摘要：數(shù)字圖像處理教學(xué)采用“以學(xué)生為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂形式，精心設(shè)計課堂教學(xué)，引入學(xué)生喜聞樂見的工程實例，自然融入課程思政，能產(chǎn)生較好的教學(xué)效果，達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)?；诖耍恼乱曰叶刃螒B(tài)學(xué)為例，課前通過慕課平臺進(jìn)行線上教學(xué)，讓學(xué)生得到初階認(rèn)知；課中運用現(xiàn)代信息技術(shù)，引入實例和遞進(jìn)式應(yīng)用實踐，實現(xiàn)課程思政教學(xué)；課后結(jié)合慕課平臺，讓學(xué)生進(jìn)行實踐操作，遞進(jìn)式實現(xiàn)光電專業(yè)應(yīng)用型本科人才育人成效。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型能力培養(yǎng)；課程思政；數(shù)字圖像處理

一、引言

在課堂教學(xué)中，教師不僅要注重學(xué)生專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，還要注重學(xué)生應(yīng)用實踐能力、分析和解決問題能力、表達(dá)能力、人文情懷等綜合素質(zhì)的提高，以協(xié)同努力來實現(xiàn)課程教學(xué)中的知識、能力、思維和素養(yǎng)目標(biāo)，更要結(jié)合線上線下多維度信息化平臺，在課前、課中、課后提供全套信息資源體系，確保學(xué)生學(xué)習(xí)的多元化、個性化，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。教師將課程內(nèi)容與生產(chǎn)生活實際聯(lián)系起來，能使學(xué)生意識到課程知識與日常生活密切相關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決復(fù)雜問題的能力。

灰度形態(tài)學(xué)是數(shù)字圖像處理課程的重要組成部分，教師采用線上線下混合式教學(xué)，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的過程中受到潛移默化的教育。

二、遞進(jìn)案例式教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計

在灰度形態(tài)學(xué)的教學(xué)中，教師充分發(fā)揮引導(dǎo)作用，加強(qiáng)對知識的梳理。第一，教師以工程中遇到的實際問題為出發(fā)點，采用成果導(dǎo)向教學(xué)理念，注重引導(dǎo)學(xué)生建立理論學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用之間的橋梁。第二，教師設(shè)計課堂互動環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的課堂參與度，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。第三，教師以解決實際問題為導(dǎo)向，從理論層面的學(xué)習(xí)鞏固到實際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的工學(xué)思維與素養(yǎng)。第四，教師著力設(shè)計教學(xué)案例，啟發(fā)學(xué)生利用理論知識解決實際問題，使學(xué)生體會到學(xué)以致用的成就感。第五，教師利用智慧教室和教學(xué)互動App，合理設(shè)置問答、截屏提問、投票、小組討論、學(xué)生投屏分享等環(huán)節(jié)，通過小組合作的工程實踐反哺學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)，在培養(yǎng)學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)能力的基礎(chǔ)上，在線下課堂提高學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力、表達(dá)溝通能力和工學(xué)思維能力。

數(shù)字圖像處理課堂教學(xué)遵循“發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—提出新問題—解決新問題—拓展應(yīng)用”的教學(xué)流程。以灰度形態(tài)學(xué)為例，首先，教師以問題引導(dǎo)式教學(xué)為手段，通過圖像分割之后的二值圖像還存在的問題導(dǎo)出形態(tài)學(xué)處理的重要性。教師通過展示現(xiàn)實生活中的一些數(shù)字圖像和圖像分割結(jié)果，讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)分割結(jié)果存在的問題，引出進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理的必要性，以生動形象、環(huán)環(huán)相扣的導(dǎo)入手法，從課程教授的開始便牢牢抓住學(xué)生的注意力。其次，教師以“對象、行為、條件、標(biāo)準(zhǔn)”四要素結(jié)構(gòu)明確表述本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，再明晰本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。接著，教師圍繞在線慕課平臺自學(xué)知識點對學(xué)生進(jìn)行前測，調(diào)動學(xué)生對本節(jié)課教學(xué)重點的探索熱情。圍繞教學(xué)目標(biāo)，教師對在線慕課平臺視頻包含的知識點進(jìn)行前測，并就實時結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和錯誤分析。最后，以“圖像銳化”“消除真實圖片中不均勻背景”“粒度分析”三種現(xiàn)實生活中常見的圖像處理問題為例，教師通過頭腦風(fēng)暴、小組討論等方式引導(dǎo)學(xué)生將理論分析的形態(tài)學(xué)運算與解決實際問題相關(guān)聯(lián)。教師只做引導(dǎo)和總結(jié)，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動的主體，引導(dǎo)學(xué)生自主將形態(tài)學(xué)運算應(yīng)用于解決真實圖片處理的實際難題，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用，形成在特定約束條件下運用基礎(chǔ)理論解決實際問題的工學(xué)思維與素養(yǎng)。

三、灰度形態(tài)學(xué)教學(xué)實施流程

圖1為灰度形態(tài)學(xué)教學(xué)實施流程。

（一）課前線上教學(xué)

在慕課平臺發(fā)布學(xué)習(xí)視頻與作業(yè)，學(xué)生可以通過“知到”App或智慧樹進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，完成相關(guān)的作業(yè)。線上視頻經(jīng)過授課教師挑選和梳理，并輔以詳細(xì)講解和演示，學(xué)生可以對知識有初階的認(rèn)知（記憶和理解）。本章節(jié)的線上視頻共6個，分別為問題的提出、二值圖像集合運算和邏輯運算、膨脹與腐蝕、膨脹與腐蝕的組合、圖像的標(biāo)記預(yù)測量、灰度形態(tài)學(xué)的應(yīng)用。通過在線學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了膨脹與腐蝕的定義，掌握了膨脹和腐蝕運算、開運算、閉運算、擊中或擊不中變換。

在學(xué)習(xí)視頻知識后，過關(guān)測試能讓學(xué)生了解自己的學(xué)習(xí)效果，同時給教師的線下授課提供教學(xué)方向。同時，學(xué)生可以在“知到”App或智慧樹的“問答”模塊參與課程討論，提出自己的問題，回答別人的提問。在線討論可以實現(xiàn)學(xué)生間的交流，學(xué)生能夠相互啟發(fā)，在解決疑惑的同時，探索出新的問題，獲得新的收獲，更好地掌握灰度形態(tài)學(xué)的基本知識。

（二）課中線下教學(xué)

1.問題導(dǎo)入、啟發(fā)思考——明確目標(biāo)

教師提出問題：“經(jīng)過圖像分割后獲得了目標(biāo)物與非目標(biāo)物兩種不同的對象，但是提取出的目標(biāo)物存在哪些問題呢？”接著，教師舉例“提取的目標(biāo)存在偽目標(biāo)物、多個目標(biāo)中存在粘連或斷裂”等情況，設(shè)置懸念，引入形態(tài)學(xué)處理的重要性，吸引學(xué)生的注意力。學(xué)生發(fā)散思維，積極參與互動，思考回答教師的引導(dǎo)性問題，闡述自己所思所想。與學(xué)生互動后，教師總結(jié)問題，表述灰度形態(tài)學(xué)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)：運用腐蝕、膨脹、開運算和閉運算四種基本的形態(tài)學(xué)運算，進(jìn)行形態(tài)學(xué)典型應(yīng)用的分析和實現(xiàn)。

2.問題前測——理論分析

教師針對學(xué)生線上視頻自學(xué)和課前作業(yè)提交的情況，圍繞教學(xué)目標(biāo)對學(xué)生進(jìn)行前測，提出問題：“什么是灰度形態(tài)學(xué)？請簡要解釋其基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域。描述一種常見的灰度形態(tài)學(xué)操作，如灰度腐蝕或灰度膨脹，包括其如何影響圖像的方式。為什么在圖像處理中使用灰度形態(tài)學(xué)操作？請舉例說明其在實際應(yīng)用中的價值和重要性。”學(xué)生在線作答，然后教師統(tǒng)計學(xué)生的提交結(jié)果，針對出錯較多的知識點著重點評。

前測后，教師進(jìn)行課前作業(yè)點評，學(xué)生實時投屏分享解題思路和結(jié)果，其他學(xué)生進(jìn)行分析和點評，共同發(fā)現(xiàn)和解決作業(yè)存在的問題。教師以頭腦風(fēng)暴的方式，讓學(xué)生互相評價和提出建議，由此引入主題——灰度形態(tài)學(xué)的應(yīng)用。

3.應(yīng)用一：形態(tài)學(xué)銳化

第一，教師復(fù)習(xí)空間域圖像銳化的各種方法和思路，引出形態(tài)學(xué)銳化的特點，提出問題：“對于某個具體圖像，如何進(jìn)行銳化？”第二，教師通過提出實例，激發(fā)學(xué)生的探索欲，引導(dǎo)學(xué)生使用腐蝕和膨脹結(jié)合的方法解決問題。第三，針對教師提出的問題，學(xué)生展開小組討論，并分享思路和方案。教師給出點評和總結(jié)，同時講解知識點。

膨脹運算是對圖像進(jìn)行擴(kuò)張和增大的一種操作。它可以使目標(biāo)物體變得更圓滑，同時去除孔洞和內(nèi)部噪聲，使物體形態(tài)更加清晰明了。腐蝕運算是一種對圖像進(jìn)行收縮和縮小的操作。它可以使物體邊緣變得更加精細(xì)和明顯，同時可以消除細(xì)小連接和孤立細(xì)節(jié)。常用的形態(tài)學(xué)梯度用腐蝕和膨脹之間的算術(shù)差來計算。

4.應(yīng)用二：消除不均勻背

教師復(fù)習(xí)圖像分割的各種方法和思路，全局閾值分割的原理和思路，并提出問題：“對于背景不均勻的圖像，進(jìn)行全局閾值分割，會出現(xiàn)什么樣的問題？為什么？”接下來，教師列舉實例，提出問題，激發(fā)學(xué)生對已學(xué)知識點的鞏固和應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生使用形態(tài)學(xué)處理方法來解決因背景不均勻而導(dǎo)致的不完全分割問題。解決這一問題需要消除不均勻背景，而消除不均勻背景，就是要對背景進(jìn)行合理估計。教師通過小組合作學(xué)習(xí)的方式，將背景估計問題交給學(xué)生進(jìn)行討論，學(xué)生以搶答的形式到講臺分享。

對圖像進(jìn)行開運算是可以產(chǎn)生對整個圖像背景的合理估計的，前提是只要結(jié)構(gòu)元素達(dá)到不能完全匹配對象即可。教師進(jìn)一步引出頂帽變換的概念和定義，介紹頂帽變換的定義，換一種方式實現(xiàn)應(yīng)用而需要解決的問題。頂帽變換基于圖像的開運算和原始圖像之間的差異。開運算是先對圖像進(jìn)行腐蝕操作，然后進(jìn)行膨脹操作，目的是平滑和細(xì)化圖像中的細(xì)小結(jié)構(gòu)。?知識點的直接堆砌不易讓學(xué)生與本節(jié)課的教學(xué)重點相聯(lián)系，教師從問題出發(fā)，再到原因分析，利用前測得到的結(jié)論，最終落腳在應(yīng)用，更易于學(xué)生吸收知識點。

5.應(yīng)用三：顆粒分析

教師介紹顆粒分析的界定和應(yīng)用。顆粒分析是分析顆粒的大小分布，其基本思想是，當(dāng)對包含相似尺寸顆粒的圖像區(qū)域進(jìn)行開運算時，處理效果最佳。具體實現(xiàn)方法是，通過計算輸入圖像和輸出圖像之間的差異，可以估算出相似尺寸顆粒的相對數(shù)量。介紹基礎(chǔ)知識后，教師講解實例，并提出問題：“如何對給定的圖像進(jìn)行粒度分析？”學(xué)生針對問題分組討論，實時投屏，教師給每組進(jìn)行輔導(dǎo)和答疑。最后，教師總結(jié)實現(xiàn)過程，進(jìn)一步分析上述結(jié)果存在的問題，引出圖像去噪的預(yù)處理，分析圖像預(yù)處理問題，先對圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)平滑，再進(jìn)行顆粒分析，會使結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確。

（三）課后線下實踐與線上指導(dǎo)

理論學(xué)習(xí)需要與實踐相結(jié)合。在課堂教學(xué)結(jié)束后，教師在慕課平臺發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)：對印刷圖像進(jìn)行圖像分割和形態(tài)學(xué)處理，提取圖片中的時間數(shù)字。學(xué)生運用數(shù)字分析軟件MATLAB進(jìn)行實踐操作，提交完成后的結(jié)果。教師在線進(jìn)行指導(dǎo)，通過實踐操作讓學(xué)生更好地掌握課堂知識。

四、結(jié)語

數(shù)字圖像處理課程以提高學(xué)生核心能力、解決實際問題的實踐應(yīng)用能力為核心，注重線上線下教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)性與適用性，運用數(shù)字化教學(xué)工具，有效開展了線上線下密切銜接的混合式教學(xué)活動。

灰度形態(tài)學(xué)的教學(xué)充分體現(xiàn)了學(xué)生是課程主體這一教學(xué)理念。在教學(xué)過程中，課堂氣氛活躍、學(xué)生參與度高、互動頻繁，學(xué)生反饋效果佳，圓滿完成預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

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基金項目：湖南省教育規(guī)劃課題“新工科背景下地方高校光電工程專業(yè)人才核心能力培養(yǎng)研究”，項目編號：XJK19QGD004。

（作者單位：湖南文理學(xué)院數(shù)理學(xué)院/信息檢測與智能處理技術(shù)湖南省高校重點實驗室）