李亞楠 王海暉 劉黎志

[摘 要] 針對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀與“新工科”專業(yè)人才培養(yǎng)不匹配的問題，分析數(shù)字圖像處理課程的特點，提出了基于PBL模式的課程教學(xué)優(yōu)化措施。在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式的同時，強(qiáng)調(diào)采用問題驅(qū)動法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，使其逐漸形成觀察、思考和解決有關(guān)理論和實踐問題的能力。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字圖像處理;PBL模式;新工科;教學(xué)改革

[基金項目] 2017年度湖北省高等教育教學(xué)改革研究項目“新工科視域下的計算機(jī)類專業(yè)建設(shè)及工程型人才培養(yǎng)的研究與實踐”（2017323）

[作者簡介] 李亞楠（1990—），女，遼寧大連人，工學(xué)博士，武漢工程大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事計算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理、模式識別等研究;王海暉（通信作者）（1969—），男，河北石家莊人，工學(xué)博士，武漢工程大學(xué)教務(wù)處處長，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)字圖像處理、計算機(jī)視覺、人工智能理論與應(yīng)用、智能計算等研究;劉黎志（1973—），男，湖北武漢人，工學(xué)碩士，武漢工程大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教研室主任，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事云計算、大數(shù)據(jù)、集群環(huán)境下的機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)建模，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）36-0251-03 ? ?[收稿日期] 2019-12-22

近年來，人工智能相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展使其成為推動新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要驅(qū)動力之一，而隨之帶來的巨大人才缺口也逐漸成為高校相關(guān)專業(yè)亟待解決的問題。在“新工科”背景下，如何以“新模式”讓學(xué)生了解并掌握“新技術(shù)”，從而為人工智能等新行業(yè)培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的專業(yè)人才，是高校相關(guān)學(xué)科教師教學(xué)過程中關(guān)注的焦點。

數(shù)字圖像處理作為信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，既是學(xué)生了解人工智能、計算機(jī)視覺等領(lǐng)域的敲門磚和奠基石，又可作為學(xué)生深入學(xué)習(xí)的研究方向，具有知識點豐富、概念理解難、技術(shù)發(fā)展迅速等特點，其相關(guān)技術(shù)在很多領(lǐng)域都具有重要作用。筆者從提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的角度出發(fā)，通過分析數(shù)字圖像處理課程特點與現(xiàn)狀，了解PBL模式的主要內(nèi)涵，闡述數(shù)字圖像處理課程教學(xué)優(yōu)化的策略及具體改進(jìn)措施，以達(dá)到幫助學(xué)生深入理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建知識體系，增強(qiáng)分析解決問題能力的目的。

一、數(shù)字圖像處理課程的特點與現(xiàn)狀分析

數(shù)字圖像處理是近幾年來信息處理技術(shù)中發(fā)展最快且應(yīng)用范圍最廣的課程，呈現(xiàn)出良好的就業(yè)前景。起初學(xué)生會受課程前景優(yōu)勢或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對“美圖”原理好奇心的驅(qū)使，容易對本門課程抱有期待和興趣，但在學(xué)習(xí)過程中，多數(shù)學(xué)生往往受困于復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和概念，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興致消退。

對于課程教材，國內(nèi)高校主要選用岡薩雷斯教授編纂的數(shù)字圖像處理[2]系列，內(nèi)容豐富且理論論證清晰。然而，隨著計算機(jī)視覺及人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，教材中介紹的基本算法和理論已無法滿足實際應(yīng)用需求。此外，在實際教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)，雖然教材內(nèi)容涉獵較多，但章節(jié)之間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，若完全依賴教材章節(jié)安排授課，難以讓學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)性的知識體系[3]。

考核是檢驗教與學(xué)的效果，反思教學(xué)過程和教學(xué)方法的重要手段，不同的考核方式也會相應(yīng)地指導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程考核多采用期末閉卷考試與平時考勤、作業(yè)及實驗報告相結(jié)合的方式，忽視了對學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作、知識遷移水平的客觀評價，致使部分學(xué)生不主動思考，僅僅為了應(yīng)付考試，自身能力難以得到真正的鍛煉。

此外，在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，對問題的求解通常需要在夯實的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行實踐操作。目前的教學(xué)模式仍然以理論教學(xué)為主，并未強(qiáng)調(diào)對學(xué)生開放性思維進(jìn)行鍛煉，“重理論、輕實踐”，在面對實際的圖像處理問題時，學(xué)生往往束手無策，或者很難找到提高圖像質(zhì)量的最優(yōu)方案。

二、PBL模式概述

PBL（Problem/Project Based Learning）是基于問題或項目的學(xué)習(xí)，起源于美國的麥克馬斯特大學(xué)的醫(yī)學(xué)專業(yè)[4]。與傳統(tǒng)教學(xué)以教學(xué)內(nèi)容為出發(fā)點不同，PBL以問題為出發(fā)點，全部教學(xué)活動的組織和教學(xué)策略的選擇都是以問題為中心。PBL模仿了人類的學(xué)習(xí)發(fā)生機(jī)制，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)和解決問題，更能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和求知欲。

在PBL模式中，好的問題設(shè)計可以幫助學(xué)生更好地獲取和掌握課程知識，提升問題的解決能力，養(yǎng)成自我導(dǎo)向的學(xué)習(xí)習(xí)慣。因此，問題設(shè)計的有效性是PBL教學(xué)設(shè)計成敗的關(guān)鍵[5]。根據(jù)維果斯基的“最近發(fā)展區(qū)理論”，在實際教學(xué)過程中，教師應(yīng)設(shè)計與學(xué)生知識儲備和能力相匹配的問題，讓學(xué)生能夠“跳一跳，摘個桃”。此外，PBL教學(xué)可以擴(kuò)大信息來源，通過師生互動、查閱資料、團(tuán)隊協(xié)作、動手實踐等方式將教學(xué)空間從教室擴(kuò)展到無限的資源空間，開闊了視野，增加了思維的碰撞[6]。

三、基于PBL模式的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)優(yōu)化措施

結(jié)合數(shù)字圖像處理的教學(xué)現(xiàn)狀和PBL模式的特點，筆者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式三個方面提出了教學(xué)優(yōu)化措施。

1.課程教學(xué)內(nèi)容。雖然PBL模式能夠發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，但基礎(chǔ)知識的系統(tǒng)構(gòu)建是其基礎(chǔ)和理論前提。結(jié)合新工科背景下的教學(xué)目標(biāo)和實際學(xué)情，數(shù)字圖像處理課程的主要內(nèi)容包括：圖像及其表達(dá)與性質(zhì)、圖像預(yù)處理、圖像形態(tài)學(xué)變換、圖像數(shù)據(jù)壓縮、圖像分割、圖像處理工具的應(yīng)用，以及數(shù)字圖像處理的最新發(fā)展?fàn)顩r。

受課時限制，單純利用課堂時間和依靠書本教材并不能讓學(xué)生快速掌握學(xué)科基本理論知識，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果;因此，在具體設(shè)計理論內(nèi)容時，要充分考慮到行業(yè)技術(shù)快速發(fā)展帶來的影響，把人才培養(yǎng)的目標(biāo)向前瞻性轉(zhuǎn)變，至少要為學(xué)生畢業(yè)三到五年內(nèi)的職業(yè)成就做出相應(yīng)的規(guī)劃。在備課時，教師需要結(jié)合自身的專業(yè)知識及多渠道的資源，有選擇性地對課程大綱內(nèi)容進(jìn)行一定程度的分類和擴(kuò)展，并要做到逐年更新課件及講義。對于理論性較強(qiáng)、內(nèi)容關(guān)聯(lián)程度不高的章節(jié)，教師可以對要講解的內(nèi)容做一個當(dāng)前技術(shù)發(fā)展下的簡單分類，為學(xué)生構(gòu)建一個基本的知識框架。例如對于圖像分割這一章，圖像分割方法可以分為傳統(tǒng)的圖像分割方法和基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割方法。在本科階段，對于重點講授的傳統(tǒng)圖像分割方法可再進(jìn)行細(xì)分，如基于閾值、邊緣、區(qū)域、聚類等分割方法。

此外，對于教學(xué)大綱中章節(jié)對應(yīng)的固定課時安排，在實際課程教學(xué)中可以根據(jù)學(xué)生對知識的掌握情況進(jìn)行靈活調(diào)整和安排。

2.教學(xué)手段。在教學(xué)過程中，要根據(jù)數(shù)字圖像處理課程具體的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)綜合運用適合的教學(xué)方法和手段，做到教學(xué)相長。針對本門課程難度較高、更新?lián)Q代快、學(xué)生入門難以及理論與實踐結(jié)合程度高的特點，可采用PBL模式教學(xué)方法實現(xiàn)課堂由“單向注入式知識傳授”向“互動式研究型能力培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變。

經(jīng)典的PBL模式源于醫(yī)學(xué)教學(xué)，由組織學(xué)習(xí)小組、創(chuàng)設(shè)問題、執(zhí)行問題、成果展示和反思評價組成，在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用基本是此基本模式的變形。對于數(shù)字圖像處理這一門融合了計算機(jī)編程、數(shù)學(xué)分析等知識的課程，從主流理論算法論述到軟件的實際運用，都具有極強(qiáng)的理論性和實操性。在實際教學(xué)過程中，應(yīng)該在構(gòu)建理論知識、教師積極引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生在實際應(yīng)用場景中，以解決具有創(chuàng)造性的綜合問題為出發(fā)點，通過主動學(xué)習(xí)、組內(nèi)協(xié)作、組間交流掌握專業(yè)知識，做到舉一反三、拓展思維，以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

由于數(shù)字圖像處理課程綜合性較強(qiáng)，一題多解的現(xiàn)象較多，因此在設(shè)計和應(yīng)用PBL模式時采用重難點全覆蓋、方案開放式的問題情境創(chuàng)設(shè)方法，在減輕學(xué)生畏難情緒的同時，開拓問題解決的思路。因此，筆者將基于PBL模式的教學(xué)流程具體分為創(chuàng)設(shè)問題情境、組織學(xué)習(xí)小組、認(rèn)識分析解決問題、成果展示、交流與評價及反思與總結(jié)（如圖1所示。在整個教學(xué)過程活動中，教師是監(jiān)管者和引導(dǎo)者，在分析教學(xué)內(nèi)容和全程提供教學(xué)指導(dǎo)、資源支持的同時，積極引導(dǎo)學(xué)生分組實現(xiàn)一題多解和交流反思。學(xué)生則是執(zhí)行者和創(chuàng)造者，在創(chuàng)設(shè)問題情境時可以投入自身的想法和觀點，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和潛能，并根據(jù)興趣組建小組，利用線上線下資源完成問題的分析和解決方案，在成果展示中宣講獲得的知識技能，在交流與反思中對成果進(jìn)行正確評估，最后對已有方案進(jìn)行優(yōu)化和多渠道求解。

3.考核方式。目前數(shù)字圖像處理課程的考核方法一般包括由作業(yè)、實驗報告組成的平時成績考核和卷面期末考核。這種評價方法卷面期末成績所占比例較高，缺乏對過程性考核的重視，也難以準(zhǔn)確評定學(xué)生在團(tuán)隊中的貢獻(xiàn)及有效作用。因此，針對課程特點和教學(xué)實施要求，可以采用個人與團(tuán)隊考核相結(jié)合、教師與學(xué)生互評相結(jié)合的方式，增加過程性考核的比重及有效性。具體而言，課堂的講解內(nèi)容通過作業(yè)形式完成，由教師測定，主要考查學(xué)生在階段性學(xué)習(xí)過程中對基本知識的掌握情況，成績計入總成績的20%;問題的實驗報告及匯報由學(xué)生組內(nèi)互評、組間互評和教師共同測定，主要考查學(xué)生能否在團(tuán)隊協(xié)作中利用所學(xué)的知識對問題進(jìn)行正確的求解，成績計入總成績的40%;期末考試主要考查學(xué)生對基本概念的理解、重點知識的運用等，應(yīng)該增加一些開放性或一題多解的問題，由教師測定，成績計入總成績的40%。

四、結(jié)語

為了提高新工科背景下圖像處理相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的核心競爭力，筆者在分析現(xiàn)有課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于PBL模式的課程教學(xué)優(yōu)化措施。這種新模式的應(yīng)用能夠打破書本理論知識與實際應(yīng)用需求之間的掣肘，充分調(diào)動學(xué)生的內(nèi)在動力，大大提升教學(xué)效果，著重鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作解決問題的能力，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)設(shè)計提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

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