翁 鳴， 陳慰來，王金鳳

(浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院)， 浙江 杭州 310018)

數(shù)字圖像處理技術(shù)是采用計算機程序和算法對數(shù)字圖像進行計算處理，以獲得改善圖像、目標特征值或?qū)崿F(xiàn)目標自動識別的技術(shù)[1]。在紡織工業(yè)中，圖像處理技術(shù)是先進自動化紡織加工機械和檢測設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于紡織品設(shè)計、加工、檢測和評價等領(lǐng)域[2-3]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其與制造業(yè)的深度融合，紡織生產(chǎn)鏈向自動化、數(shù)字化和智能化方向迅速發(fā)展，圖像處理技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[4-5]。因此，為紡織工程專業(yè)本科生開設(shè)“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程順應(yīng)紡織行業(yè)的發(fā)展趨勢，符合社會對現(xiàn)代紡織專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。根據(jù)我校(浙江理工大學(xué))紡織工程專業(yè)本科生人才培養(yǎng)方案，“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”設(shè)置為專業(yè)選修課，32學(xué)時，在第7學(xué)期開設(shè)，此時學(xué)生已掌握了紡織專業(yè)基礎(chǔ)知識，具備課程所要求的紡織技術(shù)背景。由于圖像處理技術(shù)內(nèi)容多、范圍廣，紡織工程專業(yè)本科生的計算機編程能力和計算機應(yīng)用能力較弱，要使學(xué)生在有限的時間內(nèi)完成圖像處理技術(shù)的學(xué)習(xí)并應(yīng)用于解決實際工程問題，教學(xué)難度較大。為此，我們遵循工程教育專業(yè)認證的教學(xué)理念，從課程體系、教學(xué)方法、考核方式等方面對該課程進行改革和實踐，取得了良好的教學(xué)效果。

一、 課程體系建設(shè)

1. 課程教學(xué)目標

根據(jù)我校紡織工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程所支撐的畢業(yè)要求指標點，將“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程教學(xué)目標設(shè)定為：

(1) 使學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，掌握常用計算機圖像處理技術(shù)的基本原理及MATLAB函數(shù)，了解圖像處理技術(shù)在紡織品設(shè)計、加工、檢測和評價中的應(yīng)用以及在紡織工業(yè)自動化和數(shù)字化中的作用。

(2) 使學(xué)生熟練掌握MATLAB軟件的操作和編程，能夠采用MATLAB編程實現(xiàn)常用的數(shù)字圖像處理技術(shù)，能夠綜合運用圖像處理技術(shù)、計算機編程技術(shù)和紡織專業(yè)知識解決紡織工程中的實際問題。

(3) 使學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題以及自主學(xué)習(xí)、溝通交流和創(chuàng)新能力。

2. 教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)課程目標，將“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置為循序漸進的三個知識單元：

(1) 知識單元1——MATLAB編程基礎(chǔ)。主要介紹MATLAB軟件及其基本語法和編程方法，包括MATLAB軟件的安裝、構(gòu)成與操作，MATLAB的幫助系統(tǒng)，數(shù)據(jù)類型，運算符與操作符，常量與變量，字符串，函數(shù)與表達式，數(shù)組與數(shù)組運算(數(shù)組的生成、元素調(diào)用、矩陣和矩陣元素的算術(shù)運算等)和程序結(jié)構(gòu)(如條件、循環(huán)語句等)等。

(2) 知識單元2——圖像處理技術(shù)及其MATLAB實現(xiàn)方法。主要介紹常用圖像處理技術(shù)的原理、對應(yīng)的MATLAB函數(shù)及其應(yīng)用方法，包括圖像輸入輸出、圖像類型轉(zhuǎn)換、圖像去噪、圖像增強、邊緣檢測、圖像分割、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、特征提取和模式識別等。

(3) 知識單元3——圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用。主要介紹圖像處理技術(shù)在紡織品設(shè)計、加工和檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用，包括圖像處理技術(shù)在纖維、紗線、機織物、針織物、非織造布等紡織品及其紡織制品的形態(tài)表征、質(zhì)量檢測和質(zhì)量評價以及紡織品設(shè)計中的應(yīng)用。

3. 課程教材

“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程內(nèi)容涉及圖像處理技術(shù)和紡織技術(shù)兩個領(lǐng)域，目前尚無現(xiàn)成教材。根據(jù)課程目標和課程內(nèi)容，選擇基礎(chǔ)教材和應(yīng)用教材構(gòu)成該課程的教材。

(1) 基礎(chǔ)教材是學(xué)生學(xué)習(xí)知識單元1和2的教材。對知識單元1，選用介紹MATLAB軟件編程基礎(chǔ)的課本，選取與教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的章節(jié)作為課程教材。對知識單元2，選用介紹應(yīng)用MATLAB軟件實現(xiàn)數(shù)字圖像處理技術(shù)的課本，這些課本包含MATLAB軟件自帶圖像處理函數(shù)或擴展算法詳細介紹和應(yīng)用實例，選取與教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的章節(jié)作為課程教材，適用于課堂教學(xué)和學(xué)生上機練習(xí)參考；課本的其余章節(jié)用于學(xué)生完成專題報告和課余拓展自學(xué)。

(2) 應(yīng)用教材是學(xué)生學(xué)習(xí)知識單元3的教材，主要是圖像處理技術(shù)在紡織中應(yīng)用的研究文獻、專利技術(shù)和國內(nèi)外著名企業(yè)的技術(shù)資料。一方面作為學(xué)生學(xué)習(xí)和了解圖像處理技術(shù)在紡織中的實際應(yīng)用的教材，另一方面作為學(xué)生完成專題報告的參考資料。應(yīng)用教材的素材取自國內(nèi)外書籍、電子文獻、互聯(lián)網(wǎng)資源和企業(yè)技術(shù)資料，同時及時補充最新成果和前沿技術(shù)，從而更新和完善教材內(nèi)容。

4. 教學(xué)軟件

作為計算機應(yīng)用類課程，選擇適合的教學(xué)軟件是保證課程教學(xué)有效開展并獲得良好教學(xué)效果的前提。圖像處理技術(shù)可以采用C/C++、Visual Basic或MATLAB等軟件通過編程實現(xiàn)[6]，也可以采用集成軟件(如Photoshop)通過軟件操作實現(xiàn)[7]。綜合考慮授課對象的計算機應(yīng)用水平、課程內(nèi)容、課時數(shù)和計算機軟件的特點等因素，該課程選擇美國MathWorks公司開發(fā)的MATLAB軟件作為教學(xué)軟件，主要原因有：(1)MATLAB軟件具有強大的數(shù)組處理功能(數(shù)字圖像處理的本質(zhì)是數(shù)組運算)且編程語言簡單直觀，學(xué)生可以在短時間內(nèi)掌握與課程內(nèi)容相關(guān)的編程技術(shù)；(2)軟件包含專門的圖像處理工具箱，通過調(diào)用其中豐富的圖像處理函數(shù)可以實現(xiàn)各種圖像處理技術(shù)；(3)軟件包含統(tǒng)計、圖形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等工具箱，通過調(diào)用其中的函數(shù)可以實現(xiàn)圖像處理中間數(shù)據(jù)或最終數(shù)據(jù)的處理、分析和可視化。

二、 教學(xué)方法改革

為了有效地傳授教學(xué)內(nèi)容和實現(xiàn)教學(xué)目標，“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程采用理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，分解課程目標，設(shè)立課堂講授、上機實踐和應(yīng)用項目三級遞進的教學(xué)環(huán)節(jié)。課程共32學(xué)時，其中課堂講授環(huán)節(jié)18學(xué)時，上機實踐環(huán)節(jié)分4次共8學(xué)時，這兩個環(huán)節(jié)穿插進行，應(yīng)用項目環(huán)節(jié)6學(xué)時，安排在課程最后。

1. 課堂講授環(huán)節(jié)教學(xué)方法

課堂講授環(huán)節(jié)采用實例教學(xué)法。對知識單元1和2，每個具體內(nèi)容都附有編程實例，通過隨堂演示，生動、具體地進行講解，使學(xué)生快速掌握授課內(nèi)容。通過階段性提問，變換關(guān)鍵技術(shù)實例，讓學(xué)生思考并給出結(jié)果，使學(xué)生在回憶、聯(lián)想和反復(fù)思考中理解授課內(nèi)容。鼓勵學(xué)生隨時提問，教師采用講解和實例對比分析等方法進行解答，確保學(xué)生深入理解授課內(nèi)容。對知識單元3，每個具體內(nèi)容都附有圖像處理技術(shù)路線實例，盡可能提供相關(guān)專利技術(shù)或紡織設(shè)備實例，通過講解圖像處理技術(shù)的組合方式和每種技術(shù)的作用，以及不同技術(shù)路線的對比分析，使學(xué)生了解在實際工程問題中圖像處理技術(shù)路線的設(shè)計思路、處理效果和應(yīng)用范圍，以及在先進紡織設(shè)備中的實際應(yīng)用。實踐表明，實例教學(xué)法將抽象的理論以具體的形式呈現(xiàn)，容易帶動學(xué)生跟隨授課節(jié)奏進行思考和學(xué)習(xí)，顯著提高了教學(xué)效率。

2. 上機實踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法

上機實踐環(huán)節(jié)采用交互啟發(fā)式教學(xué)。以學(xué)生為主體，完成教師規(guī)定的上機作業(yè)，教師起指導(dǎo)和引導(dǎo)作用。上機實踐環(huán)節(jié)和課堂講授環(huán)節(jié)穿插進行，確保學(xué)生循序漸進地積累知識?？紤]到學(xué)生計算機基礎(chǔ)能力的差異，將作業(yè)分為必做題和選做題，避免基礎(chǔ)差的學(xué)生產(chǎn)生畏懼和抵觸心理。本環(huán)節(jié)中教師的指導(dǎo)和引導(dǎo)作用是決定實施效果的關(guān)鍵。具體做法是：鼓勵學(xué)生與教師交流，了解每名學(xué)生的實際水平，并以此為出發(fā)點開展工作。教師鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生自己查找和解決程序運行中出現(xiàn)的問題；引導(dǎo)學(xué)生通過對比分析來理解不同圖像處理技術(shù)的功能、圖像處理效果的影響因素、簡單技術(shù)組合的處理效果；對于個別學(xué)生的問題，請已經(jīng)完成作業(yè)的學(xué)生進行解答；對于共性問題，或者看到有見地的想法，隨時讓學(xué)生為全班同學(xué)演示講解并解答其他同學(xué)的提問；引導(dǎo)基礎(chǔ)好的學(xué)生在完成作業(yè)的基礎(chǔ)上拓展學(xué)習(xí)教材上的相關(guān)技術(shù)。實踐表明，師生之間、生生之間的交流互動使課堂討論氛圍濃郁，學(xué)生融入其中，積極參與，成為學(xué)習(xí)的主體，顯著提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

3. 應(yīng)用項目環(huán)節(jié)教學(xué)方法

應(yīng)用項目環(huán)節(jié)由學(xué)生自愿分組、自主選題完成，教師起輔助指導(dǎo)作用。課程項目選題為綜合應(yīng)用圖像處理技術(shù)解決紡織領(lǐng)域中的某一實際問題(如紡織品的結(jié)構(gòu)表征或性能檢測等)。學(xué)生利用學(xué)校圖書館的電子數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)資源查閱大量文獻資料，然后確定題目。小組成員共同商議提出預(yù)設(shè)目標(如得到某些特征指標或得出等級評定結(jié)果等)和圖像處理技術(shù)路線，與教師討論調(diào)整后開始實施。在圖像處理技術(shù)路線的實施過程中，學(xué)生綜合運用課堂所學(xué)的技術(shù)和文獻中提出的新技術(shù)，嘗試不同的組合方式直至得到理想的圖像處理結(jié)果，繼而參考文獻中的方法提取特征值并對數(shù)據(jù)進行深入分析。最后，小組成員分工合作，按照科技論文的要求撰寫專題報告，并派代表進行口頭匯報。本環(huán)節(jié)中教師需實時監(jiān)控各小組的進展情況，根據(jù)組員的能力對技術(shù)路線和項目目標提出調(diào)整意見，確保項目在規(guī)定時間內(nèi)以最優(yōu)的質(zhì)量完成。同時要求學(xué)生自主完成編程，教師提供思路或建議。實踐表明，學(xué)生對綜合應(yīng)用項目表現(xiàn)出濃厚的興趣，項目選題廣泛，包括纖維縱橫向形態(tài)表征和測量，前者如直徑測量、羊毛鱗片結(jié)構(gòu)表征、羊毛和羊絨鑒別等，后者如棉纖維成熟度和化纖異性度測量，紗線直徑和變異系數(shù)、毛羽數(shù)和毛羽長度、捻度、混紡比等紗線性能測量，機織物和針織物的密度測量、組織識別，非織造布的孔隙率測量，各種織物的疵點檢測、起毛起球性能評價、懸垂性評價等。在應(yīng)用項目的完成過程中，學(xué)生綜合運用紡織和圖像處理知識，拓展學(xué)習(xí)圖像處理技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，自主分析和解決所遇到的問題，主觀能動性和創(chuàng)造性得到充分發(fā)揮；小組成員分工合作，團隊合作默契，溝通交流順暢；通過運用圖像處理技術(shù)解決紡織工程領(lǐng)域的實際問題，學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力得到訓(xùn)練和提升。

三、 考核方式改革

傳統(tǒng)的計算機應(yīng)用類課程采用平時成績(30%)和期末上機/閉卷考試成績(70%)的成績評定方式。這種評價方式中平時成績占比少，課程成績不能充分反映學(xué)生在整個課程學(xué)習(xí)階段的表現(xiàn)；期末考試存在局限性，在有限的時間內(nèi)只能考查學(xué)生的知識掌握程度、軟件使用和編程熟練程度，學(xué)生采用死記硬背、考前突擊的方法也能取得良好的成績，因而考試成績不能真實地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合能力。

改革課程考核方式，采用多種形式相結(jié)合的過程化考核方式[8]。平時成績占課程成績的40%，由出勤率(5%)、課堂表現(xiàn)(10%)和平時作業(yè)(25%)三部分組成；考核成績占課程成績的60%，由以“采用圖像處理技術(shù)解決紡織工程中某個實際問題”為內(nèi)容的書面報告(40%)和口頭匯報(20%)兩部分組成。對每種考核方式制定詳細的評分標準，突出對學(xué)生能力的評價。改革后的課程評價體系全方位地監(jiān)控學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程各時間節(jié)點的學(xué)習(xí)效果，凸顯了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，有效地引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀念，形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，激勵學(xué)生在學(xué)習(xí)中充分發(fā)揮主觀能動性；課程教學(xué)過程中的評價結(jié)果為教師提供了教學(xué)效果的實時數(shù)據(jù)，使教師能夠及時調(diào)整授課方式和進度，最大限度地實現(xiàn)課程目標；課程的最終評價結(jié)果可作為下一輪教學(xué)整體調(diào)整和完善的依據(jù)，以推動課程的持續(xù)改進。

四、 結(jié)語

針對“圖像處理技術(shù)在紡織中的應(yīng)用”課程的特點和授課對象的實際計算機應(yīng)用水平，設(shè)立以圖像處理技術(shù)及其在紡織品設(shè)計、加工、檢測和評價中的應(yīng)用為主體的教學(xué)內(nèi)容，建立相應(yīng)的教材體系；構(gòu)建理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，設(shè)立課堂講授、上機實踐和應(yīng)用項目三級遞進的教學(xué)環(huán)節(jié)，采用實例教學(xué)和交互啟發(fā)式教學(xué)方法；建立多樣化和過程化的課程評價方式。課程教學(xué)改革成效顯著，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，提高了學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和綜合能力。在今后的教學(xué)中，將不斷完善教學(xué)資源和教學(xué)手段，加強理論與工程應(yīng)用的聯(lián)系，不斷提高教學(xué)水平。