面向邏輯思維與表達能力培養的數字圖像處理課程教學方法探討與實踐

張永飛

(北京航空航天大學　計算機學院，北京　100191)

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面向邏輯思維與表達能力培養的數字圖像處理課程教學方法探討與實踐

張永飛

(北京航空航天大學計算機學院，北京100191)

摘要：隨著社會的發展，大學生面臨的機遇和挑戰越來越多。要想在激烈的競爭中立于不敗之地，就必須提高大學生的綜合素質，其中很重要的一點就是要提高大學生的邏輯思維和表達能力，這是培養創新人才的關鍵所在?！皵底謭D像處理”是高等院校信息類學科的重要課程。論文在分析探討邏輯思維與表達能力培養重要性的基礎上，結合“數字圖像處理”等課程教學，對培養學生的邏輯思維與表達能力進行了探索與實踐，為更好地開展“數字圖像處理”等相關課程教學提供參考，逐步培養和增強學生的邏輯思維與表達能力，更好地促進學生綜合素質與能力的提升。

關鍵詞：高等教育；邏輯思維與表達；數字圖像處理課程

隨著社會的迅猛發展和技術的日新月異，大學生面臨的機遇和挑戰越來越多。要想在日益激烈的競爭中立于不敗之地，就必須積極培養和提高大學生的綜合素質和創新能力。邏輯思維與表達能力是綜合素質與創新能力的基礎和重要組成部分。邏輯思維能力是指對事物進行觀察、比較、分析、綜合、抽象、概括、判斷、推理的能力，而邏輯表達能力就是一種清晰準確、有理有據地表達自己思維過程的能力[1，2]。因此，培養和提高大學生的邏輯思維能力，是提高大學綜合素質的重要方法，也是為國家和社會培養更多高素質人才的有效方法。

一、邏輯思維與表達能力培養具有重要意義

邏輯思維與表達能力的培養對提高大學生的綜合素質和培養創新性人才都具有重要意義[3]。

1.較強的邏輯思維能力促使大學生更好地學習和掌握專業知識。具備較強邏輯思維能力的人，在思考問題的時候思維清晰、邏輯嚴密，能夠透過事物和現象的表面，較深入地理解和分析其本質。在學習過程中，好的學習方法通常能使學習產生事半功倍的效果，因此，掌握邏輯思維方法，具備較強的邏輯思維能力有利于開展各個學科和知識的學習和掌握。

2.較強的邏輯思維能力有助于提高大學生的綜合素質與能力。高等教育的主要任務之一就是培養和提高學生的綜合素質與能力。高素質的人才應該會學習、會思考、具備較強的發現問題、分析問題和解決問題的能力，應該能夠很快地適應不斷發展和變化的社會環境。邏輯思維能力可以提高大學生運用專業知識的能力，更好地提高自身的綜合素質與能力。因此，要提高大學生的綜合素質，就需要大力培養和提高大學生的邏輯思維能力。

3.較強的邏輯思維和表達能力可以提高大學生的社會競爭力[4]。所有學生畢業后都要面臨找工作、求職面試。無論是招聘考試還是面試，用人單位除了考察必須的專業知識外，他們都越來越重視求職者發現問題、分析問題和解決問題的能力以及語言表達能力和一些臨場應變能力，而這些都是以邏輯思維與表達能力為基礎的。因此，邏輯思維和表達能力的培養能夠提高學生的社會競爭力，在日益激烈的社會競爭中占據優勢。

4.邏輯思維和表達能力的培養對創新性和創造力的提升意義重大。已有研究表明，大學生邏輯思維能力與和創新性和創造力之間存在密切聯系[5]。邏輯思維能力強的學生，往往能更加系統地分析問題，抓住問題的本質，從而提出有效可行的思路，解決問題。而邏輯思維能力較弱的學生，做事時往往是人浮于事，解決問題的能力和創造力水平一般也都較低。另一方面，邏輯表達能力強的學生，往往能與老師、同學和本領域專家學者更好地進行思想交流與碰撞，從而激發出創新性的靈感。

5.較強的邏輯思維和表達能力對提高國家綜合國力和核心競爭力具有重要的戰略意義。今年兩會上，李克強總理在政府工作報告中指出要把“大眾創業、萬眾創新”打造成推動中國經濟繼續前行的“雙引擎”之一。創新教育愈來愈成為我國高等教育的核心與關鍵。如上所述，邏輯思維和表達能力的培養對創新性和創造力的提升意義重大。因此，在高等教育教學中，重視學生邏輯思維和表達能力的培養，并在研究生教育中進一步加強，對培養創新型高級人才、對促進整個社會和國家的科技創新能力，從而提高國家綜合國力和核心競爭力具有重要的戰略意義。

二、國內外現狀

在國外，邏輯教育與邏輯思維能力培養一直被作為一種面向全體受教育者的素質教育。聯合國1974年公布的基礎學科分類目錄，將基礎學科分為數學、邏輯學、天文學和天體物理學、地球科學和空間科學、物理學、化學、生命科學七大類。其中，邏輯學就被排在第二位；聯合國教科文組織的一份報告指出，一次由50個國家500多位教育家列出的16項最關鍵的教育目標中，把發展學生的邏輯思維能力列為第二位[6]。

歐美一些國家以及亞洲一些國家(如印度等)在中小學教育、大學教育中，都十分重視邏輯素質教育，認為邏輯教育和邏輯訓練，對于提高受教育者的科學素質、思維素質、文化素質、思想素質等，具有不可缺少的重要作用。歐美政府教育部門對思維能力的培養非常重視，紛紛出臺政府文件，明確將培養思維能力寫進國家課程標準或培養目標[7]。1991年，美國國家教育目標制定小組就曾將“思維能力、交際能力和解決問題的能力”列為21 世紀大學生培養目標。1999年英國國家課程標準提出了學習者應具備的五種思維能力，分別是：信息處理能力、推理能力、質詢能力、創造性思考能力和評價能力。印度從中小學到大學都把邏輯學知識的學習和對學生進行邏輯訓練定為教學的重要內容，要求從小學教育、中學教育到大學教育，都開設一定的與之相適宜的邏輯學課程或者加有邏輯學知識的課程，重視加強大學生的邏輯思維素質。

但縱觀當前形勢，邏輯思維教育在我國的教育體制中還沒有得到足夠的重視，我國大學生的邏輯思維能力普遍不高。國內高校很少有專門開設邏輯思維課程，也鮮有專門針對邏輯思維與表達能力培養的訓練。學校的教學大綱中沒有針對邏輯思維與表達能力的培養方案，而在教學考核中，也大多以具體題目解算為主的考試作為評價指標，大學生邏輯思維和表達能力的培養得不到足夠重視。這種情形對中國創新人才的培養是很不利的，也不利于國家綜合國力的提高和競爭。廈門大學研究生馬向華在其碩士論文《大學生邏輯思維能力現狀調查研究》[8]中通過對廈門大學文理科二三年級342 名同學的邏輯思維能力現狀進行了對比研究后得出結論，大學生邏輯思維能力有待提高，并特別建議大學老師應結合專業知識的講授有意識、有針對性地培養和提高學生的邏輯思維能力。

多年來在教學、科研和學生指導一線、特別是各種答辯和面試中常常見到一個現象：“我們培養的學生，在基礎理論、技術算法、動手實踐能力方面應該還是具有扎實的基礎和優勢，但是，邏輯思維能力和表達能力方面則很不樂觀”。針對具體的理論推導或算法實現，我們的大多數學生表現的非常優秀，游刃有余。然而，更進一步的，針對具體的實際問題，準確有效的凝練出技術問題，理清別人怎么做的(研究現狀)？你為什么這么做？這么做的好處(創新性)？針對諸如此類問題，卻有相當一部分學生不會像前面那樣從容回答。究其原因，有一部分學生是根本沒有深入的分析和思考這些問題，同時也有一部分學生是不知道如何把自己的思路條理清晰地表達出來。

針對此類問題，作者通過對現有的在學生邏輯思維和表達能力培養方面的問題和解決方法調研與分析，結合高等院校信息類學科重要課程“數字圖像處理”，通過合理設計系統性的大作業、教師授課與學生自主學習討論有機結合、增加“前沿技術學術辯論”等邏輯思維和表達能力培養形式和措施，探索一套切實有效的、易推廣的邏輯思維和表達能力培養模式，在日常教學實踐中鼓勵和培養學生的問題分析、思考、解決的能力和溝通表達的能力，逐步培養和增強學生的邏輯思維與表達能力，更好地促進學生綜合素質與能力的提升。

三、面向邏輯思維與表達能力培養的數字圖像處理課程教學方法探討與實踐

針對目前國內高校學生在邏輯思維與表達能力方面有所欠缺的問題，結合作者在“數字圖像處理”課程教學中的經驗，探索和設計了一套“三步走”的邏輯思維和表達能力培養模式。

1.課程內容安排與設計

在課程內容安排與設計方面，針對不同課程內容的特點，探索教師授課與學生自主學習討論有機結合，增加學生自主學習和討論、報告內容，鼓勵和培養學生的自主學習、邏輯思考和溝通表達能力。現有很多課程，特別是像“數字圖像處理”一類的課程，教學內容多，課時又有限，授課老師必須在有限的課時內講授大量的內容，對老師也是很大的負擔，學生也只能繃緊神經，一路跟著老師走，根本沒有自主思考和吸收的機會，最終也只能導致囫圇吞棗，事倍功半。

針對此問題，根據不同課程內容的特點，探索教師授課與學生自主學習討論的有機結合的方式，對于主要核心難點、重點內容，仍采用老師授課的方式傳授，學生可以較輕松地跟著老師學習并有時間思考；而對于一些非重點算法的詳細推導或者理論的應用，則安排為學生課外自學內容，但采用大作業、課堂報告、專題講授與研討[9]等方式來監督和考核學生對相關內容的掌握。

以“數字圖像處理”課程視頻編碼技術相關內容為例，若要老師把MPEG系列還有H.26X系列所有的視頻編碼標準及算法都在課堂上授課，那無論對于老師還是學生，都是一件相當痛苦的事情。另一方面，如果授課教師利用2-4課時講授視頻編碼的必要性、可能性和視頻編碼的框架與關鍵技術，具體從MPEG-1、H.261到H.264/AVC，再到最新的H.265/HEVC國際視頻編碼標準的逐步發展與技術革新，則由學生自主學習和分組討論；然后，再利用2-4課時分組讓各小組委派代表走上講臺匯報自學的結果，即不同視頻編碼標準的區別和核心算法的演進，教師再以點評和討論的方式補充學生不足或謬誤之處，并引導和發起隨堂討論，吸引學生質疑和參與研討；最后結束時由老師總結和評述，并布置相應的課外作業和實驗，以加深學生對知識點的理解。這樣，可以把學生從填鴨式的教育中解脫出來，發揮其主觀能動性，積極思考，積極討論，在幫助學生牢固掌握課程內容的同時，培養和鍛煉他們的邏輯思維與表達能力。

2.課程大作業設計與布置

在課程大作業設計與布置方面，根據教學進度與重點、難點內容，合理的設計系統性的大作業，鼓勵和培養學生的問題分析、思考和解決能力?，F有部分課程作業或大作業多是強調學生對一個知識點的理解與掌握，而實際上培養學生對一個知識面內相關知識點的融會貫通和靈活應用才更加重要。因此，在課程教學過程中，應在繁多的知識點中精煉出幾個典型的大作業的內容，設計一系列面向知識面內各個知識點綜合應用的大作業，以及與學生密切相關的問題，鼓勵學生積極思考分析并解決問題。這樣既能在系統掌握專業知識的基礎上提高邏輯思維與表達能力，又不增加學生額外負擔。

例如在“數字圖像處理”課程教學中，當講完圖像平滑相關算法后，現有的大作業大多是讓學生編寫程序驗證中值濾波、鄰域平均法等空域圖像平滑方法，或低通梯形濾波器、低通高斯濾波器、低通指數濾波器、巴特沃思低通濾波器等頻域圖像平滑算法的有效性。這樣做可以讓學生實現和體會每種算法的特點，但并沒有促使他們深入思考，如不同噪聲的特點、以及不同的圖像平滑算法的特點、優勢和不足；如何針對不同的原因，如不同類型的噪聲，如何選擇并設計不同的算法，才能更有效的實現圖像的平滑。針對此問題，可以設計一組含有不同類型噪聲(單類型噪聲或復合型噪聲)的圖像，讓學生分析不同圖像噪聲的特點，并根據不同的圖像平滑算法的特點、優勢和不足，有理有據地分析和選擇最優的圖像平滑算法，并進行實現和驗證。同樣在“數字圖像處理”課程教學主要內容結束后，鼓勵學生貢獻自己喜歡但又質量不佳的(欠/過曝光、運動或對焦不準引起的模糊、污損等)照片，3～5人分為一組，通過對質量不佳的照片的特點的觀察，分析討論影響照片質量的原因；另一方面，通過對不同濾波器特性的比較和分析以及多人之間的溝通和交流，推理和判斷哪些算法可能對哪些照片有效；然后再分頭去實現和實驗，驗證自己整個思考和判斷過程的正確性。最后，按小組匯報本組的任務、解決思路和最終結果等，通過大家一起分析和討論，百家爭鳴，取長補短。通過這樣，在激發學生的積極性和主動性的同時，培養學生對一個知識面內相關知識點的融會貫通和靈活應用，提高他們的邏輯思維和表達能力。

3.前沿技術學術辯論

在“數字圖像處理”等快速發展和完善的學科和技術課程教學方面，增加“前沿技術學術辯論”環節，進一步培養和提高學生的邏輯思維、表達與創新能力。例如，對于“數字圖像處理”“計算機視覺”“多源信息融合”這樣發展日新月異的學科來說，能不能跟上最前沿的學術動態，是能否創新的關鍵。因此，針對此類課程教學，在現有課程教學的基礎上，增加 “前沿技術學術辯論”環節，在每門課程重要知識點講授完成或者課程全部講授完成后，以某個方向的應用為例，鼓勵學生積極學習和掌握前沿技術動態，并通過辯論討論等形式，培養和提高學生的邏輯思維與表達能力。

以“數字圖像處理”課程中的圖像分割為例，在給定的同一組待分割圖像的任務下，引導和鼓勵學生根據興趣選擇T-PAMI、IJCV等本領域頂級期刊或CVPR、ICCV、ACCV等頂級會議論文中最新的技術與算法(例如Level Set、Graph Cuts、Random Walker、Superpixel、Mean-Shift、Turbepixels、Geodesic等)來處理這些圖像。學生根據自己的興趣在一定范圍內自由選擇某一篇文章作為研究內容，并組成若干個“興趣小組”，經過小組成員略讀、小組討論、個人分別精讀、小組討論等多輪推進，最終形成一篇綜合性的報告向全班同學介紹該文章的主要內容、研究方法或技術的創新性、存在的問題，以及小組是否討論并提出一些改進的意見和思路。在此基礎上，全班同學都可以參與討論和辯論，群策群力，就各種算法的優勢、局限性等展開討論和辯論，讓學生在交流和討論中碰撞出創新的火花。如有興趣和可能，教師將創造機會和提供相應的條件，幫助學生驗證和實現這些新的想法，并最終以報告或文章的形式發表。通過此過程，每個同學只需花一份的時間，就可以學習和掌握多個研究課題的研究現狀和最新動態，達到事半功倍的目的。最主要的是，通過此教學法，可以在最大程度上增強交流，刺激和發揮每個學生思考問題、分析問題和解決問題的能力，培養其創造實踐能力。此外，也可提高學生表達自己學術觀點、進行學術交流與合作以及團隊協作等綜合素質與能力。

四、結語

為了培養和增強學生的邏輯思維與表達能力、更好地促進學生綜合素質與能力的提升，作者通過對現有教學課程和教學活動進行深入調研分析，探討和設計了若干在日常教學和科研實踐過程中能逐步培養學生邏輯思維與表達能力的方法，并將其應用在信息類學科重要課程“數字圖像處理”教學過程中，極大地促進了學生的主動性和積極性，課堂教學的學生參與度顯著提高，課堂氣氛活躍、互動頻繁、討論熱烈，取得了良好的反饋和積極的效果。

邏輯思維與表達能力的培養和增強、學生綜合素質與能力的提升具有重要意義，這也對授課教師提出了新的挑戰和更高的要求。“數字圖像處理”作為信息類學科重要基礎課程和信息方向研究熱點之一，是信息類課程的教學重點。我們還將繼續探索實踐，不斷完善教學內容和方法，并在相關課程中進行推廣和不斷反饋完善，逐步培養和增強學生的邏輯思維與表達能力，更好地促進學生綜合素質與能力的提升。

(責任編輯：梁京章)

參考文獻：

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[2]張志超，汪安平.淺析大學生邏輯思維能力培養[J].民營科技，2011(11)：111-112.

[3]劉曄.試論邏輯學在大學生素質教育中的重要性[D].重慶：西南大學，2009：19-24.

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[7]王淑花，吳尚義.國外思維能力培養研究綜述[J].教育與職業，2010(18)：176-178.

[8]馬向華.大學生邏輯思維能力現狀調查研究[D].廈門：廈門大學，2005.

[9]周海芳.“數字圖像處理”課程研討式教學[J].計算機教育，2010(24)：93-97.

Logical Thinking and Expression Ability Training-Oriented Teaching Method Discussion and Practice of Digital Image Processing

ZHANG Yong-fei

(School of Computer Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract：With the fast development of the society and high-tech，the college student are facing more and more opportunities as well as challenges. To remain invincible in the fierce competition，it is necessary to improve college students' comprehensive quality. One of the very important points is to improve students' logical thinking and expression ability，which is also the key to cultivating innovative talents. “Digital Image Processing” is an important course in Information Science in colleges and universities. Based on the analysis of the importance of cultivating the logical thinking and expression ability，this paper presents some exploratory teaching method to cultivate students' logical thinking and expression ability，with special focus on the teaching of “digital image processing” course. This paper provide a reference for the better development of “digital image processing” course teaching and help gradually develop and enhance students' logical thinking and expression ability and finally better promote and enhance the students' comprehensive qualities and abilities.

Key Words：college education；logical thinking and expression；Digital Image Processing

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9719(2016)4-0056-04

作者簡介：張永飛(1982-)，男，陜西寶雞人，副教授，研究方向為視頻圖像的處理編碼與傳輸。

收稿日期：2016-02-25修稿日期：2016-03-15