基于工程实践能力培养的“图像处理技术在纺织中的应用”课程建设与改革

翁 鸣， 陈慰来，王金凤

(浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)， 浙江 杭州 310018)

数字图像处理技术是采用计算机程序和算法对数字图像进行计算处理，以获得改善图像、目标特征值或实现目标自动识别的技术[1]。在纺织工业中，图像处理技术是先进自动化纺织加工机械和检测设备中的关键技术，已被广泛应用于纺织品设计、加工、检测和评价等领域[2-3]。随着信息技术的发展及其与制造业的深度融合，纺织生产链向自动化、数字化和智能化方向迅速发展，图像处理技术具有巨大的发展潜力和应用前景[4-5]。因此，为纺织工程专业本科生开设“图像处理技术在纺织中的应用”课程顺应纺织行业的发展趋势，符合社会对现代纺织专业人才培养的需求。根据我校(浙江理工大学)纺织工程专业本科生人才培养方案，“图像处理技术在纺织中的应用”设置为专业选修课，32学时，在第7学期开设，此时学生已掌握了纺织专业基础知识，具备课程所要求的纺织技术背景。由于图像处理技术内容多、范围广，纺织工程专业本科生的计算机编程能力和计算机应用能力较弱，要使学生在有限的时间内完成图像处理技术的学习并应用于解决实际工程问题，教学难度较大。为此，我们遵循工程教育专业认证的教学理念，从课程体系、教学方法、考核方式等方面对该课程进行改革和实践，取得了良好的教学效果。

一、 课程体系建设

1. 课程教学目标

根据我校纺织工程专业人才培养方案和课程所支撑的毕业要求指标点，将“图像处理技术在纺织中的应用”课程教学目标设定为：

(1) 使学生通过该课程的学习，掌握常用计算机图像处理技术的基本原理及MATLAB函数，了解图像处理技术在纺织品设计、加工、检测和评价中的应用以及在纺织工业自动化和数字化中的作用。

(2) 使学生熟练掌握MATLAB软件的操作和编程，能够采用MATLAB编程实现常用的数字图像处理技术，能够综合运用图像处理技术、计算机编程技术和纺织专业知识解决纺织工程中的实际问题。

(3) 使学生具备发现问题、分析问题和解决问题以及自主学习、沟通交流和创新能力。

2. 教学内容

根据课程目标，将“图像处理技术在纺织中的应用”课程的教学内容设置为循序渐进的三个知识单元：

(1) 知识单元1——MATLAB编程基础。主要介绍MATLAB软件及其基本语法和编程方法，包括MATLAB软件的安装、构成与操作，MATLAB的帮助系统，数据类型，运算符与操作符，常量与变量，字符串，函数与表达式，数组与数组运算(数组的生成、元素调用、矩阵和矩阵元素的算术运算等)和程序结构(如条件、循环语句等)等。

(2) 知识单元2——图像处理技术及其MATLAB实现方法。主要介绍常用图像处理技术的原理、对应的MATLAB函数及其应用方法，包括图像输入输出、图像类型转换、图像去噪、图像增强、边缘检测、图像分割、数学形态学、特征提取和模式识别等。

(3) 知识单元3——图像处理技术在纺织中的应用。主要介绍图像处理技术在纺织品设计、加工和检测等领域的应用，包括图像处理技术在纤维、纱线、机织物、针织物、非织造布等纺织品及其纺织制品的形态表征、质量检测和质量评价以及纺织品设计中的应用。

3. 课程教材

“图像处理技术在纺织中的应用”课程内容涉及图像处理技术和纺织技术两个领域，目前尚无现成教材。根据课程目标和课程内容，选择基础教材和应用教材构成该课程的教材。

(1) 基础教材是学生学习知识单元1和2的教材。对知识单元1，选用介绍MATLAB软件编程基础的课本，选取与教学内容相应的章节作为课程教材。对知识单元2，选用介绍应用MATLAB软件实现数字图像处理技术的课本，这些课本包含MATLAB软件自带图像处理函数或扩展算法详细介绍和应用实例，选取与教学内容相应的章节作为课程教材，适用于课堂教学和学生上机练习参考；课本的其余章节用于学生完成专题报告和课余拓展自学。

(2) 应用教材是学生学习知识单元3的教材，主要是图像处理技术在纺织中应用的研究文献、专利技术和国内外著名企业的技术资料。一方面作为学生学习和了解图像处理技术在纺织中的实际应用的教材，另一方面作为学生完成专题报告的参考资料。应用教材的素材取自国内外书籍、电子文献、互联网资源和企业技术资料，同时及时补充最新成果和前沿技术，从而更新和完善教材内容。

4. 教学软件

作为计算机应用类课程，选择适合的教学软件是保证课程教学有效开展并获得良好教学效果的前提。图像处理技术可以采用C/C++、Visual Basic或MATLAB等软件通过编程实现[6]，也可以采用集成软件(如Photoshop)通过软件操作实现[7]。综合考虑授课对象的计算机应用水平、课程内容、课时数和计算机软件的特点等因素，该课程选择美国MathWorks公司开发的MATLAB软件作为教学软件，主要原因有：(1)MATLAB软件具有强大的数组处理功能(数字图像处理的本质是数组运算)且编程语言简单直观，学生可以在短时间内掌握与课程内容相关的编程技术；(2)软件包含专门的图像处理工具箱，通过调用其中丰富的图像处理函数可以实现各种图像处理技术；(3)软件包含统计、图形、神经网络等工具箱，通过调用其中的函数可以实现图像处理中间数据或最终数据的处理、分析和可视化。

二、 教学方法改革

为了有效地传授教学内容和实现教学目标，“图像处理技术在纺织中的应用”课程采用理论与实践相结合的教学模式，分解课程目标，设立课堂讲授、上机实践和应用项目三级递进的教学环节。课程共32学时，其中课堂讲授环节18学时，上机实践环节分4次共8学时，这两个环节穿插进行，应用项目环节6学时，安排在课程最后。

1. 课堂讲授环节教学方法

课堂讲授环节采用实例教学法。对知识单元1和2，每个具体内容都附有编程实例，通过随堂演示，生动、具体地进行讲解，使学生快速掌握授课内容。通过阶段性提问，变换关键技术实例，让学生思考并给出结果，使学生在回忆、联想和反复思考中理解授课内容。鼓励学生随时提问，教师采用讲解和实例对比分析等方法进行解答，确保学生深入理解授课内容。对知识单元3，每个具体内容都附有图像处理技术路线实例，尽可能提供相关专利技术或纺织设备实例，通过讲解图像处理技术的组合方式和每种技术的作用，以及不同技术路线的对比分析，使学生了解在实际工程问题中图像处理技术路线的设计思路、处理效果和应用范围，以及在先进纺织设备中的实际应用。实践表明，实例教学法将抽象的理论以具体的形式呈现，容易带动学生跟随授课节奏进行思考和学习，显著提高了教学效率。

2. 上机实践环节教学方法

上机实践环节采用交互启发式教学。以学生为主体，完成教师规定的上机作业，教师起指导和引导作用。上机实践环节和课堂讲授环节穿插进行，确保学生循序渐进地积累知识。考虑到学生计算机基础能力的差异，将作业分为必做题和选做题，避免基础差的学生产生畏惧和抵触心理。本环节中教师的指导和引导作用是决定实施效果的关键。具体做法是：鼓励学生与教师交流，了解每名学生的实际水平，并以此为出发点开展工作。教师鼓励和引导学生自己查找和解决程序运行中出现的问题；引导学生通过对比分析来理解不同图像处理技术的功能、图像处理效果的影响因素、简单技术组合的处理效果；对于个别学生的问题，请已经完成作业的学生进行解答；对于共性问题，或者看到有见地的想法，随时让学生为全班同学演示讲解并解答其他同学的提问；引导基础好的学生在完成作业的基础上拓展学习教材上的相关技术。实践表明，师生之间、生生之间的交流互动使课堂讨论氛围浓郁，学生融入其中，积极参与，成为学习的主体，显著提高了学生学习的主观能动性。

3. 应用项目环节教学方法

应用项目环节由学生自愿分组、自主选题完成，教师起辅助指导作用。课程项目选题为综合应用图像处理技术解决纺织领域中的某一实际问题(如纺织品的结构表征或性能检测等)。学生利用学校图书馆的电子数据库和网络资源查阅大量文献资料，然后确定题目。小组成员共同商议提出预设目标(如得到某些特征指标或得出等级评定结果等)和图像处理技术路线，与教师讨论调整后开始实施。在图像处理技术路线的实施过程中，学生综合运用课堂所学的技术和文献中提出的新技术，尝试不同的组合方式直至得到理想的图像处理结果，继而参考文献中的方法提取特征值并对数据进行深入分析。最后，小组成员分工合作，按照科技论文的要求撰写专题报告，并派代表进行口头汇报。本环节中教师需实时监控各小组的进展情况，根据组员的能力对技术路线和项目目标提出调整意见，确保项目在规定时间内以最优的质量完成。同时要求学生自主完成编程，教师提供思路或建议。实践表明，学生对综合应用项目表现出浓厚的兴趣，项目选题广泛，包括纤维纵横向形态表征和测量，前者如直径测量、羊毛鳞片结构表征、羊毛和羊绒鉴别等，后者如棉纤维成熟度和化纤异性度测量，纱线直径和变异系数、毛羽数和毛羽长度、捻度、混纺比等纱线性能测量，机织物和针织物的密度测量、组织识别，非织造布的孔隙率测量，各种织物的疵点检测、起毛起球性能评价、悬垂性评价等。在应用项目的完成过程中，学生综合运用纺织和图像处理知识，拓展学习图像处理技术和数据处理算法，自主分析和解决所遇到的问题，主观能动性和创造性得到充分发挥；小组成员分工合作，团队合作默契，沟通交流顺畅；通过运用图像处理技术解决纺织工程领域的实际问题，学生的工程实践能力和创新能力得到训练和提升。

三、 考核方式改革

传统的计算机应用类课程采用平时成绩(30%)和期末上机/闭卷考试成绩(70%)的成绩评定方式。这种评价方式中平时成绩占比少，课程成绩不能充分反映学生在整个课程学习阶段的表现；期末考试存在局限性，在有限的时间内只能考查学生的知识掌握程度、软件使用和编程熟练程度，学生采用死记硬背、考前突击的方法也能取得良好的成绩，因而考试成绩不能真实地反映学生的学习效果和综合能力。

改革课程考核方式，采用多种形式相结合的过程化考核方式[8]。平时成绩占课程成绩的40%，由出勤率(5%)、课堂表现(10%)和平时作业(25%)三部分组成；考核成绩占课程成绩的60%，由以“采用图像处理技术解决纺织工程中某个实际问题”为内容的书面报告(40%)和口头汇报(20%)两部分组成。对每种考核方式制定详细的评分标准，突出对学生能力的评价。改革后的课程评价体系全方位地监控学生在课程学习过程各时间节点的学习效果，凸显了学生在学习中的主体地位，有效地引导学生树立正确的学习观念，形成良好的学习习惯，激励学生在学习中充分发挥主观能动性；课程教学过程中的评价结果为教师提供了教学效果的实时数据，使教师能够及时调整授课方式和进度，最大限度地实现课程目标；课程的最终评价结果可作为下一轮教学整体调整和完善的依据，以推动课程的持续改进。

四、 结语

针对“图像处理技术在纺织中的应用”课程的特点和授课对象的实际计算机应用水平，设立以图像处理技术及其在纺织品设计、加工、检测和评价中的应用为主体的教学内容，建立相应的教材体系；构建理论和实践相结合的教学模式，设立课堂讲授、上机实践和应用项目三级递进的教学环节，采用实例教学和交互启发式教学方法；建立多样化和过程化的课程评价方式。课程教学改革成效显著，活跃了课堂气氛，激发了学生的学习兴趣和主动性，提高了学生的工程实践能力、创新能力和综合能力。在今后的教学中，将不断完善教学资源和教学手段，加强理论与工程应用的联系，不断提高教学水平。