郭琳琴，楊 艷

(呂梁學院 數(shù)學系，山西 呂梁 033001)

0 引 言

圖像是人們進行信息交流的重要渠道，人類從自然界獲得的信息總量的80%是圖像，圖像所提供信息的直觀感受是文字和聲音無法比擬的。近年來，隨著各類數(shù)字設備的普及化，對數(shù)字圖像處理的要求越來越廣泛，為了適應這一社會需求，國內(nèi)的許多高校開設了數(shù)字圖像處理相關課程。

《數(shù)字圖像處理數(shù)學方法》是信息與計算科學專業(yè)的專業(yè)拓展課程，其主要內(nèi)容包括數(shù)字圖像基礎、圖像增強、圖像復原、圖像分割、形態(tài)學圖像處理、圖像壓縮等。該課程理論算法內(nèi)容涉及到的知識面較廣，教學內(nèi)容具有較強的工程實踐性，并且在教學中需要突出專業(yè)拓展的特點。

在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，在有限的課時容量下，按照傳統(tǒng)的方式組織教學，學生會感到課程內(nèi)容晦澀難懂，枯燥乏味，尤其是涉及較多高等數(shù)學知識的算法，使得學生的學習熱情不高，同時也使得教學缺乏綜合創(chuàng)新思維能力的訓練，導致學生面對具體應用問題時無從下手。

目前也有許多教師在這方面進行了有益探索，趙潔等[1-2]將科研應用實際和具有工程實踐背景的案例引入到實驗教學中，趙毅力[3]提出一種基于ImageJ平臺的數(shù)字圖像處理案例教學方案。

筆者在借鑒及同行其他專家的教學經(jīng)驗基礎上提出“基礎案例-討論-案例提升”的理論教學方式，與已有的方法相比，這種方式將理論與實驗教學聯(lián)系更加緊密，課堂的討論更利于理論算法的理解和創(chuàng)新思維的激發(fā)，課后的提升也能夠提高學生的編程動手能力。[4-5]

1 案例教學的構建與組織

1.1 構建案例教學的目的

為了在教學內(nèi)容和教學方法上進行改革，增強學生解決實際問題的能力,筆者在教學中引入案例教學法。

由于案例教學是以培養(yǎng)學生實踐能力、加深學生理論認識為目的，因此課程的組織需要將理論與實踐過程緊密地聯(lián)系起來，即以實驗案例的課堂演示引入理論授課內(nèi)容，而不拘泥于某本固定教材，使學生切實感受到圖像處理的實用價值，充分激發(fā)學生學習本課程的興趣。在案例的選擇上不僅要考慮課程經(jīng)典案例，也要結合教師的科研方向，設計較為前沿的案例，讓學生在掌握基本理論的基礎上接觸到實際的應用和學科發(fā)展的前沿的應用。同時在教學中重視實驗案例中MATLAB核心程序代碼的講解，借助案例學習培養(yǎng)學生自主編寫調(diào)試程序的能力，應用實例鞏固所學理論知識,加深學生對抽象理論知識的理解和感性認識。

由于案例教學不同于課堂講授只有教師對學生的單向交流，它的交流應該是多元的、多方向的，因此課堂對案例的討論是不可少的，這樣就使得教師對學生、學生對教師、學生對學生以及學生對自己的多維信息交互可以活躍起來，從而學生的知識來源要更加廣泛、更加容易觸發(fā)創(chuàng)新思維。

1.2 案例教學組織過程

在課程教學過程中分三個階段，課前準備、課堂討論、課后提升。

課前準備階段，教師需要開發(fā)或熟悉案例，并將經(jīng)典案例的算法原理、算法實現(xiàn)代碼等提供給學生，并就這些內(nèi)容的討論預測學生可能的觀點，如學生可能遇到什么困惑，提出什么問題，發(fā)表什么見解，如果討論一旦偏離主題該怎么合理引導等。學生的課前準備就是認真研讀教師提供的案例信息，并結合教材盡量弄懂案例的原理和實現(xiàn)，進而思考形成自己的認識。

課堂上以數(shù)字圖像處理的典型案例為依托，教師完整講述基本理論和案例實現(xiàn)，學生參與案例教學中的討論過程，從各種角度來分析和思考案例可改進的地方，并提出自己的改進方法和路線，教師在該過程中起到引導、推進的作用。

課后安排學生完成拓展案例，學生以小組為單位對案例依據(jù)課堂討論中激發(fā)的思想進行實驗設計和問題解決，并編寫數(shù)字圖像處理代碼，對所得實驗結果進行觀察和分析，從而完成案例提升過程。

2 案例教學的設計及實施

以圖像線性空間平滑濾波為例展示教學設計及實施過程。

2.1 基礎案例及討論

2.1.1 課前準備

線性空間平滑濾波是使用掩模對圖像進行二維卷積操作。用于減少噪聲的平滑濾波掩模系數(shù)一般都為正數(shù)。課前教師將線性空間平滑濾波的原理和掩模操作方式以PPT的方式給學生預習?？紤]到中心點對其濾波影響的程度和計算量的問題，代碼中掩模給定的是3×3大小的三個掩模。學生預習要求達到理解掩模的作用、熟悉二維卷積運算過程及思考圖像矩陣邊界怎么處理。

2.1.2 掩模操作的過程

創(chuàng)建掩膜，并將掩模中心與某像素重合，此時將掩模系數(shù)與模板下對應像素相乘結果相加，此時就得到該像素平滑濾波的結果。將掩模漫游過整個圖像，則得到圖像的濾波結果。

算術平均濾波是對窗口內(nèi)的像素值進行加權算術平均的操作。

源代碼：

clear;

f=imread('lena1.bmp');

subplot(2,2,1);imshow(f);title('原圖');

f=double(f);

g1=f;g2=f;g3=f;

h1=[1/8 1/8 1/8;1/8 0 1/8;1/8 1/8 1/8];%掩模1

h2=[1/9 1/9 1/9;1/9 01/9 1/9;1/9 1/9 1/9];%掩模2

h3=[1/10 1/10 1/10;1/10 1/5 1/10;1/10 1/10 1/10];%掩模3

g1=f;g2=f;g3=f;

[m,n]=size(f);

for i=2:m-1

for j=2:n-1

fxy=f(i-1:i+1,j-1:j+1);

g1(i,j)=sum(sum(fxy.*h1));

g2(i,j)=sum(sum(fxy.*h2));

g3(i,j)=sum(sum(fxy.*h3));

end

end

subplot(2,2,2);imshow(uint8(g1));title('掩模1結果');

subplot(2,2,3);imshow(uint8(g2));title('掩模2結果');

subplot(2,2,4);imshow(uint8(g3));title('掩模3結果');

2.1.3 課堂引導激發(fā)

一堂課的開始部分至關重要，這是吸引學生學習興趣、調(diào)動學生學習積極性的關鍵時間段，而情景導入是在課堂的開始部分引入知識點的關鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)實生活中手機美圖是學生自拍中經(jīng)常使用的工具，學生非常熟悉，因此選擇其作為授課導入能夠吸引學生的興趣，并圍繞美圖軟件如何使照片中人物皮膚光滑提出問題，從而引導學生帶著問題來開始學習課程的學習。課堂上對掩模運算進行講解，并就掩模操作的過程與MATLAB程序段相對應，然后讀入256×256大小的lena圖運行程序，對運行結果進行分析。結果發(fā)現(xiàn)對于泊松噪聲和椒鹽噪聲這三種掩模的平滑效果類似，但在平滑濾波的同時圖像的邊緣也有細微的模糊。

在基本內(nèi)容得到熟悉后教師拋出問題或引導學生提出問題，如圖像四周邊界的處理方法該怎么做？掩模的大小和形狀是固定的么？大小和形狀可以如何改變？圖像像素各相鄰位置對其中心像素的影響程度一致么？掩模可否為負數(shù)？從而展開課堂討論過程。

2.2 案例拓展

課后提升：學生就課堂討論的一系列信息，各自選擇感興趣的方向進行案例改造。以下是幾個較有代表性的改造結果：

學生給出了圓形掩模的實驗運行結果，發(fā)現(xiàn)圓形掩模同樣可以起到一定的平滑作用，平滑結果和均值掩模差不多，但是計算量有些大。另外由于沒有對圖像四周邊界兩圈的像素處理，因此圖像四周邊界有明顯的痕跡。

學生給出了3×5方向性小數(shù)值的掩模程序，實驗結果發(fā)現(xiàn)與課堂上給出的平滑結果相比斜向紋理保留較好，從而得出有方向性的掩模在平滑中可有效降低對掩模運算對圖像紋理的損失這一結論。

學生將掩模為負數(shù)的實驗運行結果給出后發(fā)現(xiàn)，有負數(shù)的掩模不僅對圖像沒有起到平滑作用，反而使得噪聲更加明顯了。

在該案例教學中，教師通過對平滑濾波原理的介紹和掩模的運算，從實驗運行結果中創(chuàng)設一系列問題，引導學生積極思考并討論問題、歸納總結評價學生回答情況，使課堂討論過程熱烈。由教師給出全面合理的總結并留有探索的余地，使得學生深刻理解濾波原理和掩模運算過程，并在課后主動開展深入的研究和實踐，提升學習應用能力，激發(fā)學生對數(shù)字圖像處理的學習興趣。

3 課程改革的教學效果總結

經(jīng)過教學改革實踐，發(fā)現(xiàn)這樣的教學比傳統(tǒng)的教學方式有一定較明顯的優(yōu)勢，由案例引導對理論的學習，提高了學生的興趣，討論參與的方式讓學生點滴的認識得到認可，增加了學習的主動性，課后的案例拓展激發(fā)了學生的求知欲，討論過程和課后提升案例實驗結果激發(fā)了學生創(chuàng)新思維。同時這樣的教學方式也給教師和學生帶來了更多的挑戰(zhàn)和更高的要求，由于案例討論中的不確定性因素，就要求授課教師有扎實的專業(yè)功底和豐富的該方向的工作經(jīng)驗，教師需要付出的時間和勞動更多。

在教學中我們還發(fā)現(xiàn)了一些問題，學生長期接受傳統(tǒng)的講授法教學模式，剛開始難于適應勤于思考、勇躍發(fā)言探討的案例教學模式，導致參與的積極性不高；到課程進行到一半左右才實現(xiàn)了學生從被動提問到主動參與討論的過程，課堂適應期較長。另外，由于課堂討論的引導和創(chuàng)新思維的激發(fā)還不夠，使得學生分析問題、解決問題的能力還有待提高。

4 結 語

通過對《數(shù)字圖像處理數(shù)學方法》課程進行“案例教學”的課程改革的實踐，提出了以“基礎案例-案例討論-拓展案例”為主的教學方式，重視學生學習興趣，以培養(yǎng)主動學習和和提高創(chuàng)新能力為目標的學習，教學實踐表明，這一教學改革的嘗試對提高本課程教學質(zhì)量、貼合課程目標大有幫助。