基于在线开放课程的混合式实践教学研究与实施

摘 要：数字图像处理是一门以人工智能、信息技术和云计算为依托的新工科专业的重要基础课程。为解决传统课堂实验教学模式存在的问题，基于自组织学习理念开展以混合式为载体的线上线下混合式实践教学模式改革，以数字图像处理课程为研究对象，设计并实施在线开放课程混合式实践教学体系，实现课前自组织预习、课中交互式学习和课后多元立体评价的实践教学模式。该模式能够调动学生学习的积极性和主动性，培养学生创新能力和实践能力。

关键词：数字图像处理；自组织学习；混合式实践教学；多元评价；能力培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）31-0111-05

Abstract： Digital Image Processing is an important basic course supported by artificial intelligence， information technology， and cloud computing for new engineering majors. In order to solve the problems existing in the traditional classroom experiment teaching mode， a blended online and offline practice teaching mode reform based on the concept of self-organized learning and using blended learning as the carrier is carried out. Taking the course Digital Image Processing as the research object， the online and open course hybrid practical teaching system was designed and implemented， realizing a practical teaching mode of self-organized preview before class， interactive learning in class， and multiple three-dimensional evaluation after class. This model can mobilize students' enthusiasm and initiative in learning， and cultivate their innovative and practical abilities.

Keywords： Digital Image Processing; self-organized learning; hybrid practical teaching; multiple evaluations; ability development

数字图像处理是当今信息科学中发展最快的热点研究方向，涉及光学、电子和计算机科学等多个学科内容。计算机类课程相关性比较强，在学习了程序设计、算法分析与设计和高等数学等课程后，非常需要一门综合所学理论提高实践技能和创新能力的课程。数字图像处理在网络空间安全学院面向计算机科学技术、软件工程本科和硕士研究生开设，该课程系统学习图像处理理论和技术，因其具有理论多且复杂，实践难度大和应用广泛的特点， 不但在计算机类等专业教学中具有承前启后的作用，也是进一步进行相关研究的必修课程。

基于在线开放课程的混合式教学充分发挥教与学两方面的优势，变被动学习为主动学习。教师从完全主导转为部分主导，协助学生发现和分析问题；学生从被动参与转为部分主导，在课前选择看视频、阅读资料、网络讨论等适合自己的方式完成外化学习，在课堂上通过交流协作等方式完成知识的吸收与掌握，该方式能够激发学生学习动力并专注发现问题的解决[1]。因此，通过混合式教学改革数字图像处理课程教学兼具理论和应用价值。

一 数字图像处理传统教学中存在的问题

（一） 课程定位模糊，课时分配失衡

一是过分强调理论学习，由于该课程涉及学科较多，知识结构复杂且理论性强，教学中不但要讲解基本理论和介绍国内外最新研究成果，还要进行大量演示，因此大部分课时用于传授理论、弱化实验，从而导致学生实践能力偏弱。二是过分强调应用技能的传授，把课程内容的讲解和学习完全等同于Photoshop，课程全部采用实验课单纯传授软件使用，尽管学生的动手能力有提高，但完全忽略了课程相关学科理论知识及创新意识和实践能力的培养。

（二） 基础知识薄弱，课程难度较大

数字图像处理课程需要线性代数、信号处理等先导课程，但是，由于课程设置和知识体系原因造成学生相关基础知识薄弱。选择以理论为主的教材进行教学时，学生在有限的时间内通常由于对抽象理论感到难以理解而逐渐失去学习兴趣；而选择侧重动手能力和编程的教材教学时，由于太注重程序编写和简单实践而最终导致学生失去学习主动性。

（三） 理论推导过多，实验缺乏创新

先导课程中的数学知识内容和理论公式推导比较多，公式推导需要花费较多课时的同时也会让学生失去积极性和主动性。同时，实践教学中实验设置较为固定，内容相同且验证性实验偏多，学生通常按部就班输入和调试程序，忽略了对程序功能和整体结构的理解，限制了学生综合技能培养和创造性的发挥。

二 数字图像处理在线开放课程建设

数字图像处理课程培养具有系统、扎实图像处理理论基础，在图像传递、处理及应用等方面具有较深专业知识、较强应用能力和实践动手能力，具有良好编程素质和创新精神的高级人才[2-3]。因此，笔者以数字图像处理课程实践教学为探索对象，构建了基于在线开放课程的混合式教学模式，对于促进计算机类专业课堂改革有积极的意义。该课程于2019年9月入选郑州大学第一批混合式开放课程建设名单，2020年10月正式在“爱课程”以及郑州大学厚山讲坛发布应用，截至2024年1月校内线上和线下选课人数累计1 000余人，2021年11月被选为河南省研究生精品在线课程建设项目。

图1为在线开放混合式课程研发、实施和评价总体框架。为了提高学生学习兴趣和积极性，实现学生知识储备和能力锻炼两个培养目标，在课程研发阶段，课程团队精心梳理课程知识点，针对重点和难点知识设计和录制了讲解视频，设计和制作了教学大纲，课件、习题、作业、章节测试、期终考试、课程讨论和实验实践等学习资源，并推荐相关参考网站和经典阅读资料供参考。同时梳理了对应的一般验证性实验并录制了实验演示的视频放到平台供学生预习，除此之外还在平台上推荐了阅读资料以及具有前沿研究论文的网址。

课程实施阶段学生课外通过观看视频、在线练习和在线互动进行在线预习，课下则通过完成课后作业复习。翻转课堂阶段教师针对课程重难点知识和理论配合实验演示进行介绍，通过修改实验参数和某些关键点增强学生对知识的理解，紧接着针对课程学习过程中的共性问题进行讲解，然后针对个别同学问题进行答疑和展开讨论，并对线上练习和课后作业进行讲解和协作交流，增强同学们对重难点知识的理解，最后教师针对本次课程内容进行总结，加深对课程整体了解和学习。上述过程不但能够保证知识学习的全面性，也能突出重点。

课程评价包括学习评价和教学评价，学习评价针对学生学习情况综合评估，需要过程性考核和终结性考核相结合，形式上包括线上考评和线下考评，其中线上考评主要让学生完成在线学习、单元测试、在线作业和期终测试；而线下考评主要包括课堂表现、课后作业、课堂实验、课下实验、实践项目和期末考试。教学评价是为了验证在线开放课程混合式教学模式效果，并针对存在的问题和不足进行总结和完善，以促进教学内容、教学模式、教学方法调整，从而提高教学质量，因此教学评价主要由教务系统评教，学生访谈和问卷调查构成，主要内容是教学过程中重难点讲解是否详细突出，学生线上学习和线下学习存在问题等。

课程研发时课程团队成员负责课程设计、PPT制作、知识点讲解和在线测试、教学资源建设和在线技术支持，视频由第三方公司协助录制完成。课程团队初期根据混合式教学计划安排将课程分解为30个知识点，根据任课教师专长分配授课知识点并制作PPT和编写脚本，单视频时长10分钟内，目前已经进行了多轮次混合式教学。

三 数字图像处理混合式实践教学

基于在线开放课程的混合式教学按照时间次序划分为课前、课中、课后三环节[4]。课前环节课程团队教师结合基础理论和最新研究动态对教学内容进行优化调整和针对性讲解，自制视频和课件等多媒体素材，学生利用在线视频和课件预习。课中环节充分利用密切交互、开放协同等方法激发学生学习积极性，协助学生完成自身知识体系的生长，学生在场景中借助于成果交流、协同实现及反馈与评价等方式实现知识体系构建。课后环节着重评估检验及反馈优化，强化对学生知识体系构建过程的跟踪，及时采集学生学习过程中的表现，发现并分析学生学习兴趣、方法和态度上的共性问题及优点，针对授课内容、授课方法、场景设计等再加工。

（一） 混合式实践教学方案设计

1 教学目标和实践教学内容

为了充分利用在线开放课程开展混合式教学，并有针对性设计和提升实践教学效果，课程团队首先确立了课程学习的知识、能力和岗位目标。其中知识目标是指学生应该掌握的图像处理概念原理、数字图像处理方法和图像分析实用技术等；能力目标则指学生应该具备的熟练图像编程能力、逻辑抽象思维能力和解决应用问题能力等；岗位目标指的是学生通过该课程学习可以成为图像处理算法工程师、模式识别算法工程师和图像处理硬件工程师等[5]。

实践教学内容注重计算思维的培养，在实现图像基本处理操作的基础上，结合应用问题启发学生主动发现，通过问题的解决加深对计算思维的理解，强化学生对问题的抽象、分析和解决等能力的全方位训练，才能促进创新意识的养成。因此，针对课程内容多且复杂的特点，课程团队和任课教师采取抓住重点、解决难点的思路对授课内容进行取舍，将教学内容按照知识点顺序和难易程度分为图像基本概念及增强、图像色彩及编码、几何变换及边缘提取、形态学及图像分割和图像加密及表示五个层次[6]。

授课内容兼顾完整性和突出重点，对应用性强的内容讲授和实践并重，比如图像变换、空域增强和彩色图像处理等。而频域增强、图像复原和小波分析涉及数学知识较多，同时考虑在课程知识中的重要性，尽量弱化理论内容讲授及复杂数学公式推导，侧重于应用场景、应用方法和细节介绍，以及应用和实践效果体验。对于图像表示描述和图像识别等研究偏多内容，课堂介绍基本知识和应用场景，实践环节偏重方案设计和效果体验[7]。

2 分层实验设计

为了达到实践教学三个目标，课程团队针对不同知识设计了分层次实践内容[8]。

一般性验证实验。通常先录制整个实验过程放在平台上供学生提前预习，在授课过程中直接播放演示，不再课堂重复输入调试过程，不但实现实验预习，还能增强学生对理论内容和实验结果的直观理解，同时节省授课时间。

重要性验证实验。除了录制在线演示视频供学生提前预习之外，还提前准备好需要代码和数据进行课堂重现，在课堂演示时通过增加不同情境和修改重要参数的方式对实验多次重复，以观察不同情境和参数对实验结果的影响，增强学生对关键知识点的理解和记忆。

创新和设计性实验。以日常生活场景和科技应用出发设计创新性和开放性实验，引起学生学习、思考和设计完成的兴趣。实验内容也由浅入深构造多个不同场景，让学生根据兴趣和能力单独或者分组完成其中一个实践项目，通过该过程不但可提升学生对知识的理解，还能够培养学生自学能力，团队合作能力、实践能力和创新能力。

3 实践教学方法

1）兴趣为引，积极主动。以应用示范启发学生学习兴趣和积极性，提升学习效率。根据课程特点组合运用启发式和任务驱动等多种教学方法，实现实践“教、学、做”三位一体。

教学中适时抛出问题引导学生思考，活跃学生思维同时增强兴趣，能够引导学生积极学习并探索创新，在此基础上引入相关理论推导以提高分析问题、解决问题的能力，结合图像和视频介绍具体的应用实例，串联不同章节内容介绍已有应用和前沿动态。例如，以电影为例展示图像增强和图像修复可以提高影片图像质量，以机动车自动收费为例介绍图形增强和识别在自动化场景中的应用。

2）项目驱动，独立协作。项目教学法能将课堂上的理论和实践有效地结合起来充分发掘学生的创造力，提高解决实际问题的综合能力[9]。项目要以教学的内容为依据，以知识和技能的综合提高为目标，在保证学生独立实施前提下包含一定学习内容和应用价值，并把有关的教学内容转化成一系列相互联系、课上课下互为补充的实践项目。

课程团队教师根据实践教学目标和内容设计具有真实应用背景的项目，整理相关理论知识、技术并提供参考资料，提供项目实施所需的软硬件环境。学生团队整合项目涉及的知识点并利用网络获取信息，通过独立思考和互相讨论过程的多次迭代发现、分析和解决项目实施中的问题。最后项目成果评价以鼓励性和指导性评价为主，提高学生积极性和增强成就感。

（二） 混合式实践教学方案实施

1 项目教学能力目标

课程团队教师按照课程教学计划中专业技术能力的要求确定教学项目，将关键能力要求渗透到项目实施的过程与细节中[10]。课程团队教师确立了数字图像处理课程项目教学的能力目标是：通过本课程的学习，将为学生后续课程的学习打下良好的能力基础，使学生在图像信息的处理及应用等方面具有一定的发现和解决问题的能力、较强的自学能力、应用能力和实践能力，具有良好的编程素质、创新能力和综合实践能力，具备从事数字图像处理高级产品研发的能力。

2 项目设计和实施

针对课堂实验演示和实验课堂教学，课程团队确立了以激发学生学习兴趣，提高学生编码和调试能力，提升对相关知识和技术的感性与理性认识为主，以良好编程素质培养和综合实践能力提升为辅的思路。据此，课程团队设计了32个演示性实验和32个验证性实验，其中32个演示性实验中16个录制视频供学生预习和课堂演示，另外16个演示性实验录制视频供学生预习的同时在课堂上重现和修改。32个验证性实验要求每名学生在实验课堂上独立完成。

针对创新和设计性实验，课程团队设计了包括课下基础实验和扩展实践教学的实践项目，其中课下基础实验教学以扩展知识面，培养分析能力、设计能力和实践能力为主，扩展实践教学以提升学生创新能力和科研能力为主。其中，课下实验环节基础实验针对重要知识点设计了12个综合性和设计性实验，要求每名学生在了解实验目的的前提下课下独立完成，自己设计方案、完成实验和分析实验，同时尽量把最新技术贯穿到项目中，这些实践项目的实施大幅提升了学生的自学能力、分析能力、设计能力和实践能力。

扩展实践教学设计了30个与实际生活和科学前沿密切相关的创新性和科研性较强的实践项目，要求学生独立或者分组完成一个。通过小组内部分工协作明确任务，交流协作和讨论，完成需求分析、方案设计、技术选择、编码调试、成果展示和总结汇报等环节，学生根据完成的项目自我评估，然后再由教师根据每名学生在该项活动中的参与角色、程度、合作能力及成果等进行评价，这些项目实施有效提升了学生创新能力和科研能力及科研意识。

（三） 混合式教学考评方案

课程采用线上和线下融合，过程评价与终结评价相结合的多元考核评价体系。其中过程评价一方面利用网络课程平台全面跟踪整个学习过程，另一方面加强和完善线下学习情况的考核。终结性评价一方面利用网络平台通过大题量多形式对基本概念、基础理论和技术在线测试，另一方面利用线下笔试考核综合性知识、技能和方法及实践项目成果。为了评价教学实施成效，构建了多层次、多维度的考核体系并设计了线上和线下考核指标，见表1。

表1 混合式考评成绩构成、考核内容、考核细则和标准

1 过程评价方案

过程评价线上评价包括自学情况、线上作业和在线测试三部分，考核细则和标准通过视频和课件学习个数、课后习题完成情况及累计学习时间和章节测试等实现，课后习题和章节测试以客观题为主，主要包括选择、填空和判断题。通过该方式，教师能够及时看到学生学习情况，学生也可以及时了解自身学习效果，巩固所学知识，确保能够牢固掌握基础理论和知识。

过程评价线下评价主要包括线下课堂情况和线下课后情况，其中线下课堂情况包括课堂出勤、师生互动、课堂汇报、课堂纪律和课堂实验方面；线下课后情况包括课后作业和课下任务，确保学生能够充分理解并运用所学知识点解决实际问题，提升自学能力、实践能力和创新能力，其中课后作业以计算题、思考题和讨论题为主，让学生思考和拓展视频所学内容，考查学生应用知识能力，课下任务要求学生独立完成设计性任务，采用学生分组结对互评方式考核，既可培养学生主动性，又可减少教师工作量。

2 终结评价方案

终结评价包括线上闭卷测试和线下闭卷笔试及实践项目。其中线上评价主要由客观题构成，覆盖各章的重要知识点，加强学生对数字图像处理理论、方法、技术的整体把握，题型包括选择、填空、判断和计算题等，通常在期末笔试之前在实验课堂以在线闭卷形式进行。

线下评价闭卷笔试主要是主观题，包括问答题、分析题和设计题等，主要考查学生对课程基础理论的理解和实际问题方案设计。实践项目评价是加强实践环节考核的重要环节，要求学生完成并对所做工作成果进行展示，利用现场答辩、小组互评和教师点评方式评价考核，学生在实践过程中能够全力以赴完成规定的实践项目，从而取得良好的实践教学效果。

四 学习效果分析

数字图像处理课程从2020年10月至2024年1月开设四轮次，对学生和成绩等各项数据进行了统计，并从在线和线下理论和实践完成情况以及最终成绩平均值进行了多维度分析。

（一） 在线作业和测试完成率较低，各项测试得分较高

对选课人数、在线学习和测试完成情况分析发现，课程完成作业与考试的比例不高，并随着学习过程逐步减少。线上学习完成率低是普遍问题，调查分析发现主要原因是线上学习环境体验感差导致的学生学习主动性低，另外就是学生仅选择自己感兴趣的视频和课件观看，而不完成在线课后习题和测试。

但是完成在线习题和测试学生的得分普遍较高，分析发现，造成这种情况的原因一方面是在线作业和测试都是客观题，另外就是完成率高的这一部分学生学习主动性和积极性较高。结果显示，总体上学生对基本概念和理论掌握相对较好。

（二） 线下作业和实践完成率较高，完成质量较低

同样分析了线下作业和实践完成情况，绝大部分同学都能够完成线下课后作业，课堂实验及课下实验任务，包括期末的实践项目也都能分组全部完成，主要原因是线下课堂作业及实验等更加符合传统学习方式和习惯，对于实验和实践性质作业由于能够看到直观结果，学生也充满了兴趣和主动性。

从完成质量上看，课后作业及课堂实验完成情况较好，主要是因为作业基本上都可以在课本上很快找到或者凝练出答案，课堂实验中的验证性实验比较基础，设计性实验也是在验证性实验基础上进行扩展和修改而来，学生只需要灵活运用、正确迁移即可完成。但是课下实验任务和实践项目完成质量较低，主要原因是这类实践题目和项目具有较强的设计性和创新性，基础知识和理论只是其中一个环节，学生需要做需求分析、方案设计、技术选择和代码调试等多项工作，对学生综合实践能力要求较高，因此完成质量较低。但是设计这类实践项目的目的就是为了鼓励学生探索和尝试，因此，无论是评价还是分数均以鼓励为主。

（三） 横向对比各项成绩，均值有一定差异

将是否参加在线课程混合式教学的学生分成两组比较成绩平均值和标准差。分析发现，不论是否参与在线课程混合式教学，两组学生的成绩标准差相差不大，但均值有比较明显的差别，两组成绩平均值有6分差距。可以判断出样本数据的平均值存在显著的差异，原因一方面是参与混合式教学学生确实花费了较多时间进行在线学习和在线测试，另一方面就是两个班级学习氛围本来就有所不同，在其他课程成绩上也存在一定差异。但是考虑到学生在线自主学习确实能够提升基本概念和理论掌握程度，也能够充分利用网络支持课下实验任务和实践项目完成，因此，总体上参加在线课程混合式教学学生成绩比没有参加的学生有一定提高。

五 结束语

1）基于在线开放课程混合式教学能够将线上资源、任务及项目与线下交互学习及课后实践相结合，打破了传统课堂时空和人数等属性限制，不但有利于培养学生自主学习习惯，而且也能够促进教师整合优质教学资源提升效率。

2）以提高学生学习兴趣为牵引，以实践项目为驱动，通过选取课下实验任务和实践项目来创设场景，通过自组织和协作相结合方式开展学习，并通过完成课下实验任务和实践项目来提升能力。实践证明，以兴趣为牵引和以项目为抓手的实践教学模式能够极大提高学生学习积极性和主动性。

3）以解决数字图像处理教学过程中出现的问题为出发点，从线上线下教学内容、课程资源建设、实践教学方法和考核方法等方面进行了研究与改革。实施效果显示，采用以上教学改革措施可有效提升学生的实践能力和创新能力。

参考文献：

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[10] 刘力双，夏润秋，孟浩，等.面向能力培养的数字图像处理实践体系设计[J].现代计算机，2020（36）：82-86.

基金项目：2022河南省研究生精品在线课程建设课程“《数字图像处理》”（YJS2022ZX04）；郑州大学课程思政课程“《数字图像处理》”（2021ZZUGSKCSZ037）；郑州大学精品开放课程“《数字图像处理》”（2019XXJPKC023）；郑州大学教育教学重大改革课题“智能传感产业学院建设模式及人才培养探索与实践”（2022ZZUJG006）；2024郑州大学一流本科课程建设立项“数字图像处理”（2024ZZUYLKC073）

第一作者简介：庞海波（1979-），男，汉族，河南安阳人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为计算机视觉、机器学习和网络安全。