胡 蓉 鄧雄昌

（1.湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199；2.湖南科技學(xué)院 信息與網(wǎng)絡(luò)中心，湖南 永州 425199）

隨著人工智能、機(jī)器人、無人駕駛等新一代信息技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺越來越重要。“數(shù)字圖像處理”課程是計(jì)算機(jī)視覺的基礎(chǔ)課程，該課程是一門專業(yè)選修課，其綜合性強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)和編程方面的要求較高，學(xué)習(xí)內(nèi)容較廣泛?！皵?shù)字圖像處理”課程是以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，在講解數(shù)字圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)理論及算法原理的同時(shí)，特別注意如何用MATLAB 軟件編程實(shí)現(xiàn)一些圖像處理的算法，使學(xué)生掌握?qǐng)D像處理的理論和方法，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。

1 “數(shù)字圖像處理”課程線下線上教學(xué)模式存在的問題

1.1 線下教學(xué)模式存在的問題

在以往的教學(xué)中主要采取單一的線下教學(xué)模式，這樣的教學(xué)模式有利于教師對(duì)課堂紀(jì)律的管理，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行督促，“面對(duì)面”的教學(xué)也能夠增進(jìn)師生之間的情誼，促進(jìn)交流。但是該傳統(tǒng)的教學(xué)模式仍存在以下主要問題。

1.1.1 課時(shí)與教學(xué)內(nèi)容之間存在矛盾

“數(shù)字圖像處理”課程在許多高校的專業(yè)中屬于選修課，一般課時(shí)不多，以湖南科技學(xué)院通信工程專業(yè)為例，理論和實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)為48。該門課程所涉及到的內(nèi)容非常廣泛，主要包括人類視覺感知系統(tǒng)、圖像獲取與數(shù)字化、圖像基本運(yùn)算、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼、圖像分割、彩色圖像處理、圖像表示與描述等原理和技術(shù)方法[1]。一般有7～8 章的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)也需要完成。內(nèi)容多，課時(shí)少，單純依靠在課堂教學(xué)中較好地完成教學(xué)存在一定難度。由于課時(shí)與內(nèi)容之間的矛盾，為了完成教學(xué)內(nèi)容，在課堂中給學(xué)生討論和發(fā)言的時(shí)間相對(duì)比較少，個(gè)別學(xué)生存在一些疑問也只能課后與老師進(jìn)行交流討論，而往往學(xué)生課后不太愿意主動(dòng)來找老師解答，所以造成課堂教學(xué)效果不佳，學(xué)生的課堂積極性也會(huì)逐漸下降，忽略了學(xué)生的自主性和各方面能力的培養(yǎng)。

1.1.2 課堂學(xué)習(xí)深度不夠

由于課時(shí)關(guān)系，以往在選取教材時(shí)，只能盡量地選取內(nèi)容涵蓋廣，但是深度較淺的教材，或者篩選較重要的內(nèi)容來講授。這就造成了學(xué)生學(xué)完后感覺到什么都學(xué)了點(diǎn)，但是什么都不會(huì)用，特別是一些相關(guān)的算法，由于學(xué)習(xí)和分析不夠深入，使得在編程和實(shí)際的應(yīng)用中很是吃力。同時(shí)，理論課是在教室完成，在理論課堂中對(duì)于一些算法并不能在課堂中通過編程來很好地觀察其處理效果，而實(shí)驗(yàn)課是在機(jī)房進(jìn)行操作，理論學(xué)習(xí)后不一定能夠立馬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)理論課與實(shí)驗(yàn)課有所脫節(jié)和斷層，未能達(dá)到很理想的效果[2]。

1.2 線上教學(xué)模式存在的問題

由于疫情影響，為了保證學(xué)生停課不停學(xué)，2020 年上期通信工程專業(yè)2017 級(jí)的“數(shù)字圖像處理”課程采用的是單一的線上教學(xué)模式。它不僅解決了課時(shí)與教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾，也能夠很好地將理論與實(shí)際操作緊密結(jié)合起來。但是單純的線上教學(xué)也存在一定的弊端。第一，對(duì)學(xué)生端聽課情況不好把握。雖然進(jìn)行嚴(yán)格的簽到和考勤，但是在線上教學(xué)過程中，互動(dòng)的人數(shù)仍然較少，可能存在著掛機(jī)現(xiàn)象，對(duì)課堂紀(jì)律難以把控。第二，少數(shù)部分學(xué)生對(duì)于發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)存在刷課現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生的知識(shí)掌握程度也難以把握。第三，在上課的過程中，部分學(xué)生沒有電腦，部分學(xué)生習(xí)慣用手機(jī)來聽課，導(dǎo)致教師雖然認(rèn)真?zhèn)湔n和進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，但是學(xué)生存在敷衍現(xiàn)象，不愿意一起進(jìn)行編程操作。所以，單純的線上教學(xué)模式也是有利有弊的。

本文針對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程提出一種基于線上線下的混合式教學(xué)模式，盡可能地解決單一的教學(xué)模式存在的不足，充分利用線上和線下各自的優(yōu)勢(shì)。教學(xué)中以線下為主，通過“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)線上資源對(duì)線下的課程進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充。

2 線上線下混合式教學(xué)模式的研究與實(shí)踐

2.1 線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建及運(yùn)用

為了能夠更好地輔助“數(shù)字圖像處理”課程線下課堂教學(xué)，以“學(xué)習(xí)通”為平臺(tái)，搭建好本課程的教學(xué)網(wǎng)站，并不斷地完善各模塊和內(nèi)容。課程門戶主要包括課程介紹、課程章節(jié)、教師團(tuán)隊(duì)、教學(xué)資源、教學(xué)文檔、參考教材以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)。課程網(wǎng)站如圖1 所示。

圖1 “數(shù)字圖像處理”課程網(wǎng)站

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的運(yùn)用主要包括課前、課中和課后三大部分。課前，教師通過備教材將教學(xué)內(nèi)容碎片化，每個(gè)章節(jié)根據(jù)知識(shí)內(nèi)容分為很多個(gè)小節(jié)，并強(qiáng)調(diào)每個(gè)章節(jié)的重難點(diǎn)部分，認(rèn)真做好PPT、錄制視頻和章節(jié)測(cè)試等。針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的相關(guān)圖例，教師在視頻中會(huì)根據(jù)相應(yīng)算法通過MATLAB 編程演示其效果，并將源代碼放入資料庫，可供學(xué)生參考，輔助學(xué)生課后自覺進(jìn)行編程練習(xí)。通過發(fā)布任務(wù)的方式要求學(xué)生在課前完成預(yù)習(xí)，提高學(xué)習(xí)自主性，也降低了線下課堂教學(xué)的難度。對(duì)于一些重難點(diǎn)部分設(shè)置問題情境發(fā)布討論，讓學(xué)生積極參與進(jìn)來，提高學(xué)習(xí)氛圍。課堂教學(xué)中，利用線上平臺(tái)進(jìn)行考勤，并結(jié)合大家課前預(yù)習(xí)和討論的情況，對(duì)問題作進(jìn)一步的討論和總結(jié)。同時(shí)，還可以通過投屏的方式讓大家能夠直觀地看到討論區(qū)評(píng)論，也可以利用“學(xué)習(xí)通”在課堂中進(jìn)行測(cè)試和答題等，增強(qiáng)課堂互動(dòng)，讓大家踴躍發(fā)言，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)和理解更加深入。課后，教師利用公告發(fā)布相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)，在討論模塊發(fā)布討論內(nèi)容，對(duì)完成的章節(jié)要求進(jìn)行章節(jié)測(cè)試，在作業(yè)區(qū)布置相關(guān)作業(yè)，學(xué)生可以在線上完成。

以第六章“形態(tài)學(xué)處理”為例，教師會(huì)提前在“學(xué)習(xí)通”中發(fā)布通知，要求提前觀看線上視頻和PPT，初步對(duì)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算的原理和應(yīng)用有所了解。針對(duì)形態(tài)學(xué)運(yùn)算的應(yīng)用，在討論區(qū)發(fā)布討論話題（例如，如何去掉兩個(gè)矩形區(qū)域的中間連線，使其變?yōu)閮蓚€(gè)區(qū)域？），充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。課堂教學(xué)中，教師根據(jù)學(xué)生自學(xué)情況，對(duì)形態(tài)學(xué)中的4 種重要運(yùn)算（腐蝕、膨脹、開運(yùn)算和閉運(yùn)算）的原理進(jìn)行深入講解，并通過案例進(jìn)行編程，分析和總結(jié)其應(yīng)用。學(xué)生在較好地掌握4 種基本運(yùn)算原理后結(jié)合討論區(qū)問題進(jìn)行研討分析，并利用預(yù)先錄制好的編程視頻向?qū)W生演示，讓學(xué)生能夠直觀地觀察其處理效果。課后，教師將教學(xué)資源上傳并發(fā)布下一個(gè)通知等。各線上教學(xué)活動(dòng)如圖2 所示。

圖2 “數(shù)字圖像處理”課程線上教學(xué)活動(dòng)

圖2（續(xù)）

2.2 線下課堂教學(xué)的組織

2.2.1 教學(xué)內(nèi)容的選取

通過結(jié)合線上教學(xué)，可以有效地解決課時(shí)和教學(xué)內(nèi)容之間的矛盾。在教材選取方面，可以選取內(nèi)容更深的教材。選用何東健主編的《數(shù)字圖像處理（第三版）》“十二五”本科國家級(jí)規(guī)劃教材。雖然所授內(nèi)容涉及到8 章，但是對(duì)于一些小節(jié)，學(xué)生可以通過教師提前準(zhǔn)備好的PPT 和視頻進(jìn)行自學(xué)，對(duì)于存在的問題也可以在線上和線下參與互動(dòng)。在線下的課堂教學(xué)中對(duì)于部分知識(shí)會(huì)講解比較快速，主要解決學(xué)生自學(xué)中常遇到的問題，講授每章節(jié)的重難點(diǎn)內(nèi)容，并對(duì)一些結(jié)論性的內(nèi)容讓學(xué)生積極參與討論，使其理解更加深刻、透徹。所以，可以使學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容不僅有廣度，而且有深度，同時(shí)，也能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性。

2.2.2 課堂教學(xué)的組織

采用線上線下混合式教學(xué)需要教師花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，如果線下內(nèi)容和線上學(xué)生預(yù)習(xí)的內(nèi)容完全一致，那么線下的課堂將會(huì)比較機(jī)械、乏味。線下課堂也分為三大部分組織教學(xué)：課前、課中和課后。課前教師認(rèn)真分析教材，篩選知識(shí)點(diǎn)，分清重難點(diǎn)，并結(jié)合線上學(xué)生學(xué)習(xí)情況選取線下教學(xué)內(nèi)容并進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。由于學(xué)生在線上已經(jīng)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，課堂中對(duì)于一些重難點(diǎn)可以采用研討式教學(xué)。課前由教師在“學(xué)習(xí)通”發(fā)布任務(wù)（例如第三章圖像增強(qiáng)設(shè)置研討專題：針對(duì)原圖像重要目標(biāo)區(qū)域偏亮或者偏暗，整幅圖像偏亮或者偏暗，如何在第三章中選取合適的算法進(jìn)行增強(qiáng)處理？），由學(xué)生分組來完成。課中，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，針對(duì)問題分組進(jìn)行研討，最后教師進(jìn)行總結(jié)。同時(shí)，在此過程中可以結(jié)合“學(xué)習(xí)通”進(jìn)行相應(yīng)的一些小測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。也可以通過投屏的方式，將學(xué)生在“學(xué)習(xí)通”討論區(qū)的發(fā)言和問題在班上進(jìn)行討論，提高課堂整體的學(xué)習(xí)氛圍，做到有問題及時(shí)解決，知識(shí)及時(shí)消化吸收。課后，根據(jù)課堂學(xué)習(xí)情況，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)策略。

利用線上教學(xué)平臺(tái)，教師在錄制的學(xué)習(xí)視頻中會(huì)進(jìn)行相關(guān)算法的編程講解，可以直觀地看出其處理效果，給學(xué)生的編程操作打下一定的基礎(chǔ)。所以，在線下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，盡可能多地開設(shè)綜合、設(shè)計(jì)和工程類實(shí)驗(yàn)，將所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)地運(yùn)用起來，能夠解決實(shí)際的圖像處理問題，做到學(xué)以致用。例如，第三至五章分別涉及圖像的高低頻濾波和幾何變換。采用混合式教學(xué)模式后，在錄制的視頻中已有這三章的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)案例，所以實(shí)驗(yàn)課中可將此三章實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)（例如，愛因斯坦一秒變夢(mèng)露之謎）。其中需要運(yùn)用和選取合適的高低頻濾波算法，也需要對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的幾何變換操作，將第三至五章的知識(shí)有效地結(jié)合并運(yùn)用，提高學(xué)生的編程能力。

2.3 課程考核

課程考核以考查形式進(jìn)行，充分利用“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)，采取線上考核方式[3]。具體的考核比例如表1 所示。

表1 考核比例分配（百分制） 單位：%

3 結(jié) 語

本文針對(duì)“數(shù)字圖像處理”課程，分析了單一的線上、線下教學(xué)模式的利弊，提出一種線上線下混合式教學(xué)方案。雖然已對(duì)該方案進(jìn)行深入地研究，但在后續(xù)的教學(xué)改革中，仍有許多地方需要改進(jìn)和完善。例如，教師科研水平的提高以及在線下教學(xué)中應(yīng)盡可能地結(jié)合一些項(xiàng)目來進(jìn)行，這樣更加符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。