醫學院校數字圖像處理實驗教學改革研究

張鑫　陳偉斌

摘要：《數字圖像處理》課程是研究圖像所含信息的提取、加工、傳輸等問題，它廣泛應用于生物醫學工程、電子信息工程、計算機、自動化等領域。針對在醫學院校工科專業教學中數字圖像處理課程存在的問題，從實驗教學內容、實驗教學方法、實驗操作環節等方面提出相應的改革方案。實踐證明，這些改革措施可以提高教學效果。

關鍵詞：數字圖像處理；實驗教學改革；醫學院校

一、現狀分析

數字圖像處理課程是多學科的交叉，與很多專業都有很密切的聯系，而且發展速度較快，目前，醫學院校工科專業教學中數字圖像處理的實驗教學存在以下幾個問題[1-4]：

1.對課程基礎的要求與學生現狀的矛盾

《數字圖像處理》課程通常以高等數學、線性代數、概率論統計、信號與系統、數字信號處理等課程為基礎，涉及的基礎數學知識相對龐雜，但是學生對上述課程的概念往往不能與本課程的概念融會貫通，從而使得學生的學習積極性降低，學生對實驗結果的分析能力得不到提高。如果在實驗課程中摒棄課程基礎知識過分強調應用技能的傳授又會導致本科實驗教學過于簡單。因此，探索合理的實驗教學模式，應用較合理的實驗教學手段，提高學生的積極性，才能使學生更好地掌握本學科的知識并作為后續發展的知識儲備。

2.沒有較合理的利用醫學院校獨特的醫學資源

在醫學科研和臨床診斷中，形態學的分析及各種成像技術的不斷發展使圖像處理技術成為醫學科學中的一種重要技術和方法。傳統的《數字圖像處理》課程側重于介紹圖像處理和分析的基本原理、典型方法和實用技術，在醫學院校中，應該結合醫學院校中與醫學相關的影像設備，完善課程的教學內容，培養學生將工程技術的科學方法應用于醫學圖像相關的研究中，培養多元化的思維方式。因此，在該課程的實驗教學中需要結合相關的醫學背景對實驗教學內容進行相關的改革。

3.實驗教學體系完整性

除了教學內容和教學方法外，實驗是《數字圖像處理》課程的一個重要的環節，傳統的《數字圖像處理》課程教學大都偏重于理論，一些已有的實驗也主要是針對特定圖像處理的一些應用，缺乏圖像處理技術應用與實踐相結合的系統的實驗組織，同時也缺少與醫學相關的實驗應用及實踐性操作。因此，需要探索建立相對完整的理論與實驗教學體系。

二、實驗教學內容的改革

1.針對不同層次的學生，調整實驗教學內容

針對學校本部統招本科生，應從理論加技術的角度出發，選擇較易理解的部分內容進行實驗教學講解及仿真模擬實驗，一些理論性強的知識點可作為了解性內容，在實驗課程中可以給出具體的演示實例；對于獨立學院而非學校本部的學生來說，由于其理論基礎較薄弱，應從應用的角度出發，在實驗教學內容上強調常用的圖像處理軟件的使用方法，并能對基礎的實驗應用進行模擬應用。

2.針對不同專業的學生，發揮醫學院校的優勢，調整實驗教學內容

筆者所在學校開設的《數字圖像處理》課程是面向生物醫學工程專業和電子信息工程專業本科學生的專業課程。在進行實驗教學內容設定時，分析不同專業的教學大綱及培養目標，結合專業特色和新的教學大綱要求，制定合適本專業的實驗教學內容。例如生物醫學工程專業的學生在專業課程學習中接觸醫學影像、醫療設備的專業知識比較多，在數字圖像處理課程實驗教學中可以增加一些與醫學影像相關的圖像處理技術，可以側重理解投影重建、圖像重建、圖像融合、形態學圖像處理等方面的圖像應用技術，利于學生將學過的專業課程進行融會貫通。對于電子信息工程專業的學生，由于平時動手能力較強，在進行圖像程序仿真的同時可以引導學生進行硬件相關的圖像設計，在設計相關實驗案例時，可以結合學生在電子電路及信號處理方面的優勢，例如進行圖像灰度變換算法仿真模擬時可以加入電路板缺陷檢測等為案例。

三、實驗教學方法的改革

該課程實驗教學方法的改革，主要是實現以下目標：增加課程的應用性和趣味性、充分調動學生的積極性和參與性、激發學生的求知欲和創造力。

為了實現這些目標，教師要從基礎的備課做起，由于數字圖像處理技術發展較快，在備課時，要查閱當前應用較多的技術，同時還要把前沿技術發展趨勢應用于實驗教學，在備課中還要多引入實例教學，對于有醫學背景專業的學生可以加入圖像處理在醫學方面應用的案例教學。

具體的實驗教學方法主要體現為以下幾點：

1.根據教學內容，精心提煉教學重點，設計啟發式實驗教學方案

啟發式教學主要是注重培養學生自主學習和創新精神，針對教學重點給出啟發式問題，引導學生通過資料查詢、小組討論等方式進行解答。具體思路是：

（1）分析數字圖像處理教學內容。在本科階段，數字圖像處理課程理論教學主要講述六部分內容：圖像處理基礎、圖像變換理論、圖像壓縮編碼、圖像增強、圖像恢復和圖像分割。根據教學內容，有針對性地設計一系列的啟發式實驗教學點，同時根據學生具體學習中的問題，對啟發式實驗教學點進行調整和更新。

（2）根據啟發式實驗教學點，結合學生的學習反饋，針對教學內容，設計6-12個實驗討論題目，并制定詳細討論要求。要求學生每6人分一組，選定討論題目，在實驗課堂內進行分組討論并總結。

（3）對于教學中的難點，啟發式實驗教學可以詳細分為四個階段：教師精講階段、學生調研階段、學生圖像算法實驗階段、學生講解演示階段。

2.注重不同圖像算法的應用范圍，結合醫學背景特色，設計案例法實驗教學方案

針對具有醫學背景和非醫學背景在圖像處理方面具體應用上存在的差別，設計3-6個典型的應用案例，貫徹圖像處理課程實驗教學的整個過程。具體思路是：

（1）案例的選擇與準備。實驗教學案例的選擇要結合實際，除了讓學生掌握理論外，還要讓學生對所學的知識如何用、怎么使用有所了解。

（2）對于具有醫學背景專業學生（如生物醫學工程專業），在設計圖像案例時，可以結合學生的醫學背景，例如講解圖像代數運算時可以以數字減影、細胞活動度檢測等為案例；在講解邊緣檢測環節，可以以細胞技術、癌細胞識別等為案例；講解圖像變換時，可以以醫學圖像配準為案例，充分發揮醫學背景特色。

（3）對于其他專業學生（如電子信息工程專業），在設計圖像案例時，可以結合學生在電子電路及信號處理方面的優勢，例如講解圖像灰度變換時可以加入電路板缺陷檢測等為案例。

通過案例法教學，可以使學生更好地利用自己的專業特色，培養學生相應的思維運作模式，教會學生如何分析問題，解決問題，體現教育的真諦[3]。

四、實驗操作環節的改革

1.實驗教學平臺的改革

在實驗教學平臺的選擇方面，可以進一步改革。目前所使用的實驗平臺是MATLAB平臺。數字圖像處理實驗軟件平臺通常可以分為兩類：（1）編程性軟件，MATLAB平臺，OpenCV平臺等；（2）應用軟件，ImageJ平臺，Photoshop平臺等。在實驗教學中可以結合這兩類平臺，互為補充，調動學生學習的積極性。對于接觸硬件課程較多專業的學生，可以在基礎實驗之余增加一些硬件平臺、圖像采集平臺等。

2.實驗考核方式的改革

通常的實驗考核方式是學生完成實驗項目后撰寫相應的實驗報告，存在的問題是實驗報告相似度較高，抄襲現象嚴重。針對這種情況，可以對考核方式進行相應改革，可以結合自己感興趣的課題進行實驗論文的撰寫，同時對感興趣的算法加以實際應用并進行仿真實驗，在實驗考核部分加入學生論文及仿真實驗程序，既可以調動學生的積極性，又可以在實踐中進行學習。例如有學生在自己進行實驗課題撰寫的時候選用了霧天圖像增強的內容，將課堂上學過的算法應用到了實際拍攝的霧天圖像中進行處理，有些醫學知識較豐富的學生選擇了影像圖像進行了分割、理解等內容的分析與仿真，這樣既調動了自己學習課程的積極性，也為課程實驗交上了滿意的答卷。

五、結 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》的課程教學和實踐也應不斷吸收新知識，豐富教學內容，因此，對該課程實驗教學改革研究具有可行性和必要性。在《數字圖像處理》課程實驗教學改革研究中，可以根據不同層次的學生，發揮醫學院校為背景的優勢，精選實驗教學內容，注重師生之間的交流及學生創新意識與綜合設計能力的培養。隨著實驗教學改革的不斷深入和完善，該課程會取得更加良好的教學效果，使學生的信息綜合設計能力和創新能力有明顯的提高。

參考文獻：

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