“數字圖像處理”課程教學改進與研究

彭響華，彭 玲，劉 舸，林宏翔

（惠州學院電子信息與電氣工程學院，廣東 惠州 516000）

0 引言

圖像處理技術的誕生可以追溯到20 世紀初，其迅猛的發展速度、廣泛的應用領域以及與其他學科的密切交叉使其備受矚目。作為一門多學科交叉的應用型課程，“數字圖像處理”在電子信息工程、自動化等專業中屬于專業課，是一個承上啟下的核心基礎課。該課程以“高等數學”“線性代數”“概率論與數理統計”“信號與系統”“數字信息處理”等課程為基礎，為后續的“模式識別”“機器視覺”“人工智能”等專業課程提供了扎實的基礎。

1 課程教學存在的不足之處

“數字圖像處理”課程作為專業課，課程內容多，承接先修課程的概念較多，新概念也較多，但學時相對較少[1]。通過調研與教學實踐發現，目前該課程教學存在以下不足之處。

課程內容繁多，概念抽象，數學公式推導多。在授課過程中，由于大多數學生先修課程基礎薄弱和知識遺忘，對課程產生畏難、抵觸等情緒。因此要將繁多抽象的理論一一講透、融會貫通，需要花費大量的時間。在這有限的課時范圍內，按照傳統的教學方法很難達到令人滿意的教學效果。

教學內容陳舊。新興的人工智能技術在不斷發展，但當前教材內容嚴重滯后于當前主流技術的發展，由于教材的審核和出版周期較長，教材內容不能很好地與當前新興的人工智能技術相銜接。因此，在課時緊張和教材內容滯后的情況下，教師很難對理論應用展開充分的討論，也很難對前沿技術進行詳細的介紹，這使得當前的教學難以實現理論與實際的有機結合，導致學生學習缺乏目標，學習興趣逐漸減退，不利于培養學生的創新能力。

教學方式單一。在傳統的面授課堂環境中，由于受到課時限制，教師課堂時間通常較少用于練習，教學方式主要以在黑板上板書和進行PPT 演示為主，通過這些手段向學生傳遞知識。這種方式會導致學生所獲取的知識量有限，而且學習途徑受到一定的限制。師生之間僅能進行淺層次的溝通，教師難以獲得學生的準確反饋信息。而要加強教學過程的管理，如學生考勤、隨堂練習、教學效果調查統計等等，這在傳統的面授課堂中都很難實現。

注重理論而忽略實踐。為了確保教學內容的嚴密性，教師通常在課堂上注重理論推導，但對學生在解決實際應用和工程問題方面的能力培養關注不足，實驗設計內容也偏向于Matlab 編程的驗證性實驗。在實驗教學中，教師僅簡要說明實驗中使用的算法，學生則按照實驗指導書的示例進行機械的模仿，使學生陷入完全被動的復制中，缺乏對實驗原理的深刻理解，難以主動思考和解決實際問題。這與課程強調學生實踐能力培養的目標不太相符。

教學考核偏重理論?！皵底謭D像處理”課程傳統的考核方式以期末理論考試為主，占70%，過程性考核數據如學生出勤、課堂師生互動、實驗練習，課后作業等占30%，過程性考核數據不被重視，導致學生重視理論輕視思考。學生只要在期末做足夠的習題，即能取得不錯的考核成績，并不能反映出學生平時的學習態度和和思考問題解決問題的能力，不符合應用型人才的培養目標[2]。

2 課程教學的改進方案

根據該課程的實踐能力的培養要求和應用型人才的培養目標，迫切需要在知識學習與能力培養之間實現有機的結合，同時加強理論知識與實際工程應用能力之間的緊密聯系，對“數字圖像處理”課程進行教學改革，對應用型人才的培養具有重要而深遠的意義[3]。針對課程教學中存在的一些問題，為了在現有教學的基礎上更好地順應人工智能技術熱潮，改善課程的教學效果，充分提高學生的學習興趣和工程實踐能力，使得學生能夠掌握數字圖像處理的傳統方法和相關的人工智能技術，同時具備了解國際前沿動態的能力，本文借助超星學習通網絡學習平臺，提出了適合本課程的混合式[4]教學模式的教學改革方案[5]，該課程教學整體改進方案如下所述。

2.1 課前階段

在超星學習通平臺的支持下，教師積極發布相關前沿理論技術資料、中國大學MOOC 精品課程資源，以及與本課程相關的先導課程學習資料，如信號處理、線性代數、微積分等內容。通過設定任務點，教師引導學生在課前完成預習，深入復習先導課程知識，并深入研讀前沿技術資料、觀看MOOC 精品課程資源，以便更好地把握重難點知識。目的在于克服教材內容滯后的問題，同時激發學生的學習興趣和學習的主動性。學生完成預習后，帶著思考和問題進入線下課堂，為更深層次的討論奠定基礎。同時，教師根據學習通的統計數據對學生的學習情況進行分析，了解學生的預習情況，查看學生對思考題的討論，明確學生對重難點問題存在的疑點。這種精細化的分析為線下課程中的重點討論提供了有力的支持，確保課堂時間得以更有效地利用。

2.2 課中階段

2.2.1 考勤與互動

在線下課堂中，教師跟學生可以面對面交流學習。除了傳統的線下授課，教師開始重視學生的考勤數據和與學生之間的交流互動。通過超星學習通進行考勤數據統計，一方面考勤數據更加準確，另一方面教師通過統計考勤帶給學生的心理震懾，可以降低學生的曠課率。同時在線下課堂中，教師針對課堂知識點，在超星學習通設置部分搶答題和主題討論題目，學生可以搶答題目增加互動積分，在主題討論時，教師可以隨機選人互動交流，增強了課堂的趣味性，進一步調動了學生的學習興趣，提高了學生的課堂參與度，加強了師生互動，進而增強了教學效果。

2.2.2 工程案例講解

在線下課堂中，除了對圖像處理方法的理論講解，還增加了圖像處理實際工程案例的講解[6]。例如在講解教學內容為圖像的代數運算中的加法運算時，首先介紹加法運算的基本原理，然后講解圖像水印的基本概念，最后結合加法運算與圖像水印的聯系，講解圖像水印的具體算法實現過程，將生活中的水印技術在課堂上呈現出來，更利于調動學生的學習興趣，加深了學生對算法的理解和實際工程應用的掌握。根據課程大綱的教學內容，設計工程實際案例。教學內容與工程案例對照如表1 所示。按照每次課堂內容，選擇1～2 個工程案例講解其具體的實現過程。

表1 教學內容與工程案例對照

2.2.3 隨堂練習與答疑解惑

在傳統的線下授課中，教師完成了對本次教學內容的講解后，會在超星學習通平臺上發布與本次課程相關的隨堂練習，以便幫助教師更全面地了解學生對課堂知識的掌握情況。在超星學習通隨堂練習頁面，教師可以實時查看學生的答題情況，統計出學生的答題正確率。教師可根據學生在答題過程中出現的普遍問題，有針對性地進行答疑，提高了答疑效率，也增進了教師對學生知識掌握的了解。

2.3 課后階段

古人云溫故而知新，為更好地促使學生熟練掌握線下授課的知識，教師在超星學習通平臺上設置了相應作業，涵蓋了課程每個章節的知識點。同時，我們將線下授課所使用的課件上傳至平臺，并設定了任務點，以引導學生進行有效的課后復習。根據學生在課堂和課后練習中的表現，教師將對掌握不牢的內容進行有針對性的線下復習和提高。學生需要按照任務點的要求完成由教師布置的任務。教師則通過平臺對學生的學習情況進行統計，包括考勤數據、隨堂得分、課堂搶答與互動，以及課后任務點的完成情況等。通過對這些數據的分析，教師能夠合理而有效地評估每位學生的平時表現。

除了日常的教學工作，教師的職責還包括培養學生的綜合素養。通過學習通的考核數據，教師能夠及時提醒那些有曠課記錄的學生，并對多次曠課的學生進行深入的思想溝通。教師關心學生的近況，通過面對面的交流促進學生的全面健康發展。

2.4 實驗階段

為了有效提升學生的編程實踐水平，教師在傳統的驗證性實驗課程框架上引入了一個綜合性實驗項目。該綜合性實驗的執行流程包括教師提供必要的知識，學生選擇并確定項目題目，展開項目實施，最終演示成果并進行成績評定。教師鼓勵學生不局限于滿足給定選題的要求，而是積極探索對所選項目的功能進行創新改進。學生在完成項目開發后，對其項目進行詳細的演示和講解。這既培養了學生在公眾面前表達的能力，同時也預防了一些學生直接復制粘貼他人項目提交的不當行為。詳細實驗項目如表2 所示。

表2 實驗項目

2.5 綜合考核

“數字圖像處理”課程屬于具有實踐性和應用性的學科，傳統的評估方式主要依賴于期末理論考試，難以充分反映學生的學習態度和實際應用能力。在優化后的課程評估中，更注重過程性評估，綜合采用各類形成性評估方式，以全面評價學生的學業成果。評估分為四個主要類別，權重分別為：平時考核15%、網絡課程考核25%、實驗考核10%，期末考核50%。期末考試采用閉卷形式，內容包含基礎知識、綜合知識、延伸與應用三個部分，結合多樣化的題型設置，有助于教師在整個教學周期中客觀、公正地評估每位學生的學業情況。具體課程考核的詳細評價準則如表3 所示。

表3 課程考核詳細評價準則

3 結語

隨著圖像處理技術的不斷發展，傳統的教學模式難以滿足應用型人才培養的目標。鑒于這一背景，為了激發學生的學習興趣和提高學生的學習主動性，本文以“數字圖像處理”課程為例，首先分析了該課程的教學現狀和教學模式中存在的不足，其次提出了基于超星學習通的線上線下相結合的一體化教學模式。該改進方案從課前、課中、課后、實驗和綜合考核5 個方面進行探討，分別給出了具體的改進內容。

為了對比傳統教學與改進后的教學成效，將采用改進后的教學方案的學生期末成績（2022 年和2023年）與采用傳統教學的學生期末成績（2020 年和2021 年）進行對比分析，近4 年“數字圖像處理”課程的考核分數分布占比如表4 所示。這4 屆考試試卷題目難度一致，題型一致，從表4 可以看出，自2022 年開始采用改進后的教學方案和綜合考核方式后，學生的平均成績明顯提高，90～100 分數段內人數比例明顯增多，70 分以上人數比例呈逐年遞增趨勢。

表4 近4 年“數字圖像處理”課程的考核分數分布占比

實踐表明，改進后的教學方式激發了學生的學習興趣，促進了學生從被動學習到主動學習的轉變，提升了該課程的教學效果，教學質量明顯提高。本次教學改革對新工科背景下的應用型人才培養具有一定的指導作用和借鑒意義，值得推廣應用。