線上線下混合+項目驅動的數字圖像處理教學改革與實踐

周繼宇 廖麗君 吳九九

(貴州師范學院物理與電子科學學院，貴州 貴陽 550018)

工程教育在與產業發展的相互支撐和緊密結合中扮演著重要的角色。大學階段是學生了解產業發展并形成工程思維的關鍵時期[1]。為了加快推進工程教育的創新發展，自2017年2月以來，教育部陸續發布了一系列重要通知，包括《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》和《教育部辦公廳關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》等，旨在推動"新工科"建設。

數字圖像處理課程主要涵蓋圖像處理的基礎理論、方法和實現，是人工智能領域的關鍵技術之一，在遙感解譯、醫學影像分析和智慧城市等領域具有廣泛的應用。然而，在傳統的數字圖像處理教學中，仍然存在著以教師講解、學生被動聽取的被動式教學模式，課程內容過于側重基礎運算和經典方法的講解，忽視了線下教學與線上資源的融合，也忽略了項目化綜合能力的培養，已經無法滿足新形勢下工程應用人才的需求[2，3]。

在新工科的背景下，數字圖像處理課程教學模式和方法的改革刻不容緩。通過引入互動式教學方法、結合線上資源以及注重項目化綜合能力的培養，可以鍛煉學生的實踐能力，培養出符合現代化產業發展需求的工程應用型人才。

1 數字圖像處理課程傳統教學存在的問題

數字圖像處理課程的復雜性和廣泛性使得教學團隊在有限的課時內面臨著許多挑戰。學生的基礎薄弱、理論基礎知識的繁多以及課程內容的廣度，都增加了教學工作的難度。教學團隊在早期采用了傳統的教學模式。課堂上，教師主要依賴選用的教材和配套課件，通過講授知識點來傳達理論基礎。同時，教師還會利用理論知識對經典案例進行驗證和公式推導，以幫助學生更好地理解概念和原理。然而，通過教學實踐的積累，我們逐漸意識到傳統教學模式存在一些不足。這種模式無法充分激發學生的學習興趣和主動性，而且在有限的課時內難以覆蓋所有知識點和案例。學生可能只是被動接受知識，缺乏互動和實踐的機會。主要問題歸納如下：

1.1 課程缺乏任務導向，學習目標不明確

學生對課程的學習目標和知識體系沒有一個清晰的認識，僅把學好具體的理論知識，期末考試分數當作課程學習的最高目標。然而數字圖像處理課程綜合性較強，更多的是強調對學生實踐能力的培養。以線性化知識講解為主的傳統授課方式，容易讓學生用慣性思維去定位學習目標，迷失學習方向；同時，學生學習過程缺乏任務導向，抓不住學習重點，容易陷入到瑣碎知識的吸收上，無法有效地對內容進行串聯。

1.2 教師側重對知識點的覆蓋，忽視知識點的重構

數字圖像處理課程知識點龐雜且難度較高，教師過于注重對知識點的全面覆蓋，容易加重學生的課堂學習負擔。新工科理念下培養的是工程應用型人才，針對以教材傳授為中心到以項目實現為中心這樣的轉變，新型教學模式應根據項目需求對教學內容進行精簡，著重學習最核心、最具啟發性的內容，幫助學生提高學習效率。

1.3 線上線下兩者孤立，難以有效適配課堂教學

疫情期間，全國大規模線上教學積累了大量學習資源，且學生已適應了借用互聯資源輔助學習。但是，這些線上資源主要為國內重點大學的慕課視頻，其教學內容和進度安排未必與線下教學實際保持一致，此外，學生也難以對海量的資源進行甄別。這導致線上教學資源無法很好融入到線下教學體系中，造成了兩者的孤立。

1.4 學生項目訓練不足，無法快速銜接產業需求

圖像處理方法眾多，教師在授課過程中往往僅限于某個經典案例的講解與驗證，學生也僅是針對單個算法的仿真實現，項目化開發訓練不足。文獻檢索、團隊合作、代碼實現、論文撰寫等綜合能力培養未能在教學目標中體現，長此以往，無法適應新工科背景下的工程應用實際。

1.5 考核形式單一，成績不能有效反映學生能力

在傳統的數字圖像處理課程教學中，教師對學生的考核和評價主要依靠平時作業和期末考卷為主。然而，這種方式缺乏對學生除理論知識學習外，其他實踐操作能力的綜合考核。這種評估方式限制了教師全面了解學生的學習情況和效果，也無法有效激發學生的學習積極性和主動性。

2 融合線上線下混合教學模式與項目驅動模式的教學設計

課題組在采用傳統教學方法授課的過程中，深受上述痛點的困擾。受新工科教學理念和OBE成果導向理念的啟發[4]，通過深入分析數字圖像處理課程的教學目標及學情狀況后，決定以項目為主線，與線上線下混合教學模式相融合，著力將以往“教師講，學生聽”“以教定學”的被動式教學模式，轉變為“以項目為主線、教師為主導、學生為主體”，“以學定教”培養學生主動實踐的創新教學模式。在以上述思想作為指導的前提下，本教學團隊通過多年數字圖像處理課程教學經驗的積累，設計了以項目為驅動的教學模式[4，5]，其簡要框圖如圖1所示：

基于新工科背景下項目驅動的數字圖像處理教學模式創新，本教學團隊通過有針對性的教學措施優化，克服了傳統教學中的問題，具體措施如表1所示：

表1 存在問題與解決措施對照表

2.1 以任務為導向，明確課程和章節項目

明確課程和章節的應用場景，讓學生知道為什么學？學什么？怎么學？明確的課程學習目標有助于激發學生的學習積極性，能夠更長遠地看待當前所學的知識的應用前景。

通過明確章節項目，可以讓學生清晰地知道自己需要掌握哪些知識和技能，從而能夠更有針對性地學習，逐步由淺入深地掌握數字圖像處理的概念和技能，提高學習效率。

具體采用的措施有：

(1)建立課程和各章的應用場景視頻庫，在開啟課程和新的章節時為學生進行播放，一般視頻時長1-3分鐘，主要介紹課程或單一章節在實際生活中的應用現狀和未來趨勢，激發學生對于課程和章節的學習熱情。

(2)課題組依據課程教學內容和目標，將課程知識點匯集到9個專題項目，包括：圖像的數學表示與統計、圖像的空域增強、圖像的頻域增強與視覺增強、圖像的空域復原、運動模糊復原、圖像的信源與壓縮編碼 、圖像的分水嶺分割、圖像的檢測與識別、期末綜合性應用(如：車牌識別、人臉識別等)[4]。項目驅動教學模式的開展都是圍繞項目主線，因此項目的設置都進行了前期調研和論證，對于章節知識具有較強的代表性。

2.2 圍繞專題項目，重構原有知識點結構

數字圖像處理課程交叉性強且發展迅速，隨著數學、物理、生物和計算科學等學科的發展，新的圖像知識和圖像算法也不斷出現，因此很難構建一個通用的、固定的分類體系來概括學科的全貌。不同類別的算法采用不同的數學方法，比如：基于函數、基于統計和基于矩陣等。而不同的數學方法，需要不同的基礎知識。因此，需要圍繞項目，對課堂教學內容進行精簡，著重學習最核心、最具啟發性的內容，而非力求課堂知識的面面俱到。項目驅動教學法注重培養學生文獻檢索、團隊合作、代碼實現、論文撰寫的能力，可以以單個類別的算法為主線，演示剖析問題、設計算法、算法實現、效果評價的過程，啟發學生探索學習其他方法。

(1)結構梳理，定位重點知識

項目驅動教學法注重培養學生團隊協作、分析問題、資料檢索、解決問題的能力，而不是數學方法的廣度，所以課程教學中應該更突出解決問題的思路。以圖像的空域增強處理專題為例，常用的經典算法分類如圖2所示，依照項目驅動法的思想指導。教師首先根據需要增強的圖像自身的特點，對比點運算下三大類方法和鄰域運算下兩大類方法的特長，確定通過圖像平滑大類作為解決方案。而圖像平滑涉及的基礎知識主要有：鄰點與鄰域、鄰域處理、卷積與模板、卷積運算，這幾個概念在圖像處理領域具有非常廣的應用。

圖2 圖像空間域增強專題經典算法框架圖

(2)利用演示系統進行動態效果展示

為了解決教材中案例代碼的限制問題，教學團隊積極探索解決方案，并研發了一款創新的數字圖像處理課程演示系統，如圖3所示。

通過該演示系統，學生可以進行模塊組合和參數更改，靈活地探索不同的圖像處理技術和方法。他們可以自主地調整圖像濾波、邊緣檢測、圖像分割等處理操作，觀察結果的變化，并進行結果分析和比較。這樣的交互式學習環境激發了學生的學習興趣，培養了他們的實踐能力和創新思維。同時，該演示系統還提供了豐富的實例和示例圖像，幫助學生更好地理解不同處理方法的應用場景和效果。學生可以通過實際操作，將理論知識與實際圖像處理問題相結合，加深對課程內容的理解和記憶。

這款數字圖像處理課程演示系統具有可交互性，學生可以方便地在本地安裝并使用。這種實時的、自主的學習方式使學生能夠直觀地感受到不同處理方法和參數調整對圖像處理結果的影響，加深對課程內容的理解。學生可以靈活地調整模塊和參數，觀察處理結果，并進行反饋和討論。這樣的教學工具有效地提升了學習效率，幫助學生更好地理解和應用數字圖像處理的知識，培養出具備實踐能力和創新思維的工程應用人才。

圖3 數字圖像處理課程演示系統操作界面

2.3 以項目為主線，線上線下混合教學

數字圖像處理是原理與應用、理論與實踐緊密結合的課程，采用傳統的教材+配套課件的教學手段，已經無法滿足學生的多元化學習需求。因此，課題組在課前、課中、課后都采用了以項目為主線，與線上線下混合教學相融合的授課方式，具體如下：

(1)課前：為了幫助學生樹立正確的學習目標，讓學生知道學什么？為什么學？教師提前建立好與課程章節相符的應用前言科普微視頻。在課前預習環節，通過雨課堂手機課件的形式向學生推送對應章節的微視頻，在學習基本原理之前，先讓學生了解課程內容的實際應用和未來趨勢，從而實現原理與應用緊密結合。

(2)課中：在課堂教學中采用了自主研發且可交互的數字圖像處理課程演示系統，通過理論講解+動態演示同步的方法，讓學生可以自行改變相關數值，更直觀地感受圖像處理前后的變化情況，從而實現理論與實踐緊密結合。

(3)課后：教師通過多渠道的數據記錄與收集，構建了更加科學的線上線下混合模式的數字圖像處理教學評價體系。形成了基于線上的課前、課中過程評價(雨課堂預習5%、雨課堂考勤15%、雨課堂互動10%)+基于線下的項目實踐評價(項目報告20%、軟件實現30%、項目答辯20%)=課程綜合評價的考核方案。

2.4 采用分組形式，進行項目實施與考核

選取9個項目專題中的圖像空間域增強技術為例。要求學生圍繞該專題，明確具體任務和方法，設計并實現軟件平臺。實施過程中將3個學生分為1組，參照CDIO項目教學法分別完成：項目調研、項目設計、項目實現和項目反饋四個步驟，形成項目實踐報告書。具體過程如下：

(1)項目調研

項目調研的主要目標是擴充課堂教師所講內容以外的背景知識、定位自己要解決的關鍵問題。通過文獻檢索學生能夠了解到圖像的空間域增強方法多樣性，甚至遠不止課堂上教師所羅列的類別。圖像的增強也不是一個統一的概念，可以包含：圖像去噪、圖像灰度均衡、圖像邊緣和細節強化等問題，面對不同的問題也沒有一個放之四海而皆準的通用方法。因此，學生通過文獻檢索和學習，需要定位自己具體要解決的圖像增強問題。本文假設學生通過調研后選定邊緣和細節強化作為圖像增強要解決的問題。

通過項目研究，學生將具備基本的文獻分析能力，還能對研究主題進行初步的文獻綜合評述，明確相關研究的優勢、不足和未來的發展方向等。獲得使用多種中英文資料庫的技能，

(2)項目計劃

項目計劃的主要目標針對項目調研后所定位出來要解決的問題，找出對應的解決方法。設計階段，小組成員會收集到很多解決邊緣和細節強化問題的方法，學生需要首先理解這些方法的原理，并給出方法的數學模型描述。針對邊緣和細節強化問題，可以采用圖像銳化的方法，而圖像銳化有Sobel銳化、Prewitt銳化和Robertsr銳化等算法。

理解了上述算法后，小組成員需要詳細繪制每種方法的算法流程圖，并進行軟件平臺的界面和功能設計。這包括確定各種控件和菜單設置等。在充分交流和討論后，小組成員將共同確定最佳的算法流程圖和軟件平臺界面設計方案。

(3)項目實現

學生在項目計劃階段，已經對選定的任務進行分析，確定了具體的實現方法和流程，也對軟件界面和功能做了設計布局圖。因此，在項目實現階段，學生主要是利用Matlab進行編程實現項目計劃的內容。代碼實現過程中，學生分模塊協作，編程規范和團隊合作能力都得到提升。

(4)項目運行反饋

反饋階段可以分為兩個方面，首先是小組成員對所開發軟件的基本功能進行測試和完善，對涉及算法進行主客觀評價，學生需要收集和學習用于圖像增強問題評價的指標，了解每個指標所代表的物理含義，每種方法除了輸出增強圖像外，還需要運算評價指標，通過評價指標評測在該問題下的增強效果的優劣。

其次是對項目的過程撰寫報告書，制作PPT進行項目答辯，向指導教師闡述實施過程，教師對項目的優點和不足進行總結性評價，為學生進一步完善或升級軟件平臺提供指導性方向。

2.5 構建實踐能力為核心的多渠道評價體系

(1)以雨課堂為輔助的課前和課中評價

在雨課堂軟件下，教師可以設置課前預習和課中的課堂互動，并能夠在該雨課堂課程中心查看學生的參與和完成情況。通過雨課堂的學情分析功能，教師可以跟蹤學生的學習表現，了解學生的學習狀態和學習進度，并根據學情分析結果進行針對性的教學。最后雨課堂也能夠按照學生課前和課中的表現進行評分。

(2)以項目為核心的實踐能力評價

數字圖像處理作為一門工科課程，其核心是實踐能力的培養。學生通過9個專題項目的完成，文獻檢索能力、獨立思考能力、團隊交流及合作能力、代碼實現能力、論文撰寫能力、邏輯思維能力和口頭表達能力都得到了體現。教師通過指導學生的項目完成過程，按照相應的實踐評價體系，制定項目答辯評價表，實時進行評分。

(3)課程綜合評價

通過多個渠道的數據記錄與收集，最后匯總到雨課堂的綜合評價系統，形成了基于線上的課前、課中過程評價(雨課堂預習5%、雨課堂考勤15%、雨課堂互動10%)+基于線下的項目實踐評價(項目報告20%、軟件實現30%、項目答辯20%)=課程綜合評價的考核方案。這種方式降低了教師主觀因素在學生考核中的影響，構建出一個更加科學、全面、公正和多元化的數字圖像處理教學評價體系，促進學生的全面發展和教學質量的提高。

3 教學改革實踐效果

將上述教學設計應用于貴州師范學院2019級電子信息科學與技術專業學生的數字圖像處理課程，綜合所授課班級學生的平均完成情況進行評價如圖4所示。

圖4 班級平均成績圖

可以看出，4項考核內容的平均成績均呈現上升趨勢，說明以項目為主線，與線上線下混合教學相融合的授課方式能夠幫助學生提高綜合素質能力。線上綜合的成績后期增長緩慢，也表明在實際教學中學生互動環節有待加強。實踐表明，由以教師為中心到以學生為中心，以教材為中心到以項目為中心的項目驅動型數字圖像處理教學模式，能夠解決傳統授課方式存在的不足，使得學生在文獻檢索、獨立思考、團隊合作、代碼實現、論文撰寫、邏輯思維等方面的綜合能力都得到實操訓練和提升，更加符合工程實際的需求。

結 語

在持續的創新改革過程中，數字圖像處理課程的教學質量不斷提升，取得了令人欣喜的成果。這一改革的成效證明了我們不斷努力追求教育的卓越，為學生提供更高效的學習體驗的初心是堅定不移的。然而，團隊成員深知教學創新改革是一條漫長的道路，下一步將繼續努力探索更優質的教學方法和策略，不斷改進教學內容和教學資源，以滿足學生的學習需求和適應產業發展的挑戰。