《數字圖像處理》的教學改革與實踐

魏晗等

摘 要：針對《數字圖像處理》課程的特點，應用創新的設計理念，適當整合教學內容，注重基礎理論和科技前沿的有機結合，在理論中滲透實踐，在實踐中穿插理論；并采用講授法、研究法、討論法、實驗法等靈活多樣的教學方法，通過板書、多媒體課件、輔助教學軟件以及教學網絡平臺等豐富的教學手段，提高了學生的學習興趣及實踐動手能力，獲得了良好的教學效果。

關鍵詞：數字圖像處理 教學改革 教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-2117（2014）08-0012-02

1 前言

數字圖像處理技術的應用非常廣泛，已經滲透到計算機、通信、交通、物理、醫學、化學、生物學、軍事、經濟等各個領域，與人們的生活密切相關?！稊底謭D像處理》是信息技術領域中發展較快的一個熱門領域，是模式識別、計算機視覺、多媒體技術、數據挖掘等學科的基礎，也是一門涉及多領域的交叉學科。

該課程的理論性和實踐性都很強，要求學生在掌握圖像處理的基本概念、基礎理論、典型算法的基礎上，掌握一定的編程實踐能力，能夠利用計算機編程實現數字圖像的各種處理，如圖像變換、圖像增強、圖像恢復、圖像重建、圖像分割、圖像編碼和圖像識別等，在學習圖像專業知識的過程中增強學生的創新意識，培養學生獨立獲取知識和綜合運用所學知識分析和解決實際問題的能力，提高學生的實際動手能力，為其今后深入地進行科學研究和獨立工作奠定良好的基礎。

2 創新教學理念

在《數字圖像處理》課程的教學中，努力貫徹素質教育的先進理念，注重教與學的有機結合，堅持以學生為主體，教師為主導，最大限度地發揮學生的主觀能動性，將培養學生的主動思維，鼓勵學生的創新意識作為教學的重要目標之一。

對于教學內容的設計，以圖像處理算法的理論作為授課的重點，以算法的產生、應用、改進為主線，突出知識的內在聯系，揭示數字圖像處理發展的內在規律（要求學生重點理解）。

掌握數字圖像的基本概念和基本算法，關注圖像應用的前沿動態，培養學生的創新思維能力，并根據課程需要，適當將數字圖像處理領域中最新的技術手段，研究進展以及發展趨勢納入教學，并鼓勵學生對新知識、新領域進行積極地探索。

在教學過程中，努力將復雜抽象的理論融入到形象直觀的應用實例當中，將算法實現過程中的重難點問題分解細化為可展現的圖像處理效果，在理論中滲透實踐，在實踐中穿插理論，注重理論聯系實際，培養學生的工程實踐能力，真正使學生樂學、易學并會學。

3 改革教學內容

數字圖像處理技術在科學研究、工農業生產、軍事技術和醫療衛生等許多領域中發揮著越來越重要的作用。圖像技術的快速發展決定了《數字圖像處理》課程的教學內容也需要不斷更新，教材原則上選用專業內容全面新穎的教材，即圖像專業基礎知識相對穩定，并能夠緊跟數字圖像處理技術發展趨勢。對于輔助性教材，可以根據圖像課程的系統性和實用性，并考慮到擴充學生的視野，可以選一些國際上經典書籍如外文經典專著。目前我們以2012年清華大學出版社出版的，章毓晉編寫的《圖像工程（上冊）——圖像處理（第三版）》教材為主線，以美國Rafael C.Gonzalez 等編著的Digital Image Processing，阮秋琦編著的《數字圖像處理學》等教材和中外科技期刊發表的最新圖像技術為參考資料，并適當補充本領域中的一些新技術、新方法及新成果。

對圖像處理教材內容進行整合，課內圖像處理基礎知識分為九大模塊：圖像與視覺基礎、圖像運算與變換、圖像增強、圖像恢復、圖像重建、圖像編碼、圖像分割、圖像目標表達與描述、圖像識別等內容。

在授課過程中，一般知識點進行自學，系統講解重點難點內容，如直方圖均衡等，而對于教材中未寫進或無系統介紹的前沿性、創新性或跨學科的內容，則滲透到各個章節中。例如，將水果識別系統、車牌圖像的自動識別、基于內容的圖像檢索等新技術滲透到圖像增強、圖像分割、圖像目標表達與描述和圖像識別等各個章節中，授課內容完成，那么自動識別系統模型建立，學生就完成了水果、車牌等圖像的自動識別。通過這種方法強調基礎，跟蹤前沿，將基礎理論與實踐有機地結合起來，使學生不僅能夠學到課程的基礎知識，了解科學前沿的最新成果，加強學生的實踐動手能力，而且與時俱進，增強了學生的好奇心，促進學生創新能力的培養。

4 改進教學方法

在數字圖像處理教學中，綜合運用課堂講授法、研究法、討論法和實驗法等教學方法，發揮各種教學方法的優勢，引導學生積極參與教學。

對于一般的重點難點內容，例如，圖像增強中的直方圖增強等模塊，同時以課堂講授和實驗法為主，在講解圖像增強理論的同時進行圖像直方圖增強實驗，在圖像增強原理講完之后直接出現直方圖增強的前后對比圖，可以激發學生的興趣和動手能力。

對于圖像邊緣檢測等一些難度相對較小的內容，首先以講授法系統地講解其中一種邊緣檢測算法，其他與之原理相似的算法則運用討論法，以學生討論、交流為主，教師引導、點評為輔進行。

對于課堂難度較大的內容如圖像恢復與重建，則采取研究法為主，其他方法為輔。促使學生主動思維，成為真正的學習主體，教師根據學生反饋的信息及時把握學生思維過程，成為真正的主導。

另外，對于圖像某一知識模塊的引入，可以適當設置一些懸念或疑問，再引出講授的主要內容，即將教學過程設計成一個“產生疑問—尋求解決方法—解決疑問—再產生疑問—再尋求解決方法一再解決疑問……”的過程。這樣不僅有利于增強授課內容的邏輯性，還有利于啟發學生的思維，激發學生的興趣及創新能力。

5 豐富教學手段

鑒于數字圖像理論知識比較豐富，實踐性比較強，應用領域比較廣的特點，以及現有教學設備、教學網絡環境的改善，《數字圖像處理》課程采用板書、多媒體課件、輔助教學軟件以及教學網絡平臺等多元化的教學手段。充分活躍課堂氣氛，提高教學效果，促進教學改革，提高學生的學習興趣及實踐動手能力，增強學生的信息素養，獲得了良好的教學效果。

對于數字圖像處理中典型算法的原理與推導等難度較大的內容，以板書為主，通過對公式的推理計算，體現出知識的邏輯性和嚴謹性。同時適當輔以多媒體課件對圖像處理的結果進行演示，以加速學生對授課內容的理解，增強了學習的直觀性、生動性和趣味性。

針對本課程的特點，開發了輔助教學軟件，利用該軟件在課堂教學中將圖像處理算法的實際效果進行隨堂演示，從而將枯燥的理論推導轉化為立竿見影的實際操作。讓學生充分感受到數字圖像處理技術的巨大魅力，從而降低了理論知識學習的難度，增加了課堂的信息量、激發了學生的學習興趣，實現了化靜態為動態，化抽象為直觀，化復雜為簡潔，使課堂教學的效率大大提高。此外，又鍛煉了學生的研究性學習能力，培養了學生的創造性思維。

根據課程教學標準，進一步改革教學實踐，安排了實驗教學，并將實驗內容劃分為驗證性實驗和設計型實驗。驗證型實驗的設計，要求學生掌握數字圖像處理、基本操作處理和簡單的典型算法編程，從而實現對課堂上理論知識的學習鞏固，增強了學生的編程能力和基本的項目開發能力。設計型實驗需要學生對源代碼進行分析研究、修改或補充，動手設計一些綜合性或創新性的算法，分析實驗結果，寫出實驗報告或論文。既培養了學生發現問題，分析問題和解決問題的能力，又提高了學生的動手能力和創新能力。

利用大學提供的教學網絡平臺，把圖像處理課程的教學標準、授課教案、教學課件、習題、實驗指導以及相關參考資料都上傳到此教學網絡平臺。同時引導學生在網絡上積極討論關于圖像處理方面的一些最新研究等話題，激發學生討論及思考。另外，學生對于未消化的難點，也可以在網絡平臺上提出，教師及時通過教學平臺進行回復，實現課后數字圖像處理教學的互動，從而作為課堂學習的補充。教學網絡平臺實現了教學資源的共享，課后教學的互動，豐富了教學手段，為開展多種形式的教學奠定基礎。

6 改革考核方法

課程考核對于加強學生對學習內容的掌握、實驗技能的提高、創新能力的培養具有很大的促進作用。然而，傳統的閉卷考試，主要考核學生對課堂教學內容的理解和掌握，容易使得學生將注意力放在背記考點及研究考試技巧上?！稊底謭D像處理》課程是一門實踐性很強的課程，僅采用這種評價方式將難以調動學生實踐學習的積極性，達不到良好的效果。

在考核方法的改革上，對《數字圖像處理》課程采用了綜合性的考核方法。期末考試采用筆試開卷方式，主要強調學生對數字圖像處理技術基礎理論的宏觀掌握。在考試題目設計上，重點強調學生知道如何去尋找解決問題的方案，考核學生發現問題，分析問題和解決問題的能力；同時增強實驗成績的比重，根據學生對實驗內容的完成情況，以及創造性解決圖像處理問題的能力，對實驗成績進行評分。另外，還將平時的聽講，回答問題，作業的情況列入平時成績。因此《數字圖像處理》課程最終的考核成績包括三個部分：期末考試成績（占50%），實驗成績（占30%）和平時成績（占20%）。

通過課程考核方法的改革，不僅有效地檢驗了學生對《數字圖像處理》課程的綜合掌握程度，而且還能激發學生學習的積極主動性，提高了實踐創新能力。

7 結語

隨著信息技術不斷發展和完善，數字圖像處理技術也在不斷發展，并且越來越多地應用于各個領域，相應地，數字圖像處理課程的教學改革和實踐也應與時俱進，結合國內外科研和教學成果，不斷吸收新知識，豐富教學內容；根據教學內容靈活運用各種教學方法，使學生在掌握數字圖像處理基本理論和方法的基礎上，培養學生的實踐動手能力，創新意識與綜合設計能力，使學生的信息綜合設計能力和科學研究能力有明顯地提高。激發學生主動學習的興趣，提高學生進行研究性學習的能力，同時進一步提高教學質量和教學水平，真正培養出具有開拓精神和創新意識的現代化新人。

參考文獻：

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