基于BOPPPS模型的數字圖像處理教學設計

石蘊玉+韋鈺

摘要：本文從學科基礎平臺課的角度分析了目前在講授“數字圖像處理”課程過程中遇到的問題，為此采用BOPPPS教學模型進行課程知識點和講解方式的設計，并給出了具體應用實例；在課程定位的基礎上，該方案著重突出了在授課人數多、知識背景分散、授課課時有限的情況下滿足多專業學生的基本學習需求，培養學生的學習興趣，從而激發學生的自主學習意識和知識探索的精神。

關鍵詞：數字圖像處理；BOPPPS模型；學科基礎平臺課；教學設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）05-0168-02

數字圖像處理是講授在特定的需求下如何采用計算機技術對數字圖像進行相關處理的一門課程，目前是我校電子電氣工程學院的學科基礎平臺課，主要面向大二的本科生，學生來自于四個一級學科中的六個專業。在這種背景下，如何準確把握知識結構和有效組織教學方式對課程主講老師們提出了更高的要求。為了解決這些問題，在講授該課程的過程中引入了BOPPPS教學模式，即采用BOPPPS模型來組織知識點拆分和教學過程，使學生既能夠清晰地了解到基礎知識，還可體會到相關方法的實際應用和研究趨勢。

一、課程定位及現狀

數字圖像處理涉及多類學科，理論深度、難度均較高，需求應用也非常廣泛，課程內容豐富龐雜。近年來計算機、數學、生物醫學、通信技術的迅猛發展，推動著數字圖像處理課程中教學內容和教學方式的更新和替換，并且根據課程群框架和授課對象的自身特點，多位一線教師已經進行了一系列課程建設與優化，例如從工科專業角度出發優化基礎課程提綱[1]、以專題形式組織多層次指導、以項目驅動模式開展教學[2]、以研討方式修訂教學方案[3]等等。

數字圖像處理目前是我校電子電氣工程學院的學科基礎平臺課，授課對象來自于四個一級學科中的六個專業，包括計算機科學與技術、自動化、電子信息、電氣工程等。授課人數較多、學科背景分散的特點為我院的主講教師提出了新的挑戰。以往在教學過程中僅采用經典教材、以理論授課為主、直接以Matlab軟件進行實驗驗證的方式已不適應于如此寬泛的專業背景及授課人數。因而，對作為學科基礎平臺課的數字圖像處理課程進行教學改革勢在必行。

數字圖像處理知識點之間盡管關聯緊密，但知識結構并不顯著，因而面向多專業來準確把握知識結構及難點重點是課程教改的首要問題。首先，應該重新理解并整合數字圖像處理課程的理論體系，尤其是要深入了解各專業的前期課程設置以便了解各專業學生的先驗知識及技能掌握情況，優化精選存在共性的授課內容。其次，應該立足于科學前沿研究成果，吸收數字圖像處理領域的新技術和新方法，逐級逐步地更新課程知識要點，并充分考慮知識的銜接過渡及先后次序，根據授課對象的實際情況突出知識重點及難點，著重介紹技術和方法的研究背景及意義，以及實踐應用和優劣之處。再次，在知識結構系統化的基礎上，應該將主講教師的科研成果或應用成果反哺于本科教學，并且以案例方式使之更加具體化，可以使得讓學生從原本的知識點簡單疊加轉變為對現有知識結構的立體化感知，從理論分析到實際案例來進一步明確知識的演化。

二、BOPPPS教學模型的應用

在明確課程內涵的基礎上，為適應學科的發展，結合具體的教學實際和學生的學習需求，重新修訂了教學方案，確定了課程的重點和難點內容范圍。在更新課程知識結構時，充分考慮知識的講授框架，以“知識點—知識線—知識面—知識網”的方式進行組織，逐級推進，建立多目標多層次的講授體系，根據學生的實際需求來微調課程的重點和難點內容。在進行課程講解時，以“點突破”的教學方式為主，以點及面地帶動其他知識。

1.BOPPPS教學模型介紹。BOPPPS教學模式也被稱為有效教學模型，以六個階段的首字母相連來命名，分別是B導言、O學習目標、P先測、P參與式學習、P后測及S總結[4]。這六個階段的次序不是一成不變的，可以根據需要進行調整，在迭代使用的時候，可以省略前測和后測環節，其突出特點是強調教學反思和加強互動，將BOPPPS教學模型引入應該可以解決目前在講授數字圖像處理課程的過程中所遇到的問題。

導言階段的目的是為了幫助學生集中精力、專注于本次課程中將要講解的內容。教師可以提出生活中的實際案例，或者根據教師的個人經驗來提出與課程內容相關的問題等等，以此引出本節課的知識重點；在目標階段教師應該明確地提出課程目標，以及為了達到這些目標所需要的知識內容，同時給學生增加信心，在前期的知識基礎上能夠掌握這部分知識內容，達到認知、情意、技能三要素上的共通；先測階段的目的是保證教師對學生的興趣與能力，在此基礎上調整課程內容的深度與進度，教師可以通過提問、實驗驗證等多種方式，使學生透過先測內容聚焦于特定的達成目標；在參與式學習階段，可以采用教師與學生之間互動的方式，也可以采用學生之間討論或小組討論的方式，教師需要促進課堂互動的有效性，同時防止討論內容不要偏離課程主題；后測階段并不是必須進行的階段，教師可以在此階段提出問題，繼續讓學生進行設計、解答或實驗驗證，以此來加深了解學生對本次課程內容的掌握程度以及是否達到了教學目標；在總結階段教師需要幫助學生再次回顧導言中提到的問題、目標階段中提出的課程目標，以及為了達到這個目標所采用的課程知識和效果，整合知識要點，根據本節課的討論內容來預告下堂課的內容。

2.BOPPPS模型的引入實例。本文以“圖像對比度增強”這一知識點為例，來講解如何基于BOPPPS教學模型的六個階段進行知識點的教學設計，教學時長為15分鐘。

在導言階段，首先通過一幅特定的數字灰度圖像進行知識回顧，采用提問的方式來了解學生對知識點的掌握情況，明確對于一張照片的“太暗了”、“看不清細節”等主觀感受實際上對應于圖像的亮度偏低和對比度偏低。

在目標階段，明確今天的學習任務與前面所講的示例有關，即對兩張示例照片進行處理，通過處理灰度圖像提高它們的亮度和對比度。最關鍵的部分是設計灰度映射函數，即今天的學習重點。endprint

建立了學習目標之后，向學生提問在掌握前期基礎知識的基礎上，是否能夠想到方法來增加第一張示例圖像的亮度。有同學可以想到通過直接增加像素點的灰度值來提高整幅圖像的亮度，緊接著采用Matlab編寫相關的語句來完成這個操作進行及時的驗證，讓大家了解到相關操作的可行性和有效性。

接著可以請同學對第二幅示例圖像進行相同的Matlab程序編寫和結果顯示，以此來說明盡管增強了亮度，但對于改變圖像對比度幾乎不起作用。分組討論的主題是如何增強圖像對比度，一個自然的想法是對這幅圖像里的灰度進行有選擇的亮度變化。可以選擇示例的一條曲線對圖像進行處理。同樣借助Matlab來查看這種方法的處理結果，然后再通過另外兩個灰度映射函數來說明對于圖像處理的作用。

在進入后測階段之前，再次明確前面的方法都是對灰度進行了映射變換，所不同的是對于像素是否進行了選擇操作。在此要求學生理解映射函數的設計含義，并且在Matlab程序中進行效果驗證；并且思考這兩種提高圖像亮度和對比度的應用場景，組成討論小組進行討論。

最后的總結階段，再次回顧本小節課程內容的學習目標和處理方法，總結處理方法的原理和具體設計方案，指出每類方法的處理過程和應用場景，并通過示例圖像指明這兩類方法的局限性，即沒有考慮到圖像自身的灰度分布特征，進一步指出將會在下個小節來學習與圖像的直方圖有關的處理方法。

本文基于課程的定位設置，采用BOPPPS教學模型進行教學設計，以問題為導向，準確把握了知識結構及難點重點，有效確保了實踐環節與理論環節的銜接。在課程開展前期主講教師已經對知識內容進行了拆解和聯系，盡量按照BOPPPS教學模型的六個環節來組織教學方式。在BOPPPS的先測和后測階段實踐了小組式討論的方式，在授課過程中學生的主動反饋在一定程度上已經驗證了部分學習效果。近期的課程進展表明此類教學方案可以適應當前的課程設置背景，基本滿足了來自多專業學生的學習需求。

參考文獻：

[1]馬衛紅，倪晉平，田會.“數字圖像處理”課程教學內容優化的探索和實踐[J].中國電力教育，2011，（31）：99-100.

[2]金煒，周亞訓.“數字圖像處理”課程項目驅動教學模式的實踐[J].中國電力教育，2010，（7）：82-83.

[3]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.

[4]袁恩，劉鵬，齊望東.基于BOPPPS模式的計算機網絡原理教學改革[J].計算機教育，2015，（6）：26-29.endprint