据课程结构分为初级基础算法验证型实验、中级综合设计型实验和以项目为导向的高级工程项目创新型三类。其中，基础算法验证实验在总实验中所占比重最大，以课程教学章节为基本单元，以课堂讲授的图像处理各种算法为蓝本，按教学大纲知识点的要求，划分成若干子任务，按不同的任务模块设计实验，此类实验规模较小，可以在实验课当堂完成；中级综合设计型实验是将“数字图像处理”的教学内容分成以下六个模块后开展的实验教学：基础知识、图像增强、图像还原、彩色图像处理、频域分析和图像压缩，每个模块均精心选择并引入一个实际项目为实验背景，这样将实践和理论教学有机结合起来。如设计一个运动目标检测系统、烟雾检测系统或车牌图像的识别系统等；高级工程项目创新型实验是教师精心挑选的根据在校企合作中遇到的实际技术难题设计的实验题目。这种实验不同于传统的模式，除了进行算法编程外，更重要的是让学生尝试以工程的角度出发去分析问题，以团队合作形式经历从项目的需求分析、规划设计到编程实现、系统测试部署的全过程，这样使学生在实践过程中充分理解学科知识、融会贯通，从而达到掌握综合技能的目的。

总之，在我们的C-CDIO模式教学链中，传统的课堂教学作为第一个理论环节，而后， 结合课程讲授过程中各层次知识点的归纳和整理，又将实验教学向后延伸了三个环节，各个环节实验的层次并不是孤立的， 而是有机结合在一起。不仅如此， 每个环节的实验还遵循了由基础到提高的难度进行设置，每个层次的实验也包含有各个环节的内容。

2.3以分工协作为特色的实验链流程设计

在工科高等教育中，实验教学是实践教学内容体系中基础实践层次的核心。随着经济结构的战略调整和发展，社会各个岗位对自动化专业学生的实践能力、创新能力和综合素质提出了越来越高的要求。C-CDIO模式的教学链中的中级综合设计型实验和高级工程项目创新型实验是要求性较高的综合性实验，在实验教学计划确定后，为了更好地提高实验教学效果，并培养学生的团队合作意识，我们设计了以分工协作为特色的实验链流程，如图4所示。该模式目的在于除了培养学生最基本的数据处理能力和实验动手能力外，还强调了综合分析能力、及团队合作能力。通过着重培养学生独立解决实际问题的分析、创新及组织管理能力，将CDIO模式的应用真正落到实处，最终培养出工科学生的工程意识。在具体实施中教师要起引领和指导作用，仍然以学生为主体，注重调动学生的主动性、创造性。通过对综合性实验的模块化分解，与理论结合突出每个模块的重点实验任务，引导学生针对每个小模块制定具体的实验方案，最后通过集成调试，完成整个系统的综合性测试。

如图4所示，团队组建和分工要充分调动学生的主动性、积极性和创造性，小组课题设计是综合性实验中相对独立的环节，但要实现完整的系统设计功能，前提是各小组须从工程角度出发在模块化的分解和合成方面达成一致。具体过程为： 1）各小组集体商讨完成子课题的可行性方案，并与其他小组讨论模块关联的接口协议和实现细节；2）在完成系统构成及模块化分工协作划分的工作后，各小组独立落实子课题设计方案的实施，关键突出对技术难题的合理分析和算法有针对性地设计思路；3）在各个小组完成独立子课题的设计后，再集中起来实现各模块的联调联测。此环节指导教师参与但仅提出系统的运行指标，促使整合的系统达到设计的要求。例如车牌图像的识别系统实验，按照识别的基本流程将学生分为图像预处理、车牌定位分割和车牌字符识别三个小组。要达到指导老师提出的识别率要求，各小组在完成各自的图像处理算法模块后必须再从工程的角度出发集中起来对整个系统的参数进行统筹调整，这种团队意识和系统意识培养是传统的单人实操实验教学手段所无法取代的。

3 教学改革的组织实施

在组织实施基于C-CDIO模式的数字图像处理课程改革方案时，我们按照“三链”融合的设计方案，对“数字图像处理”课程的一些实践环节也进行了改革和落实，使该课程教学取得了较好的效果，归纳如下：

1）为了更好的实施集成化课程链，机电学院自动化教研室多次组织教师集中学习CDIO工程教育模式，并在反复沟通论证后调整优化了学科人才培养方案，实现了以“数字图像处理”为中心的集成化课程链方案。

2）为配合教学链的改革，调整了“数字图像处理”课程考核评价体系。在之前的课程考核中，我们主要采用了传统的“平时成绩 + 期末考试”的方式，且期末考试在总成绩中占有 70%以上。这种评价方法使得学生将课程学习放在了考试重点上，与CDIO工程教育模式的宗旨不符。在本次教改中，将实验教学环节代替平时成绩的评测，三类实验各占总成绩的20%，期末成绩只占40%。而且在中高级综合实验的实验链改革中，进一步根据学生对模块项目内容的完成情况，以及方案的创新性解决能力，由老师和同学共同参与并对各小组进行评分，小组成员之间也根据实验合作开展情况相互评分，最后各部分得分综合得到各位学生的对应的实验成绩。

3）随着我校“能力提升”工程的启动，广大青年教师开始到企业挂职服务。利用建立起来的良好的校企合作关系，除了从企业中提炼并设计出高级工程项目创新型实验来实施教学链的改革外，我们还聘请国内知名工科院校的教育专家和合作企业的高级工程师来校开设讲座，并多次组织学生到企业参观考察，了解企业和社会需求。这样，除了学校的课堂和实验室教育外，进一步利用多种途径手段拓展了学生的视野，提高了学生对自动化专业前景和当前行业情况的认识，并通过企业工程师的直接指导和讲解，使学生得到实际的工程技术知识和职业技能与素质的训练。

4 结束语

本文结合我校自动化专业实际情况，对基于C-CDIO模式的“数字图像处理”课程的改革内容进行了总结和探讨。该模式是CDIO工程教育模式在“数字图像处理”课程改革中的延伸。在“数字图像处理”课程中实施C-CDIO模式，是传统教育理念的延伸，也是教学方法的更新。在该教学模式应用以来两年多的教学实践中，我们发现学生的学习兴趣、主动性及实践能力得到了极大的激发和提高。该课程改革使学生真正掌握了数字图像技术，凭借坚实的基础、宽广的知识和较高的综合素质，已经有一些学生在机器人大赛、飞思卡尔大赛中的视觉模块设计中成为了技术骨干，并协助团队取得了不错的佳绩。实践证明，我们的基于C-CDIO模式的“数字图像处理”课程的改革，有利于培养工程实践创新能力强、创新意识强和团队协作精神的高层次高水平工程应用人才，适应了自动化专业的发展需要。

参考文献：

[1] 王瑞. 我国自动化专业教育的现状及发展前景分析[J]. 湖北经济学院学报，2011，8（5）：168-169.

[2] 黄荣杰，李根全，宋金璠，等.地方高校电气信息类专业“一线工程师”人才培养模式的探索与实践[J]. 南阳师范学院学报，2012，11（ 12）： 91-94.

[3] 孙玉兰. 数字图像处理技术的应用现状与发展研究[J]. 电脑知识与技术，2014，10（26）： 6228-6230.

[4] 胡文龙. 基于CDIO的工科探究式教学改革研究[J]. 高等工程教育研究，2014（1）： 163-168.

[5] 张国斌，张树军，刘春城，等. 基于CDIO模式的学生实践能力的培养[J]. 实验室科学，2014，17（1）： 126-127.

[6] 陶勇芳，商存慧. CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J]. 中国高教研究，2006（11）：81-83

[7] 顾学雍. 联结理论与实践的CDIO——清华大学创新性工程教育的探索[J]. 高等工程教育研究，2009（1）： 11-23.

[8] 查建中，徐文胜，顾学雍，等. 从能力大纲到集成化课程体系设计的CDIO模式[J]. 高等工程教育研究，2013（2）： 10-23.