“智能科學與技術”專業“數字圖像處理”課程教學實踐的探討

王海暉　趙彤洲　魯統偉

摘要：本文針對“智能科學與技術”專業的特點和要求，提出“數字圖像處理”課程的教學內容設計既要重視基礎理論，又‘要兼顧專業特點，并將傳統教學與現代教學方法和手段相結合，進而提出本課程的教學應該與學生科研創新能力的培養相結合，以達到促進學生學好本門課程，并為后續課程打好基礎的目的。

關鍵詞：數字圖像處理；教學內容；教學方法；科研創新能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

1引言

“數字圖像處理”課程是“智能科學與技術”專業一門重要的專業主干課，是為了培養本專業學生數字圖像處理的基礎知識、技術技能以及在實踐中的運用能力而設置的專業課程。在“智能科學與技術”專業中，“數字圖像處理”課程是該專業一個重要的專業方向——“機器視覺系統”的基礎，也是掌握好該專業方向的關鍵。目前，該課程已經成為本專業信息獲取與處理方向的重要課程之一，在學生的專業培養和知識獲取中占有重要的地位。

該課程作為專業主干課，具有承前啟后的作用，既可作為學生繼續學習的研究方向，又是后續相關課程重要的理論基石。隨著數字圖像處理理論在智能系統的研究不斷深入和圖像處理技術在國民經濟各個領域的廣泛應用，我校的“數字圖像處理”課程結合課程本身的特點，在教學內容、教學方法、教學手段等方面都進行了一系列的探索，形成了具有我校特色的、能夠服務于智能科學與技術專業的課程。

2制定科學、合理的教學目標和教學內容

“智能科學與技術”專業的培養目標是使學生系統地掌握智能科學的基礎理論、基礎知識以及基本技能與方法，使學生受到良好的科學思維、科學實驗和初步科學研究的訓練，并具有分析問題和解決問題的能力，以及知識自我更新和不斷創新的能力。依據這樣的培養目標，我校的“數字圖像處理”課程制定了科學、合理的教學目標和循序漸進且兼顧相關學科的教學內容。由于數字圖像處理融合了數學、電子、計算機軟硬件、智能系統集成等眾多先進技術，體現了諸如計算機技術、自動化技術、光學工程等學科相互交叉和融合的綜合運用，內容豐富，應用廣，因此本課程在教學內容上既要重點介紹數字圖像處理的基本理論、方法，又要介紹當今圖像處理的重要應用領域以及與其他學科之間的內在銜接與融合，使教學內容具有系統性、完整性、科學性和先進性。

在教學內容的選取上，繼續深化重概念、重基礎、重實驗、重綜合的“四重”教學，突出學以致用的觀念，使學生通過課程學習掌握解決具體問題的方法。以能讓學生較深入地理解數字圖像處理的基本概念、基礎理論以及解決問題的基本思想方法，熟練地掌握數字圖像處理的基本過程為目的，使學生在有限的學時內有最大的收獲，并為后續的機器視覺、數字圖像分析等課程打下堅實的基礎。例如，“圖像變換”是“數字圖像處理”課程的核心內容，是理解后續的“圖像增強”、“圖像復原”等內容的基礎，因此我們重點講述了“傅立葉變換”和“小波變換”，將walsh變換作為學生自學內容。這樣選擇教學內容的目的，是要使學生明白“圖像變換”的目的在于使我們所更關心的一些原始圖像的特征更加明顯，變換手段不同導致了不同的變換結果。此外，以智能科學技術為核心的我校機器人足球項目在國際國內屢獲冠軍，形成我校智能專業一大特色和優勢，并在計算機視覺等方面形成了特色培養方向。因此，“數字圖像處理”作為智能機器人重要的支撐課程，在教學內容的選取上，我們也充分考慮到這一點，例如選擇講述有關移動機器人的視覺圖像的獲取過程，并根據該流程分析了圖像預處理、圖像分割以及特征提取的要求。將課程內容與實際應用相結合，使學生產生了極大興趣，提高了學習積極性，更能為我校機器人足球項目進行人才儲備?？梢哉f，“數字圖像處理”課程的教學內容正是專業培養目標的真實體現。

3根據專業特色和課程特點，采用先進的教學方法和手段

在“數字圖像處理”課程的教學過程中，為提高教學質量，在教學中采用了多種教學方法和教學手段，注重采用多種教學方式調動學生學習的主動性和積極性，加強學生獲取知識能力和創新精神的培養，這也是深化教學改革的重要內容。“智能科學與技術”專業涉及檢測技術、控制技術、計算機技術及網絡技術等當代信息技術多個領域，是典型的交叉學科，根據“數字圖像處理”課程的特點，我們在教學方法和教學手段方面進行了以下的探討嘗試，并取得了一定的成效。

3.1揚棄傳統教學

雖然傳統教學采用黑板板書加教師“滿堂灌”的教學方式，不利于學生形成主動思維的學習習慣，但在講述數學公式的推導以及定理證明的過程中，教師在黑板上按步驟推導的過程是非常必要的，而且是必須的?！皵底謭D像處理”課程需要對大量的數學公式進行推導，如果將這些數學公式的推導采用投影方式直接呈現給學生，缺少了在推導過程中與學生的互動環節，不利于學生深刻理解，使學生只是知其然，不知其所以然。此時，傳統的書寫黑板教學方式在公式推導以及定理證明中是必要的。同時，傳統教學中老師在課堂上通過抑揚頓挫的語氣以及豐富的肢體語言共同協助傳達需要傳授的知識，可以加強課堂的感染力，幫助學生理解并掌握知識。因此，在數字圖像處理課程的教學中，傳統的教學方式既不能完全照搬，也不能完全否定。一方面采用多媒體教學，另一方面也不能完全拋棄傳統教學方式。傳統教學方式在必要的時候要發揮它的重要作用。

3.2應用現代化教學手段

“數字圖像處理”是以圖像為處理對象，其輸出形式為圖像、圖形和數字。該課程非常適宜采用多媒體教學方式。如以圖像的形式顯示教學信息，圖像比語言更容易被學生感知；采用動畫和視頻更能準確地顯示事物的空間特性、時間特性和運動特性，提高了信息的表現力，有利于學生詳細觀察、分析，提高感受性。應用多媒體技術可以實時重現模擬圖像處理前后的直觀效果，大大增加了課堂的信息量。針對不同的教學內容，輔以聲音、圖像、視頻、動畫等多樣化手段，化靜態為動態，化抽象為直觀，化復雜為簡潔，既能活躍課堂氣氛，又能最大限度地調動學生想象力，激發學生的學習興趣，從而教學效果大為提高。例如在講授圖像的采樣與數字圖像的質量關系時，通過不同采樣數據的照片的對比，加深了學生對圖像的量化與數字圖象的質量關系的理解，也激發出他們對本課程的濃厚興趣。另外，“數字圖像處理”課程的具體應用隨著計算機技術發展的日新月異也不斷變化，這就要求教師自身的知識要不斷更新，授課講義也要不斷反映最新內容。通過近年的積累，我?！皵底謭D像處理”課程在參考了其他學校的教學講義、教學研究成果，尤其是國內外著名大學的教材、講義的基礎上，結合我?！爸悄芸茖W與技術”專業的培養目標和專業特色，制作了具有最新內容的課堂教學課件和實驗教學系統?，F代化手段教學的實踐表明，

采用現代化教學手段能縮短學時，提高教學效果，優化教學過程，同時提高學生的學習熱情和創新意識，有利于多方面開發學生智力，提高學生的綜合素質等。

3.3建設網絡教學輔助平臺

我們已經整合各類課程教學資源，如課程介紹、主講教師介紹、教學大綱、授課教案、作業習題、實驗指導、參考文獻目錄、課程考試考核辦法、授課實況錄像等資源全部上網，建成網絡化輔助教學系統，應用該系統開展網絡化輔助教學。例如在“網絡學習”欄目中，我們將“數字圖像處理教學模擬系統”放置在這里，學生可以根據課堂講授，結合該模擬系統在課后對課堂知識進行消化吸收，加深對課堂內容的理解，深入分析試驗數據，對實驗結果進行論證。如在講解采用線性變換進行圖像增強的原理時，給出了曝光不足情況下，通過線性拉伸增強對比度的演示實例。學生在學習了模擬系統的示例演示后，對其中的數據進行修改，觀察到經過不同的數據變換后的圖像增強結果，加深了對這部分知識的理解。借助網絡，學生的學習和與教師交流可以跨越時空。通過網絡教學輔助平臺，既能實現以教師為中心向以學生為中心的轉變，為增強學生的信息意識、綜合素質、創新能力和個性發展奠定堅實的基礎，又能獲取同行和學生的反饋信息，促進教學經驗交流、教學資源共享甚至教學成果推廣應用。

3.4加強實踐教學

在實驗課堂上，一方面，把某些研究成果以圖像、圖形和數據的方式向學生展示，擴大學生的知識視野，從中抽取與課程相關的內容進行重點描述，加強理論與實際應用的聯系；另一方面，要求學生進行實際的數據處理、軟件設計和影像處理，以培養學生分析并解決實際問題的能力、方案設計能力、編程實踐能力和創新能力。在實踐教學中，重視使用Visual c++圖像編程技術，使學生更符合社會對“智能科學與技術”專業的人才需求。“數字圖像處理”按照課程內容設置了圖像變換、圖像增強及復原、圖像分析、圖像編碼等4個實驗和圖像處理系統綜合設計。其中前4個為設計性實驗，利用基于Visual c++的基本實驗平臺完成。最后的綜合設計是培養學生綜合運用所學知識與技能，訓練他們分析和解決實際問題的能力的重要手段。綜合設計中不僅要編寫程序代碼并測試，還要撰寫綜合設計報告，以此來進一步提高學生理論研究、查閱資料等方面的能力。通過綜合設計，85％的學生認為動手編程能力得到了加強，92％的學生認為對所學知識有了更深刻的理解，83％的學生認為綜合訓練后可以比較熟練地利用Visual c++進行圖像處理操作，90％的學生認為通過綜合設計，激發了學習興趣，鍛煉了圖像處理技能，對就業更有信心。

此外，在實踐環節中，計算機學院為規范各類實踐教學的環節，精心編制了實踐教學管理實施細則，并建立了嚴格的考核制度。該細則包含了任務說明、實施計劃、現場檢查等多項附表，從各個細節入手進行規范管理，保證了實踐教學質量提高。

4結合科研課題教學，促進學生科研創新能力培養

“智能科學與技術”專業依托我校湖北省重點學科一一模式識別與智能系統的學科優勢，在教學過程中，結合教師的科研課題講授，從多方面促進學生的科研創新能力。我校的機器人足球項目是“智能科學技術”專業的特色，以此為平臺的計算機視覺也形成了特色培養方向。而“數字圖像處理”是計算機視覺的重要理論和技術基礎，因此，我們在“數字圖像處理”課程中將足球機器人系統中運用的大量數字圖像處理前沿的基礎知識和技術引入課堂。如講授了自主移動機器人視覺系統中針對移動機器人的技術要求與視覺導航的特點，運用了圖像預處理、圖像分割與特征提取等圖像處理技術。

課程主講教師隊伍目前承擔了一批省(部)級的縱向科研項目(含教育部科學研究計劃項目、湖北省教育廳科學研究計劃項目、湖北省自然科學基金項目等)和橫向科研項目，這些項目都是與數字圖像處理密切相關。在這些項目資助的基礎上，創建了良好的實驗平臺。借助該平臺，學生結合老師的科研課題，通過參加校內外科技活動，開展了一些與數字圖像處理有關的研究與實踐工作，培養了他們適應社會的競爭力和工程實踐能力，并取得了良好的效果。例如本專業2007級15名學生依托教師的科研項目申請了三項大學生校長基金項目——“基于信息融合的半自主機器人系統研究”、“多源圖像信息融合技術的分析及應用研究”、“基于內容和相關反饋的圖像檢索方法”，占本班級學生總數的54％。學生除了可以獲得一定的金額資助外，還能獲得學校認定的創新學分。以上措施極大地調動了學生學習本門課程的積極性，從另一個側面提高了教育教學的質量。

5結束語

隨著數字圖像處理理論和技術不斷發展和完善，數字圖像處理越來越多地應用于智能系統領域，因此，“數字圖像處理”的課程教學和實踐也應不斷吸收新知識，豐富教學內容。并應該結合教師的科研項目，不斷更新和補充相關的教學內容，吸收學生參與項目研究和開發工作，進而培養學生科研創新能力，提高教學質量和水平，以便更好地為智能科學與技術專業服務。