*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“弱圖像信號(hào)物理建模及其復(fù)原算法研究”（61801005）；陜西省《數(shù)字圖像處理》線上線下混合一流課程建設(shè)項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：余順園，博士，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.092

摘? 要? 為了讓課程優(yōu)起來(lái)、學(xué)生忙起來(lái)、效果實(shí)起來(lái)，在數(shù)字圖像處理課程中探索SPOC+PBL的混合式教學(xué)模式。利用豐富的MOOC資源構(gòu)建異步在線SPOC課，基于實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐需求建立數(shù)字圖像處理項(xiàng)目庫(kù)；以項(xiàng)目為抓手，基于PBL學(xué)習(xí)模式，按照課前SPOC在線自學(xué)、課中項(xiàng)目分組實(shí)現(xiàn)討論交流、課后測(cè)試總結(jié)等環(huán)節(jié)，探索數(shù)字圖像處理課程線上線下混合教學(xué)模式。三個(gè)教學(xué)周期教學(xué)效果及教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，此種以學(xué)生為主導(dǎo)教師為引導(dǎo)的混合授課模式對(duì)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)有著積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞? SPOC；PBL；數(shù)字圖像處理；混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）02-0092-04

0? 引言

黨的十八大以來(lái)，以習(xí)近平同志為核心的黨中央倡導(dǎo)教育應(yīng)該擺在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略位置[1]。在國(guó)家政策全方位引導(dǎo)與激勵(lì)下，高等教育在體量和質(zhì)量上均取得了飛速的發(fā)展。然而錢學(xué)森之問(wèn)依然困擾著大家，為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出的人才？教育的本質(zhì)是培養(yǎng)人才，而人才培養(yǎng)的核心要素是課程，因此唯有讓課程優(yōu)起來(lái)、學(xué)生忙起來(lái)、效果實(shí)起來(lái)，才能構(gòu)建更高水平的人才培養(yǎng)體系[2]。

數(shù)字圖像處理課程具有一定的理論性，又有較強(qiáng)的實(shí)踐性，一般在計(jì)算機(jī)、數(shù)字媒體技術(shù)、電子信息等專業(yè)均有開設(shè)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握數(shù)字圖像的獲取方法，能夠熟練地利用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的數(shù)字圖像處理算法，并具備一定解決工程實(shí)踐問(wèn)題的研究能力和思維能力，為以后從事自動(dòng)化、機(jī)器視覺(jué)、電信通信等領(lǐng)域的工作、深造、研究打下基礎(chǔ)[3]。

數(shù)字圖像處理課程中有較多的概念和公式，比如正交變換等內(nèi)容很抽象，不易理解；此外，該課程在智能安防、自主駕駛等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，算法技術(shù)更新快，需要在授課過(guò)程中適時(shí)地融入前沿成果。傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，教師講授占主導(dǎo)，學(xué)生被動(dòng)填鴨式的接受知識(shí)，雖有翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合等教學(xué)模式，但是不夠深入，師生之間沒(méi)有互動(dòng)起來(lái)，學(xué)生依然處于被動(dòng)、應(yīng)付考試的狀態(tài)，在有限課時(shí)內(nèi)，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。本著以學(xué)生為本的原則，沿著發(fā)現(xiàn)、探索、解決問(wèn)題的教學(xué)思路，課程團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以專屬在線課程（Specail Private Online Course，SPOC）為基礎(chǔ)[4]，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project Based Learning，PBL）為抓手的混合式數(shù)字圖像處理授課模式。學(xué)生主導(dǎo)課堂，教師適時(shí)引導(dǎo)，通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，基于輸出式學(xué)習(xí)原理，使得學(xué)生忙起來(lái)，最終幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重構(gòu)及內(nèi)化，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的教學(xué)目的。

1? 數(shù)字圖像處理課程改革及建設(shè)的現(xiàn)狀

早在2000年的時(shí)候，蘭州大學(xué)的王勇[5]在教學(xué)內(nèi)容、方法和手段上針對(duì)數(shù)字圖像處理課程特點(diǎn)進(jìn)行了改革；2002年安徽大學(xué)的李曉輝等[6]人通過(guò)研制現(xiàn)代數(shù)字圖像處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革，這類早期的改革主要是針對(duì)教材和教學(xué)內(nèi)容上的調(diào)整，在一定程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。2010年左右，吳冬梅等[7]和李露等[8]提出基于研究性、探索性教學(xué)模式改革，這對(duì)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)有一定的要求，在學(xué)時(shí)受限的情況下開展起來(lái)比較困難。2012年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄧?yán)^忠等[9]在數(shù)字圖像處理實(shí)踐教學(xué)中引入了基于項(xiàng)目教學(xué)的理念，以項(xiàng)目推動(dòng)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)展開，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望。PBL教學(xué)模式，從項(xiàng)目出發(fā)解決實(shí)際問(wèn)題，以團(tuán)隊(duì)分組為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)者必須具備一定的主動(dòng)性和自覺(jué)性，能獲得較強(qiáng)的成就感和認(rèn)可度。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)新媒體及信息技術(shù)的高速發(fā)展，MOOC課（Massive Open Online Courses）因其大規(guī)模、開放、共享等特性，獲得認(rèn)可；2018年2月武漢大學(xué)的賈永紅教授團(tuán)隊(duì)制作的數(shù)字圖像處理MOOC正式發(fā)布，大受歡迎，取得了令人鼓舞的效果[3]，但是單純的基于MOOC展開教學(xué)，缺乏面對(duì)面交流，難以培養(yǎng)學(xué)生的人格與道德，自我管理能力比較差的學(xué)生容易掉隊(duì)。于是，SPOC應(yīng)運(yùn)而生[10]，它是MOOC課后發(fā)展的新型教學(xué)模式，教師借助于MOOC平臺(tái)，根據(jù)需求對(duì)資源進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建適合本校學(xué)生的SPOC，能夠掌握學(xué)生在線學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)，根據(jù)其在線學(xué)習(xí)反饋情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，于是胡曉霞等[11]提出MOOC+SPOC的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革。安康學(xué)院數(shù)字圖像處理課程團(tuán)隊(duì)在綜合分析了學(xué)者們課程改革的思路和成效，結(jié)合筆者所在學(xué)校學(xué)生的具體情況，契合OBE（成果導(dǎo)向教育）教學(xué)理念[12]，從培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索之習(xí)慣及獨(dú)立思考之能力出發(fā)，圍繞項(xiàng)目進(jìn)行知識(shí)架構(gòu)，構(gòu)建基于SPOC+PBL數(shù)字圖像處理課程線上線下混合式教學(xué)模式。

2? SPOC+PBL數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的實(shí)施

2.1? 混合教學(xué)模式介紹

SPOC是教師在學(xué)校云平臺(tái)，建立一門面向校內(nèi)授課班級(jí)學(xué)生的小規(guī)模在線課程，教師可根據(jù)本校學(xué)情設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。根據(jù)建課時(shí)所利用的線上MOOC資源情況，可構(gòu)建同步SPOC、異步SPOC及獨(dú)立SPOC。本課程團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的是異步SPOC課程，即在MOOC上精選一門同科目的課程，在拷貝該課程資源的同時(shí)，教師可以靈活地對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，也可以自主地組織班級(jí)學(xué)生進(jìn)行在線答疑、討論、考試等。

PBL（Project Based Learning）是基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，指的是讓學(xué)生融入能解決實(shí)際問(wèn)題的項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以小組分工合作、項(xiàng)目的調(diào)研、算法設(shè)計(jì)及項(xiàng)目匯報(bào)展示等實(shí)際環(huán)節(jié)為線索幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)架構(gòu)。該教學(xué)模式契合OBE教學(xué)理念，能夠讓學(xué)生有足夠的獲得感和榮譽(yù)感，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，有效提升學(xué)生的綜合能力。

為了充分利用線上線下資源，本數(shù)字圖像處理課程團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以SPOC+PBL混合教學(xué)模式。SPOC+PBL混合教學(xué)模式的授課效果在其他課程中已經(jīng)得到了廣泛探索和驗(yàn)證[13-14]，數(shù)字圖像處理作為一門實(shí)用性極強(qiáng)的課程，利用該模式極大地提升了授課效果。本課程團(tuán)隊(duì)在教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中，首先是基于大學(xué)生MOOC資源構(gòu)建了數(shù)字圖像處理的異步SPOC課，基于PBL實(shí)施教學(xué)的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，主要包括教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施及課程考核三部分。

2.2? 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)是教學(xué)過(guò)程有效合理展開的基石，是保證教學(xué)質(zhì)量的最為關(guān)鍵的因素。本課程是依托MOOC上武漢理工大學(xué)黃朝兵教授的國(guó)家級(jí)精品課程數(shù)字圖像處理資源，構(gòu)建異步SPOC。所以在課前會(huì)提前告知學(xué)生重難點(diǎn)，發(fā)布主體的教學(xué)資源和拓展學(xué)習(xí)資源，拋出相關(guān)的討論主題，布置項(xiàng)目任務(wù)；最后學(xué)生需要在線下課堂完成匯報(bào)、討論，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重構(gòu)與內(nèi)化。

課程的主體資源來(lái)自MOOC，結(jié)合具體學(xué)情分析，增加適當(dāng)?shù)耐卣官Y源兩大部分。主體資源有包括：課程簡(jiǎn)介，教案和學(xué)習(xí)指導(dǎo)，授課錄像，課程作業(yè)，項(xiàng)目任務(wù)書；擴(kuò)展資源包括開發(fā)環(huán)境工具，演示仿真，在VC++或者M(jìn)ATLAB開發(fā)工具下的數(shù)字圖像處理，應(yīng)用開發(fā)案例，研究發(fā)展前沿的介紹。

2.3? 混合式教學(xué)實(shí)施框架

SPOC+PBL的教學(xué)實(shí)施過(guò)程，以學(xué)生為中心，提供豐富的SPOC學(xué)習(xí)資源，同時(shí)安排線上引導(dǎo)，線下匯報(bào)、交流、總結(jié)，主要分課前、課中、課后三個(gè)步驟，如圖1所示。

課前，在SPOC平臺(tái)發(fā)布課程的全套資源，包括教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)，教學(xué)PPT課件、重難點(diǎn)講解的視頻和拓展學(xué)習(xí)資源，發(fā)布與課程相匹配的項(xiàng)目任務(wù)書及討論主題，布置課前小作業(yè)檢測(cè)學(xué)生課前自學(xué)情況。鼓勵(lì)學(xué)生合理安排自己的時(shí)間，自學(xué)基本理論，要求學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書，提前完成組隊(duì)及項(xiàng)目規(guī)劃等工作。

課中，以學(xué)生為主體，以項(xiàng)目的推進(jìn)為載體，學(xué)生通過(guò)完成項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化。學(xué)生通過(guò)抽簽形式構(gòu)建項(xiàng)目小組，以小組合作形式完成項(xiàng)目，并隨機(jī)抽選人員上臺(tái)匯報(bào)；與此同時(shí)教師和其他小組同學(xué)在認(rèn)真聽(tīng)的基礎(chǔ)上要思辨性地進(jìn)行評(píng)價(jià)；隨后教師引導(dǎo)全班同學(xué)探討存在的共性問(wèn)題，對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充講解，幫助學(xué)生拓展和深化知識(shí)。在課堂學(xué)習(xí)的最后環(huán)節(jié)，學(xué)生利用所理解的知識(shí)在SPOC平臺(tái)完成隨堂測(cè)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果可在SPOC平臺(tái)上即時(shí)呈現(xiàn)，教師可據(jù)此開展適度的個(gè)性化指導(dǎo)。

課后，教師在SPOC平臺(tái)上呈現(xiàn)學(xué)生完成的優(yōu)秀項(xiàng)目，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固和總結(jié)反思。針對(duì)共性問(wèn)題創(chuàng)建討論主題，在互動(dòng)交流中引導(dǎo)學(xué)生完成探究式協(xié)作學(xué)習(xí)。

2.4? 混合式教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用

SPOC+PBL數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)在實(shí)踐過(guò)程中，課程團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了數(shù)字圖像處理項(xiàng)目庫(kù)，包含數(shù)字圖像處理增強(qiáng)、濾波、變換、編碼等八類共50多個(gè)綜合項(xiàng)目，如“磨皮美白系統(tǒng)”“道路裂縫識(shí)別”“水果分類識(shí)別”“魔芋病害識(shí)別”“印章鑒別”及“霧天圖像清晰化處理”等項(xiàng)目，這些項(xiàng)目主要來(lái)源于實(shí)際的生產(chǎn)生活，項(xiàng)目基本上是與章節(jié)內(nèi)容對(duì)應(yīng)，按章節(jié)發(fā)布，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，每學(xué)期都會(huì)根據(jù)學(xué)生的完成情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)母隆?/p>

下面以數(shù)字圖像處理課程中的“霧天圖像清晰化處理”項(xiàng)目為例，對(duì)SPOC+PBL授課模式進(jìn)行說(shuō)明，項(xiàng)目任務(wù)書如表1所示。

表1所示的“霧天圖像清晰化處理”項(xiàng)目的開展按照課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)展開，每個(gè)環(huán)節(jié)任務(wù)明確，有測(cè)試有反饋，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況開展學(xué)習(xí)，教師結(jié)合學(xué)生的線上線下的表現(xiàn)，及時(shí)跟進(jìn)學(xué)生，并適時(shí)地提醒和督促，整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程以學(xué)生為主導(dǎo)，教師為引導(dǎo)。每組學(xué)生進(jìn)行資料查閱和分享，既能夠拓寬知識(shí)面，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的一種探究精神；各組之間線上線下交叉點(diǎn)評(píng)，培養(yǎng)了學(xué)生批判性思維習(xí)慣；每次隨機(jī)抽取組員進(jìn)行演示講解，規(guī)避部分學(xué)生偷懶、渾水摸魚；線下當(dāng)眾講解匯報(bào)，幫助學(xué)生把理解的知識(shí)講出來(lái)，這恰好契合著名的費(fèi)曼學(xué)習(xí)法[15]，讓學(xué)生無(wú)比清楚自己的內(nèi)在思維，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重構(gòu)與內(nèi)化。

2.5? 混合式教學(xué)課程考核

在課程考核的過(guò)程中，關(guān)注學(xué)生的過(guò)程性表現(xiàn)，因此總評(píng)成績(jī)由期末考試、項(xiàng)目完成情況、課堂表現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)在線互動(dòng)等部分組成。成績(jī)的分布比例為：期末考試卷面成績(jī)占50%，項(xiàng)目完成情況占30%，課堂匯報(bào)及點(diǎn)評(píng)表現(xiàn)占10%，在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、測(cè)試、討論、互動(dòng)占10%。每班安排學(xué)委對(duì)每節(jié)課每個(gè)學(xué)生各個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進(jìn)行記錄，教師隨堂簽字確認(rèn)，對(duì)所有的得分項(xiàng)都量化并在班內(nèi)公示。總體思路是激勵(lì)差生，鼓勵(lì)先進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生多參與課堂，完成知識(shí)的內(nèi)化，而非應(yīng)付考試。

3? SPOC+PBL數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)實(shí)施

效果

SPOC+PBL數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)主要在筆者所在學(xué)校2017級(jí)至2019級(jí)計(jì)算機(jī)及數(shù)字媒體專業(yè)各班級(jí)開展并持續(xù)改進(jìn)，學(xué)生普遍反映良好。每次授課到學(xué)期中時(shí)，筆者所在學(xué)校教務(wù)處都會(huì)讓學(xué)生對(duì)課程進(jìn)行評(píng)價(jià)，本門課次的評(píng)教分?jǐn)?shù)基本在90分以上，學(xué)生評(píng)教成績(jī)排在筆者所在學(xué)校前10%。本課程于2021年獲批陜西省線上線下混合一流課程建設(shè)。

從學(xué)生對(duì)課程的理解和學(xué)生的完成度情況來(lái)看，各個(gè)項(xiàng)目的完成率基本上在100%，在線測(cè)試和線下集中交流中，圍繞全書前后共凝練出20多個(gè)問(wèn)題，這些問(wèn)題涵蓋了本門課程主要知識(shí)點(diǎn)，從理論原理推導(dǎo)到算法結(jié)構(gòu)分析，學(xué)生都能予以恰當(dāng)理解，與所實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目對(duì)應(yīng)起來(lái)。從課堂演示、互相點(diǎn)評(píng)及討論的情況看，學(xué)生都能從原理、編程實(shí)現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等多方面對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全面透徹的解析。

從課程考核情況看，開展SPOC+PBL混合教學(xué)班的成績(jī)?yōu)椋簝?yōu)秀率為19.1%，良好率為53.2%，中等及以下的比例為27.7%，成績(jī)基本符合正態(tài)分布，這表明絕大部分的同學(xué)能按要求完成項(xiàng)目、參與互動(dòng)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握較好，總體情況優(yōu)于未開展混合式教學(xué)班級(jí)。

4? 結(jié)論

在數(shù)字圖像處理課程中引入SPOC+PBL的混合式教學(xué)模式，利用豐富的MOOC資源構(gòu)建異步SPOC課，基于PBL推動(dòng)學(xué)生自主探究，鍛煉核心技能，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力。在課程具體實(shí)施過(guò)程中，以高質(zhì)量的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)為抓手，充分發(fā)揮課前自學(xué)、課中完成項(xiàng)目討論互評(píng)、課后測(cè)試總結(jié)等環(huán)節(jié)的作用，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，小組合作使得學(xué)生能夠互相幫助互相激勵(lì)，增強(qiáng)學(xué)生的獲得感和榮譽(yù)感，最終提升學(xué)生的綜合能力。三個(gè)完整教學(xué)周期的教學(xué)效果及教學(xué)評(píng)價(jià)表明，此種以學(xué)生為主導(dǎo)、教師為引導(dǎo)的混合授課模式對(duì)數(shù)字圖像處理課程教學(xué)有著積極的促進(jìn)作用。教學(xué)改革從未止步，今后，筆者將在完善教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)揮混合式教學(xué)的作用，提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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