潘翔　趙小敏

摘 要： 工科教學的一個難題是激發(fā)學生興趣，提高其獨立學習和設計能力。以數(shù)字圖像處理這一課程為實施對象，提出了以理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線的多視圖教學模型，以解決該課程原有教學模式方法單一、過程枯燥等問題。采用該模型取得了較好的教學效果，實現(xiàn)數(shù)學理論模型和編程技術(shù)的一體化建模：學生不僅能夠理解如何采用數(shù)字圖像處理的基本理論進行工程應用，而且能夠掌握圖像處理基本編程能力。

關鍵詞： 多視圖模型； 數(shù)字圖像處理； 教學模式； 工程應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：B 文章編號：1006-8228（2014）01-72-02

0 引言

當前，教育部正在啟動 “卓越工程師”計劃，其目標是使大學生具有優(yōu)秀的工程研發(fā)能力[1]。因此，需要在高校教學中進一步深入課程改革，在教學過程中引入工程化培養(yǎng)思想，提高大學生的工程開發(fā)能力和分析、解決問題的能力。

隨著數(shù)字化技術(shù)和計算機軟硬件的發(fā)展，數(shù)字圖像已經(jīng)成為一種重要的信息載體。以數(shù)字圖像為研究對象的數(shù)字圖像處理課程逐漸成為軟件工程、信息、機電、計算機和生物醫(yī)學等專業(yè)一門非常重要的專業(yè)課[3]。在實際教學過程中，由于數(shù)字圖像處理內(nèi)容的理論性較強，很多學生認為這門課程很難學，而且學了之后又很難應用所學的知識去解決實際問題，因而失去了繼續(xù)學習的信心。另外一方面，部分學生能夠在考試中取得較好的成績，但是面對實際問題卻無從下手，形成典型的“高分低能”。顯然，這種教學模式難以培養(yǎng)出適應卓越工程師系列人才。因此本次課程實踐改革以“數(shù)字圖像處理”課程為改革試點，貫徹卓越工程師理念，培養(yǎng)學生分析解決問題能力和工程實施能力[4-5]。

本項目針對當前數(shù)字圖像處理課程教學中存在的問題，以卓越工程師為培養(yǎng)目標，根據(jù)數(shù)字圖像處理流程具有不同表達方式這一顯著特性，提出以數(shù)字圖像處理理論模型為主線、以編程模型和圖像處理效果可視化模型為副線，結(jié)合數(shù)字圖像工程案例，面向數(shù)字圖像處理課程建立多視圖立體教學模型。項目實施解決了數(shù)字圖像處理已有教學方法存在模式單一、教學過程枯燥等問題。在教學效果上，學生不僅能夠理解如何采用數(shù)字圖像處理的基本理論解決工程實際問題，而且能夠掌握圖像處理基本編程能力，實現(xiàn)數(shù)學理論模型和編程技術(shù)的一體化建模，大大提高了學生的工程能力。

1 啟發(fā)式的多視圖教學模型

目前，圖像處理教學過程存在的主要問題是數(shù)學描述過于抽象，學生不易理解。如果單純采用這種理論模型，由于理論過程的抽象性，容易導致學生失去學習興趣。如何把數(shù)學模型應用于工程問題也是工科學生的一個薄弱環(huán)節(jié)。學生雖然知道直線方程、最小二乘、偏導等基礎理論，但是普遍缺乏針對工程問題的快速聯(lián)想，缺少理論聯(lián)系實際的經(jīng)驗和能力。本項目采用啟發(fā)式教學，引導學生用數(shù)學理論基本知識解決數(shù)字圖像處理問題，能夠有效提高學生數(shù)學分析能力。因此，本文在強調(diào)數(shù)字圖像處理理論模型基礎上，針對數(shù)字圖像處理信息表達方式的多樣性這一特點，提出結(jié)合編程模型、可視化模型形成豐富的多視圖立體教學方案，以激發(fā)學生學習興趣，幫助學生提高解決問題的能力。

面向數(shù)字圖像處理課程的多視圖教學模型的整體方案如圖1所示。整個模型在傳統(tǒng)的數(shù)學模型基礎上，引入了可視化模型和編程模型。采用可視化模型可以有效地和啟發(fā)式教學方法相結(jié)合，通過圖像處理效果可視化模型引導學生進行問題思考，形成圖像處理效果的逆向分析模型。采用這種編程模型主要是考慮圖像處理課程作為一門學科專業(yè)課，大部分學生已經(jīng)有了較好的編程基礎，這種編程模型可以讓學生進一步消化前面程序類課程的教學內(nèi)容，并掌握數(shù)字圖像處理基本編程技術(shù)。通過數(shù)字圖像處理工程案例，提高學生的圖像處理技術(shù)綜合建模能力。

本文提出的啟發(fā)式的多視圖立體教學模型分為：問題引入、學生分析思考、視覺模型理論化、程序模型重現(xiàn)視覺結(jié)果等四個步驟。

⑴ 問題引入。在問題引入上，結(jié)合逆向思維方法，通過數(shù)字圖像處理工程案例的可視化結(jié)果，引導學生思考分析，說明課程知識點的目標和工程應用，激發(fā)學生興趣。

⑵ 學生思考與討論。讓學生對視覺效果進行分析討論，從視覺感知中形成基本思路，形成算法的最終目的。

⑶ 視覺模型理論化。在上述討論分析后，教師對視覺模型進行啟發(fā)式引導，肯定學生的思維結(jié)果，并逐步給出理論模型，從而把視覺模型上升到理論模型。

⑷ 程序模型重現(xiàn)視覺結(jié)果。為了進一步鞏固上述教學過程效果，也是讓學生學會自我設計和驗證的能力。給出程序部分代碼，并重現(xiàn)出視覺效果，完成整個教學過程。

2 教學案例設計

為了進一步介紹多視圖立體教學模型，本節(jié)針對圖像處理課程中的“腐蝕”知識點進行案例設計和分析。腐蝕是數(shù)學形態(tài)學中一個非常重要的概念，而且在工程應用領域也使用較為頻繁。在視覺感知上，腐蝕就是把兩個具有粘連的區(qū)域分開。因此，我們以視覺感知為起點，以編程設計為終點，設計教學過程，從而使學生從不同角度去理解腐蝕的定義，實現(xiàn)課堂教學和工程應用的統(tǒng)一。

⑴ 引導學生分析觀察

在教學切入點上，我們首先給出一個細胞計數(shù)的圖像。采用圖像處理方法進行醫(yī)學分析已經(jīng)是當前的趨勢。通過視覺可吸引學生的注意力。然后給出細胞計數(shù)的問題所在：由于存在過多的粘連，導致統(tǒng)計出來的細胞個數(shù)不準確，如何消除這些粘連。

⑵ 學生討論分析

對這個問題，讓學生觀察、討論和分析，充分發(fā)揮學生的主動性。有學生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些粘連具有一個非常明顯的特征，就是粘連部分都很細。如果能使這些區(qū)域一層層的減小，那么這些粘連部分首先被去除，而其他區(qū)域只是減少了面積。討論到這一步，已經(jīng)基本上了揭示出了腐蝕的基本原理，此時可以考慮進行下一步數(shù)學理論分析。

⑶ 給出數(shù)學模型，從視覺分析上升到理論模型

在上述討論、分析的基礎上，首先肯定學生的分析成果，說明腐蝕的原理，然后給出腐蝕的數(shù)學定義：

通過上述對圖像的視覺觀察和討論分析，學生已經(jīng)把腐蝕的概念和應用原理基本消化，對于腐蝕概念和相應的數(shù)學定義，已不會產(chǎn)生抵觸情緒，進而接受了原本枯燥的數(shù)學公式，實現(xiàn)了從感知到理論的提升，加強了學生的理論分析能力。

為了進一步鞏固上課效果，讓學生在理論模型和程序中建立關聯(lián)。最后，給出部分實現(xiàn)代碼，讓學生明白，只要理解了原理，模型很容易設計與實現(xiàn)。

3 教學效果分析

為了驗證啟發(fā)式的多視圖立體教學模型多視圖教學效果分析，我們從課程考試和學生校外科技立項等方面進行了跟蹤分析。在課程考試方面，進行了考試改革，要求每個學生獨立完成一個圖像處理相關的工程案例，要求提交算法分析報告、程序結(jié)構(gòu)、源代碼。還要求進行現(xiàn)場演示，老師任意抽取其中一段代碼，要求學生回答設計思想以及功能。這種考核方法，能夠把教學效果實實在在地體現(xiàn)出來。也能夠充分發(fā)揮學生的主動性。部分學生完成的成果是：覆蓋了人臉檢測、車牌檢測、圖像風格化處理等各個領域。部分學生作品如圖3所示。

為了進一步驗證教學方式所產(chǎn)生的效益，我們對學生課外競賽情況進行了跟蹤分析。有相當比例的學生在課程教學結(jié)束后，以圖像處理相關技術(shù)設計課外科技作品，參與校運河杯比賽，得到了校二等獎、三等獎的好成績。

4 結(jié)束語

啟發(fā)式的多視圖立體教學模型充分發(fā)揮信息表達的多樣性和豐富性，并融入討論式教學方法，激發(fā)學生學習和設計的興趣，提高學生獨立設計的能力。這種教學模型，將抽象的理論知識通過可視化模型表達出來，非常適合圖像處理等視覺特征非常明顯的課程教學。通過該教學方法，啟發(fā)學生思維，逐步培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，取得了好的效果。此外，這種模型從實際工程項目中提取出來，能夠使學生掌握項目開發(fā)的技能，培養(yǎng)學生的實際項目開發(fā)能力。在下一步研究中，我們將考慮進一步深化圖像分析工程案例，并結(jié)合課外科技競賽探討實踐教學，進一步提高學生的分析和設計能力。

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