理论、实验、实践相融合的工程技术类课程教学方法研究

王鹏++谢祥云++谢利红

【摘要】本文主要分析了目前工程技术类课程的特点及教学过程中的一些常见误区，针对这些教学误区，提出了理论、实验及工程实践相结合的教学方法，从而达到提高学生的实践能力和创新能力的目的.本文以“数字图像处理”课程为例对教学方法及教学模式进行分析和论述，本文的改革模式对推动目前的工程技术类课程的教学改革有一定的借鉴意义.

【关键词】工程技术课程教学；理论教学；实践教学；教学改革；数字图像处理

【课题来源】广东省教学改革工程（30527003）；广东省研究生创新教育项目（2015SFKC40）；五邑大学教学改革工程项目；五邑大学2016年校级研究生教育创新教育类项目（YJS-SFKC-16-01）资助.

随着高等教育教学改革的深入，目前很多高校都增加了工程技术类课程相关课程的设置，以期能够提升学生的工程技术能力.在整个社会的信息化的大背景下，“数字图像处理”（DIP）是很多高校很多专业都开设的一门课程.该课程是汇聚数学、计算机科学及信息科学等众多学科的理论和技术的综合性交叉学科，是模式识别、计算机视觉等学科的基础，已经成为高等院校信息与计算科学、计算机科学与技术、通信工程及自动控制等学科本科生、研究生的一门重要专业课.该课程具有很强的实践性，因此，对该课程进行实践教学改革以培养学生的创新能力具有非常重要的意义.我们在课程教学中不仅设置课程实验环节，还引入科研实践环节，以构建多层次、多模式的实践教学体系，以提高课程的工程实践性，从而为学生从以理论教学为主的学校走向以工程实践为主的社会搭建一座桥梁.

近年来，人们越来越深刻地意识到以理论教学为重点的教学方式应用在工程技术类课程中有很大的弊端，从而，探索适合工程技术类课程的教学方法改革越来越多地受到教师和高校的重视[1-5].另一方面，在教育部减轻学生负担的要求下，大多数高校对该课程压缩了课时量，而教学内容并未减少，甚至随着相关新技术的出现而有所增加.因此，如何以培养计划为导向，在培养计划下进行实践教学改革是目前亟须解决的问题.

一、目前工程技术类课程教学的弊端分析

工程技术类课程在大学本科教学中占据很大比重，地位举足轻重，众多的教师和学者也对该课程的教学教法进行了很多的探索和改革[2，5].然而，工程技术类课程的特点非常明显：一方面，该类一般会涉及较广泛的数学基础知识；另一方面，工程技术类课程一般拥有广泛的应用背景及实际工程项目.以DIP课程为例，一方面，它涉及矩阵分析、最优化算法、积分变换、随机过程等诸多数学基础课；另一方面，该课程拥有非常广泛的工程应用，比如，条形码识别、车牌照识别、数字水印甚至缺陷检测等等.因此，工程技术类课程的教学中要注重理论知识与生产、生活实际的结合[4].基于以上这些特点，这类课程要求教师在讲授基本理论和基本方法的同时，还要向学生展示实际应用中的一些例子，以达到理论与实际相结合的目的.然而，由于这些内容含有大量的算法、推导和证明，再加上目前多数高校课程教学方法和教学手段单一、实验条件有限，使得本应唤起学生无限兴趣的课程变得索然无味，甚至被部分学生抵触.

工程技术类课程一般都是理论与实践结合极其紧密的课程，在教学中，既要求学生能很好地掌握本门课程的基本理论、基本概念、基本原理和算法，同时，又要求学生能很好地实现理论知识所对应的算法，并能在此基础上根据问题需求选择恰当的解决实际问题的技术和方法，这也是该类课程的主要目标之一.以DIP教学为例，实验课在教学中占有非常重要的地位[2，4]，是培养和提高学生应用能力的重要环节，也有助于在解决实际问题的过程中培养学生的创新意识和创新思维以及今后的适应社会能力.

目前大多数高校的实践和实验教学仍然处于旧课程體系的思路之中，严重束缚了学生的思维素质和创新能力的培养，制约了工程技术类课程本应达到的教学效果.例如，大多数的DIP实验课采用理论课与实践课相分离的方式：先上一次或几次理论课，隔几天以后再上实验课，实验课程内容一般是要求学生编程实现教材中的某一算法.这种教学方式导致各个算法之间的教学缺乏相互联系，使理论教学与实践教学脱钩，不能充分发挥以理论教学指导实践教学，以实践教学印证、加深理论教学的教学目标，从而脱离了原本设置实践教学的目的.这种教学方式直接导致学生的学习积极性和学习兴趣得不到充分发掘，综合应用能力和解决实际问题的能力得不到很好的培养，违背了对学生进行素质教育的基本要求.针对以上问题，基于对课程特点、学生培养目标以及当前实验课教学方式的分析，我们采用以学生为中心、理论与实践相结合，理论教学渗透和体现实践教学、实践教学加深理论理解促进理论学习，将实践教学和理论教学融为一体，相互渗透、相互促进、相互影响.

二、工程技术类课程的特点分析

经过多年的教学实践和精心探索，我们基本摸清了工程技术类课程的特点，主要体现在以下几方面：

（一）该类课程一般是理论与实践、原理和应用紧密结合.以DIP课程为例，其知识点多、理论性强，如，Fourior变换、小波变换等内容，数学表达式比较复杂，理论推导很多.而传统的教学模式是以理论讲解为主，导致学生在一些繁杂的数学推导面前望而却步，造成学生在学习时普遍感到过于抽象，很难看到这些理论所产生的实际应用效果，导致学生逐渐丧失学习兴趣.面对这种状况，如果教师不采取措施加以引导并逐步改善教学方法，势必影响教学效果.

（二）大多数工程技术类课程内容极其丰富，知识容量极大.比如，在DIP课程中，根据数字图像处理的工程应用需求，我们在教学大纲中规定学生主要掌握以下内容：图像的直方图处理、图像的时域和变换域处理方法、图像增强、图像复原、图像压缩和编码、图像的形态学处理、图像分割、图像的表示与描述等，而每一个主题又包括很多不同的内容.相对于该课程丰富的内容，根据教育部减轻学生负担的要求，学校分配给该课程的课时量却很有限，这就要求我们要对传统的教学方式和教学手段进行改革，达到在较少的课时内完成丰富的教学内容并达到较好的教学效果的目标.

（三）工程技术类课程具有非常直观明白的生活实例.比如，DIP课程学习和研究的对象是图像，具有明显和直观的特点.因此，该课程非常贴近人们的生活，而且，有大量直观的例子，比如，讲授图像复原的时候，我们可以方便用自己的手机或相机得到一幅退化的照片，然后，运用相应的图像算法，得到复原后的高质量图像.尽管整个过程需要非常复杂的理论算法，但学生能看到该方法的活生生的例子，从而明白其理论背后的实践价值，激发学生的学习兴趣.但是，目前的图像处理教学方式，由于课时量和教学手段的限制，无法达到上述的效果.这就需要我们探索更适合该课程特点的教学方法和教学手段.

（四）该类课程有大量的有明确应用背景实例的实验.该类课程的实用性和实践性决定了它们具有大量的实验，目前，各院校一般都是理论教学与实验教学相结合[3]，学生通过实验，加深对理论知识的理解.但是，目前的教学方式，实验课和理论课一般都是分开上的，这样就使理论和实验脱节，在讲授理论课的时候，无法看到这种理论有什么用途，相应的算法能产生什么样的效果，而实验课通常和理论课程中间有一段时间，这就导致在上实验课的时候学生对有些相应的理论已经有些生疏，从而，学生很难深入理解课程实验所依据的技术原理，无法建立理论和实验之间的相互促進关系.这种脱节导致了教师在课堂上讲授知识点时，学生在繁杂的数学推导面前望而却步，而教师讲实验课程时候，学生又因不熟悉实验所依据的理论和算法而无法实现相关实验.因此，如果想达到很好的教学效果，我们必须在理论课和实验课之间建立一个沟通的平台，该平台可以方便地在教授理论课的同时直观演示实验的效果.

三、“数字图像处理”课程教学改革方案

针对上述课程特点的分析，在DIP实践课程的教学中，我们主要集中培养学生的实践能力、创新能力以及运用所学知识解决实际问题的能力.在教学中贯彻以学生为中心的教学原则，开发自主的教学平台，并通过该平台建立理论课与实验课之间的连接，在此基础上采用项目驱动、课外学习兴趣小组等模式激发学生学习积极性.我们对课程进行了以下方面的改革：

（一）革新教学手段，开发针对该课程并符合本校教学大纲的可视化、开放性、交互式的教学演示平台.在DIP教学中，各高校通常采用Matlab作为实验环境，并在理论课中演示该软件环境下的实验效果，从而让学生更好地理解理论所对应的算法的效果和特性.目前，绝大多数高校所采用的多媒体教学手段仍然是以PPT为主，用Matlab进行实验演示，教师就不得不在PPT软件和Matlab软件之间进行频繁的转换.这样，频繁地在两个软件之间切换，不仅使得课堂效率大打折扣，而且教学的间断使得学生的接受知识的过程也发生中断，直接导致学生很难深入理解数字图像处理的技术原理.另一方面，这种传统的演示方法，使得演示的图像窗口在演示桌面上非常纷乱，不同实验结果的可对比性比较差.基于上述分析，我们自主开发了一个针对课程教学的可视化、系统化的“数字图像处理教学”平台，为学生提供一个课程算法演示及模拟开发的平台，从而搭建起理论课和实验课之间的桥梁.

（二）改革教学方法，探索“理论指导实验、实验验证理论、实验理论教学同时进行、理论课渗透实验、实验课重温理论”的教学方式.目前，国内大多数院校的实验课程大致分为课内实验和单独实验，课内实验随课堂进行，这种方式，学生很难参与进来，基本以教师演示、学生观看的方式为主，这种授课方式，学生的参与度极低，教师演示以后学生印象非常肤浅，这种实验课程和纯理论教学几乎没有区别.另一种单独实验，这种实验以学生实验为主，教师负责指导，然而，由于排课是一个非常复杂的事情，因此，实验课和理论课很难排在一起.这就导致了理论课和实验课相互分离，理论课的时候看不到该理论的实验效果，实验课的时候已经淡忘了相应的理论算法，从而使教学效果大打折扣.传统的以PPT与Matlab分离演示的教学方法的另一个缺点是，教师在演示的时候，算法的代码是公开的，这样，学生很容易效仿甚至拷贝，从而无法激发学生自身探索算法和知识的热情.在该教学平台完成以后，由于该教学平台是一个集成的专用教学软件，这样，在讲解相关理论的时候，只需要简单的鼠标按键就可以非常方便直观地演示该理论相应算法的效果，使理论课程随时可以看到相应的图像处理效果，增强学生们的直观认识的同时，也可以调动学生的学习兴趣，达到“理论指导实验、实验验证理论”的教学效果.

（三）建立“理论教学、实验教学、科技活动小组、企业项目驱动”相结合的全方位立体式授课体系.目前，大多数院校的数字图像处理课程均以理论教学和实验教学为主，这种教学方式，很难体现数字图像处理课程广泛的实用背景，有悖于国家教育部提出的“卓越工程师培养计划”.同时，由于该课程与人们生活中的诸多问题紧密相连，如，车牌照识别、条形码识别、人脸识别、视频监控等等.如果课程的教学方法得当，会有很多学生对该课程感兴趣，然而，由于课时量的限制，课堂的教学并不能满足这类学生的学习需求.针对这一问题，我们在常规的理论教学和实验教学的基础上，成立了数字图像处理科技活动小组，该科技活动小组主要进行以下两方面的工作：

（1）通过本学院和力德科技有限公司联合建立的科技活动小组实验室，完成公司与图像处理相关的工程项目，以项目巩固教学成果，用项目激发学生学习兴趣和运用知识的能力.

（2）通过不定期的讨论班，由教师向兴趣小组讲解学科的发展前沿.图像处理是目前的一个快速发展的学科，新的问题、模型、理论、算法几乎每天都在出现，因此，很有必要让学生掌握学科的发展动态，把握新出现的研究方向.

四、改革课程的考核方式

传统的课程考核方式以笔试为主，笔试考核方式可以较好地检验学生对理论知识的掌握情况.然而，工程技术类课程的特点决定了考核重点应该放在学生运用课程知识解决实际问题的能力上，因此，我们采用多种考核形式相结合的灵活考核方式.具体考核方法为将工程项目的完成情况、外文文献的阅读情况、撰写的读书报告以及课程小论文等多种考核方式相结合，对不同知识层次和不同学习需求的学生采用不同的考核方式，让学生从考试中解放出来，从而可以结合自身兴趣选择适合自己情况的考核方法，不再为考试而担心.这种灵活的考核方式可以培养学生的多元化兴趣.

五、结 论

本文以“数字图像处理”为例，对工程技术类课程的常见教学弊端及课程特点做了深入分析，并针对作者所在院校的实际情况，给出了解决课程教学中常见问题的一些解决方案.

【参考文献】

[1]陈朔鹰，李志强，李仲君.软件工程实践类课程体系的建设和探索[J].北京理工大学学报（社会科学版），2007（s1）：87-90.

[2]张学洪.创建实践教学平台提升学生创新能力[J].中国高等教育，2012（6）：25-27.

[3]魏晗，陈刚，等.《数字图像处理》的教学改革与实践[J].中国信息技术教育，2014（8）：12-13.

[4]张刚，盛连喜，崔丹，等.本科生实践类课程教学评价改进研究[J].实验技术与管理，2013（1）：180-183.

[5]刘婷，王应密，吴嘉欣.研究型大学全日制工程硕士实践课程开发探析[J].高等工程教育研究，2016（1）：154-157.