以应用为导向的数字图像处理教学模式探索

翟艳丽

（华北水利水电大学 数学与信息科学学院，河南 郑州 450046）

以应用为导向的数字图像处理教学模式探索

翟艳丽

（华北水利水电大学 数学与信息科学学院，河南 郑州 450046）

根据信息与计算科学专业的专业特色和数字图像处理课程的课程特点，针对传统式教学模式的不足，结合自身的教学实践，提出了以应用为导向的课程教学模式，并从教材选取、教学内容、教学过程、实践教学、课程考核、后续跟踪辅导六个方面描述了该课程教学模式。通过实践发现，该模式能够激发学生学习的兴趣，提高学生解决实际问题的综合能力，从而有效地提高教学质量。

教学模式；数字图像处理；应用

0 引言

图像是人类感知和获取外来信息的主要手段，随着技术的日新月异，图像处理技术获得了空前快速的发展，逐步形成一门独立的学科。数字图像处理也成为各高等学校信息类专业必修或选修的一门重要课程。该课程具有理论内容丰富、多学科交叉渗透、发展迅速、实践性强的特点。因此，在教学中如何使学生在掌握基本理论的同时能够很好地解决实际问题是一件比较困难的事情。本文针对信息与计算科学专业的专业特色，结合自身教学实践，提出了以应用为导向的数字图像处理课程教学模式。

1 课程的内容及培养目标

目前国内的数字图像处理教材非常丰富，但基本内容大致相同，理论教学主要围绕以下内容展开：图像的基本知识（包含取样、表示、分辨率、灰度图像、彩色图像、动态图像、图像格式等）、图像增强（包含灰度变换、直方图、空间滤波器、频域滤波器等）、图像复原（包含图像复原模型、噪声模型、估计退化函数、滤波器等）、图像压缩（包含图像压缩模型、信息论基础、有损压缩、无损压缩、压缩标准等）、数字形态学（包含膨胀、腐蚀、开操作、闭操作、应用等）、图像分割（包含边缘检测、基于区域的分割等）[1]。从教学内容很容易可以看出，该课程理论知识比较多，需要用到其他课程的知识点也比较多，要求学生具备比较强的综合能力。

信息与计算科学专业是研究信息与计算技术的理科专业，培养的是既具有较好的数学基础和数学思维能力又能够解决实际问题的高级专门人才[2]。就笔者学校而言，数字图像处理课程是信息与计算科学专业必修的一门专业课程，开设在大三下学期，学习该课程的学生已经修过分析类、代数类、计算机类、信息类、小波类的基础课程，具备学习该课程的基础。开设这门课程的初衷在于借助图像这种人眼可视的方式，激发学生学习的兴趣，提高学生学习的自信心，将填鸭式的被动学习转化为主动学习，增强学生解决实际问题的综合能力，为以后学生的就业增加竞争力。

2 问题分析

目前，各高校都认识到数字图像处理课程理论与应用并重的特点，也都在积极地寻求教学改革，但是教学中也依然存在一些问题，主要有如下几个方面：

（1）教材的问题。市面上可用于该课程的教材非常多，分为如下几类：一类是侧重理论内容的教材。这类课本多数以推导为主，对于实际知识运用讲的很少。如果按照这类教材授课，通常会陷于繁琐的推导证明中，学生看不到模型的实际应用，即使学生足够认真地学习，但因为缺少实际案例的引入，学生也不知道该怎么解决实际问题，更何况繁琐的数学推导会使得很多学生望而却步。另一类是侧重于应用的教材。这类教材往往侧重于案例的简单介绍和演示，如果按照这类教材授课，学生往往只会一些简单的应用，只知其然而不知其所以然。真正能做到理论与应用并重的教材不多，如何在良莠不齐的教材里，选择合适的教材也是值得思考的问题。此外，图像处理技术发展非常快，大多数的教材里并没有最新的研究成果，学生根本无法从教材里获得最新的研究状况[3]。

（2）教学量与学时的问题。该课程在教学设置上一般可以分为基础理论部分、基本处理与分析、高级处理与分析三个层次[4]，教学内容非常多，需要运用的基础知识较多，如果按照教材章节先后次序进行教学，需要很多学时才可以完成教学量。但目前很多高校该课程的学时均不是很多，一般在32学时到64学时之间，就笔者学校而言，该课程的理论学时仅有32学时，这显然与教学量矛盾。在规定的学时之内，如何使学生理解更多的知识也是困扰我们的一个问题。如若依然只依靠传统的教学模式，显然是无法应对这一问题的。因此，对该课程的教学改革势在必行。

3 以应用为导向的课程教学模式

传统教学方式通常侧重于教师的教，侧重于理论知识的讲解，很多学生在学习完数字图像处理课程后，并不知道学习该课程的目的，也不知道如何利用学到的知识解决实际问题，更做不到学以致用。以应用为导向的教学模式最大的特点在于以应用为教学的主线，从应用中来到应用中去，借助应用激发学生的学习兴趣，从而引导学生主动去学习丰富的理论知识。这一教学模式并不是不需要学生学习理论知识，而是将填鸭式的被动理论学习转化为主动的理论学习，将理论与实践充分地结合，不断提高学生学习的主动性。这一教学模式需要教师和学生的共同参与，教师负责根据课程内容进行主题设计、理论和应用教学等，需要更多地注意理论和应用的并重，学生需要根据教师讲述的内容进行具体的实验实践。这样的模式更能很好地促进教师和学生之间的交流，对教师而言，能够更加有效地组织教学，对学生而言，能够通过实践应用不断地完善自我。

3.1 教材选用和教学内容

以应用为导向的教学模式的第一环节是教材的选取。笔者认为，比较适合信息与计算科学专业的教材应该既有经典的理论又有方法和应用，能使学生理论联系实际。目前，Rafael. C.Gonzalez的《数字图像处理（MATLAB 版）》[5]是国内外很多高校必选的经典著作，该书不但包含了几乎全部的经典算法，而且还包括了许多常见的MATLAB命令，能够达到算法原理服务于应用的目的，也能够有效地衔接算法原理和应用实现。因此，笔者在实际教学时，选用取了该书作为教材。

从教学内容上来说，由于课程学时的原因，无法按照章节前后顺序对知识点一一讲解，因此根据信息与计算科学专业的专业特色，我们将以应用领域作为教授知识的主线，将课程细分为六个主题，即图像增强、图像复原、图像压缩、形态学算子、图像分割、对象识别[5]进行讲解。这种教学内容安排，没有严格遵循教材的前后次序，而是在实际授课时，根据主题所需的内容，在不影响课程完整性的同时，重新组织授课内容。比如小波方法可以根据主题将其分别归纳到去噪主题和分割主题中，不再像教材那样单独成章。在进行每个主题算法讲解时，也可以有选择有重点地讲解。比如在图像增强主题中，需要讲述灰度变换。教材[5]中对于灰度变换这一知识点讲述的有多种算法，比如图像反转、对数变换、幂次变换、分段线性变换函数等。但是在实际教学过程中，由于学时的原因，很难将所有方法都讲得很细致。其实，灰度变换实质上就是对灰度图像的像素在保持位置不变的前提下对灰度值组成的矩阵进行各种线性变换和非线性变换。因此，只要将其中一两个方法讲清楚，其他的方法可让学生自行查阅资料进行学习和上机操作，这样就能够在保证教学质量的同时使用较少的学时完成教学。此外，由于数字图像处理技术发展较快，为了弥补教材内容更新较慢的不足，在实际授课中，需要在每个主题中适当地加入一些最新科技成果的介绍，使学生及时捕捉国内外研究热点。

3.2 教学过程

以应用为导向的教学模式从教学过程上来说基本思想是理论与应用的结合，同时，避开大量的理论推导，尽可能地通过引入应用实例程序的方法讲解算法原理。一般来说，首先讲述该主题在实际问题中的应用，然后将能够进行该处理的算法原理及实现方式给学生有侧重性地分别讲述，讲述的过程中应该要保证知识的完整性和避免大量公式的推导，最后，运用MATLAB工具箱[6]演示算法的实验过程。这里以图像复原主题中的图像去噪这一子题为例说明以应用为导向的教学过程。第一步，演示受噪声污染的图像和去噪之后的图像，前后的视觉落差能够比较好地吸引学生的注意力，使得学生有兴趣进一步了解图像去噪的方法和原理。第二步，讲述图像噪声的分类，利用MATLAB演示一下图像加上不同类的噪声会变成什么模样，借助于视觉化的效果，进一步阐明图像噪声的原理。第三步，重点讲述去除噪声常见方法的原理及实现流程。笔者所在学校信息与计算科学专业学生在本课程之前已经学习过数字信号处理和小波分析类的课程，因此，在实际讲解时，重点讲授原理，不进行大量公式的推导也能保证知识的完整度。第四步，利用MATLAB向学生展示不同算法在处理不同噪声时的优点与不足，并引导学生课下自己编写MATLAB程序实现这些算法。从这一教学过程中可以看出来，图像去噪这部分内容的讲解没有很多晦涩难懂的理论，仅借助于MATLAB软件演示，通过视觉效果激发学生的学习兴趣，提高学生学习的主动性和学好该课程的自信心。

3.3 实践教学

学习数字图像处理课程的最终目的在于应用，因此，为了让学生学到的知识更好地应用于解决实际问题，实践上机时要求不要利用MATLAB工具箱实现算法，要求学生必须自己设计算法编程实现，可以使用MATLAB编程，鼓励利用C++编程。在笔者实际教学的过程中，通常鼓励学生利用C++语言编写位图的读图程序，编写程序的过程能够使得学生更加理解位图的结构，这是使用MATLAB语言里“imread”函数达不到的效果。

实践教学的关键一环在于如何有效地设计实验项目。实验项目必须以应用为目的，围绕理论教学内容开展。笔者在实践教学过程中，通常根据课程的内容层次，设计实践项目，项目任务分解具体如图1所示。

图1 实践项目任务

在实践教学上机时，将学生分成若干组，每组大概3—6人，每组学生首先选择一组图像，图像可以是医学图像、指纹图像、人脸图像、车牌图像等，然后学生根据学过的理论知识，按照实践项目任务，从增强到识别逐一编程实现，并撰写实验报告。由于实践学时比较少，小组内部必须有明确的分工，每个同学各司其职，协同合作，才能完成该实践项目。这样有效避免了一些学生在实践上机课上浑水摸鱼的情况，最大限度地调动了学生动手操作的积极性。

3.4 课程考核

课程考核的方式主要有：考勤、作业、实验报告、试卷等。该课程具有很强的应用性，考核的重点应该是学生利用理论知识解决实际应用问题的能力，因此笔者在实际教学中将考核分为三个部分：一部分是理论知识的掌握程度，笔者所在学校该课程为考查课，因此，实际考核中，主要以出勤、课堂提问、随堂作业等为主，该部分占总成绩的30%；第二部分是利用算法原理解决应用问题的效果，主要参看学生在实践环节对实践项目的完成度，并结合实验报告的书写情况、项目分析情况等给分，该部分占60%；第三部分是学生课外利用C++编程实现图像处理的程度，该部分占10%。这种全过程式的课程考核形式能够全面评价学生学习状况，实现师生之间的良性互动，从而真正提高教学质量。

3.5 后续跟踪辅导

近年来，国家在不断提倡提高学生的创新能力，作为信息与计算科学这一理学类的专业，能够让学生有机会创新的课程不多，但是数字图像处理自身强大的实用性留给学生足够大的创新空间。因此，笔者通常在课程结束后，对愿意进一步学习、研究的学生进行再辅导，组织、指导他们申报校级创新项目。校级创新项目的申报、实施、结项激发了学生创新的灵感，使学生的综合能力得到了进一步的提高，也使学生初步了解了科学研究，为以后进一步深造奠定了坚实的基础。目前，笔者指导的校级创新项目均顺利结项，学生在学习、研究的过程中也产生了一些创新成果。

4 结束语

在当前提倡培养学生实践和创新能力的大背景下，作为高校教师，必须要改革该课程的教学模式。教学改革本身是一项艰巨的任务，需要教师了解本专业的专业特色、培养目标，了解课程的工程应用，具备扎实的理论基础，同时要改革教学方式，只有这样，才能激发学生的创新意识，才能培养出具有市场竞争力的人才。

（责任编辑 杨文忠）

[1] 张弘.数字图像处理与分析[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2] 教育部数学与统计学教学指导委员会.信息与计算科学专业教学规范[J].大学数学,2003(1):6-8.

[3] 吴冬梅.融入研究性教学模式的数学图像处理课程教学改革[J].武汉大学学报(理学版),2011(S2):160-162.

[4] 朱虹.数字图像处理基础与应用[M].北京:清华大学出版社,2012.

[5] Rafael C. Gonzalez, Richard E. Wood.数字图像处理（MATLAB版）第二版[M].北京:电子工业出版社,2009.

[6] 张志涌,杨祖樱.MATLAB教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

Study on the Teaching M ode of Digital Image Processing Oriented by App lications

ZHAI Yan-li
(School of Mathematics and Information Science, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

According to professional characteristics of the major called information and computing science, characteristics of the digital image processing course and the shortcom ing of the traditional teaching mode, this paper proposes an application-oriented teaching mode that comes from our own teaching practice. In the paper, we describe the teaching mode from six aspects: teaching materials, teaching content, teaching process, practice teaching, curriculum evaluation and follow-up counseling. The practice shows that the mode can stimulate students' interest in learning, improve students' comprehensive ability to solve practical problems, and effectively improve the quality of teaching.

teaching mode; digital image processing; applications

G642

A

1008–2093(2017)02–0075–04

2016-12-29

华北水利水电大学教育教学研究与改革项目“信息与计算科学专业数字图像处理课程教学改革研究”

翟艳丽（1982―），女，河南遂平人，讲师，博士，主要从事数字图像处理研究。