“數字圖像處理”小組課題驅動教學法探索

王旭初

摘要：將小組合作分工法與課題驅動法有機結合并應用于光電信息類《數字圖像處理》課程教學，通過引導學生以小組學習方式來解決與課程密切相關的課題任務，并貫穿于理論教學與上機實踐應用之中，激發學生學習積極性、提高學生團體合作能力，幫助學生加深對課程理論知識和實際應用的理解。教學實踐表明將小組分工合作和課題驅動相結合的教學方法能提高學生學習主動性和學習興趣，有利于提高學生學習效率，強化學生分析問題、團隊合作和解決問題的能力，增強學生綜合應用能力和創新素養。

關鍵詞：小組合作；課題驅動；數字圖像處理；教學實踐

中圖分類號：G642.41 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0119-02

《數字圖像處理》課程是光電信息類專業本科生重要的專業課，要求學生掌握圖像處理的基本理論、基本方法和實踐應用。該課程學科交叉性較強，涉及學科領域較多，例如為了獲取圖像需了解光傳感器的結構和成像機理，光學和電子學方面的基礎；為了表示圖像要用到矩陣論[13]、數學分析和隨機過程；為了壓縮對圖像需要了解信息論與編碼的基本理論；為了增強圖像需要熟悉人類視覺的生理和心理特點 ，這給學生掌握本門課程增加了難度。而且，數字圖像處理課程的理論性和實踐性都較強，課程教學中存在著大量的數學公式及相關數學理論推導，需要學生有較好的數學基礎，同時理論知識還需要學生上機編程實踐才能更好地透徹理解理論知識，這對學生的編程能力又提出了要求。這些都給學生更好的掌握和學習本門課程帶來了不小的難度。

目前，傳統的《數字圖像處理》課程教學模式以課堂教學為主、實驗為輔，學生對課堂上的大量公式和數學理論推導感到枯燥和缺乏興趣，對部分抽象課程內容難以理解。學生對理論實踐比較感興趣，然而僅僅學習過C、C++等通用型基礎性程序設計語言，對MATLAB等高級編程語言接觸較少，很難編程實現專業性的算法理論。造成學生對課堂知識點理解不充分，進而對降低課程學習熱情，課后不能主動預習與復習課程知識，導致最終學習效果差，與課堂教學目的相偏離。為此，不少學者積極探索新的教學實踐方式[9-11，14，16，19，20]來提高數字圖像處理的教學效率和學生的學習興趣。課題驅動[1]是一種引人注目的教學方式，在教學中的應用很多。[2-8，12]課題驅動教學[15]的教學方式將科研項目與理論教學相結合，使學生能具體了解到《數字圖像處理》在生活實踐中的應用。

然而，上述教學方式以一種課題驅動的方式驅使學生學習，未充分調動學生主動性，且缺乏同學之間在學習過程中的溝通交流與幫助，不利于發揮團體在學習過程中的作用。為此，本文將課題驅動與小組分工合作的教學方式相融合，該方法按照“學生為主體，教師為主導，以課題任務為驅動，以小組合作的方式”的教學思路，利用實踐和小組相互幫助協調共同學習的方式鞏固和加深學生對課堂內容的理解，激發學生學習興趣，從而提高學生的綜合能力。

1 “課題驅動”與“小組合作”的內涵

“課題驅動”教學法源于建構主義學習理論，將以傳授知識為主的傳統教學理念轉變為以解決課題任務為主的多維互動式教學理念，調動學生處于學習積極性，使學生根據對課題的理解，運用既有知識和特有經驗提出方案、解決問題。它尤其適用于以實驗性、實踐性、操作性較強的教學內容，把與教學內容緊密結合的科研課題作為載體，使學生通過完成特定任務來獲得知識與技能?！靶〗M合作”學習是以合作學習小組為基本形式而進行的一種教學活動，它強調人際交流對認知發展的促進功能，利用教學中動態因素之間的互動合作來共同達成教學目標的教學活動。這種教學法將班組授課制下個體間的學習競爭關系轉變成“組內合作”、“組際競爭”的關系，將傳統教學中師生的單向或雙向交流轉變為多向交流，在提高學生學習效率的同時，能促進學生間合作關系和社會適應性的發展，增強了學生心理品質，推動了職業素養技能的培育。

上述兩種教學方法各有優點，但也有一些不足之處，比如，“課題驅動”教學法并未考慮學習者個體差異，而小組合作學習教學法則沒有考慮所依托的學習內容。為此，可將兩者結合起來實施教學，教師通過布置課題任務，鼓勵學生采用小組合作學習的形式完成學習任務。這種教學方法融合了“合作探究”與“課題驅動”兩種教學方式的優點，現已在一些教學實踐中引起注意。在這種教學方式中，教師不僅僅擔任傳統知識傳授中的單向傳播者，而是要更多地發揮學生的積極性、能動性、合作性，以“課題驅動”幫助學生理解枯燥乏味的理論知識，以“小組合作”為手段，從而幫助學生更深層次地理解課程內容，培養團隊意識等職業技能。

2 課題驅動—小組合作教學方法的實踐應用

我們將上述課題驅動-小組合作分工的教學思想融和于光電信息類《數字圖像處理》教學過程，探索出一種較為實用的教學方法，主要包括以下四個實施部分：

1） 用于教學任務的課題設置。由于《數字圖像處理》涉及知識點繁多，而且與專業特點、專業實踐緊密結合，在課題任務設置中，注意考察課題的難度和特點，既要與教學大綱緊密結合，又要激發學生興趣，還應有一定挑戰性。在課題來源選擇上，主要來源于最新研究領域及熱點和教師科研項目成果，比如人臉識別、人臉檢測、校門車牌識別，基于深度學習的圖像處理等。教師將最新的科研成果和研究熱點及時引入課堂教學，能夠培養學生的科研興趣，促進學生較早地參與科學研究，鍛煉他們的科學研究能力與創造能力。在第一次課上就對課題任務進行介紹，并指出預期目標，由易到難，讓學生初步認識每個任務所涉及的圖像處理領域，要求學生圍繞課題任務開展自主學習，并在規定時間內完成相應的學習任務。

2） 學習主體——合作學習小組的分工與職責。在本教學法中，合作學習不僅僅是一種個人的學習行為，更多表現為一種集體行為，需要學生有足夠的團隊意識和積極的參與感。為了在公平基礎上兼顧學生間的差異，要在自愿基礎上精心設計結構合理的合作小組，這決定著小組合作學習能否順利高效開展?？傮w而言，教學中遵循“各組實力盡量均衡，自愿組隊性格搭配”的原則，依據學生個人意愿，自主學習效果、性格特點、組織協調、口頭表達、編程能力等具體情況進行分組，學生之間先自由搭配，接著進行分組確認，按照學生總人數對每組人數限定為5～6人，對于少數基礎較好、學習能力強的同學可允許4人組隊。同時，每組指定一名組長，負責協調整個小組的工作，每個學生均需承擔分解任務，不能存在僥幸心理，杜絕成員之間無所事事的現象。最終任務完成情況及小組分工等安排將在課堂上代表小組進行階段匯報并接受同學提問評價。

3） 結合課題的教學內容設計。將課題內容與教學內容緊密結合，課程的教學內容的組織與課堂設計應該圍繞具體任務來進行，注重針對課題的基本原理和基本流程來引導學生進行創造性思考和知識拓展。對于教學大綱及課題中涉及的共同重點、難點等問題應采用子專題的方式授課。在每個子專題授課前，應布置學生收集資料，自學相關的背景介紹，啟發學生在學科發展視角來對某一項技術要點開展思考。在課堂討論中，引導學生形成意識問題-梳理問題-凝煉問題-解決問題的基本思路。課后，要求學生消化整理課堂討論的結果，積累解決問題必需的基礎知識，獲取解決問題的方法和手段并編程實現，最后對專題涉及的問題進行總結和歸納。實踐環節的編程工具選擇方面，應該注意課程性質特點，不應意味求難或求容易，可推薦學生選擇MATLAB平臺或Python等語言，要提醒學生在學習Basic，Java， C#等語言方面的預期困難和長遠回報。與Microsoft Visual C++等復雜的編程環境相比，MATLAB平臺簡單，自帶的圖像處理工具箱集成了圖像處理函數，能幫助學生方便地實現如圖像讀取、圖像格式分析、圖像直方圖查看、灰度增強、直方圖均衡化、分水嶺分割等經典的圖像處理算法，有利于學生快速上手，讓學生將主要精力放在對算法思想的理解上，從而調動學生的學習主動性。在課程核心知識點的算法方面，例如圖像空域增強、圖像頻域增強、圖像邊緣檢測等，不允許學生直接調用系統自帶函數，而要求學生自行編寫，以達到透徹理解的程度。

在教學內容設計中，還應當注重激發學生的積極參與感。成員的積極參與性是小組合作任務順利進行的關鍵和任務完成質量的保證。課堂理論內容盡量“精且少”，講解方式應該在教師講解基礎上強化學生自學討論，避免過深、過泛的內容講解，注重引入最新的研究成果和國內外前沿知識，拓展本課程學習的深度與廣度，激發學生的積極參與性與學習成就感，加強學生對本學科的認識和了解。通過投票評選表現最佳組員等多種方式，使學生在小組合作教學過程中獲得成就感，增加自信心。與此同時，對小組成員的分工和個人任務完成情況進行了解，保證各盡其才，小組任務高質量完成，避免學生之間在任務分配和調度方面會存在的一些問題和沖突，這對后續的小組任務進行是極為不利的。

4） 課程評價方式的設置。為了在考核中體現學生參與小組合作任務的主動性與積極性，本文教學法可以采用課外作業、實驗作業、理論考試等相結合的形式來考核學生對課程的掌握情況，也可以把平時完成項目情況作為基本依據計入學生總成績；亦可增加上機操作，進一步考查學生對MATLAB等語言的掌握情況。此時需要設定平時成績和理論考試成績的比例。為保證學生過程性學習的重要性，以項目完成情況作為依據的部分成績所占比例不宜太低。為進一步提升學生的學習主動性和創造性，還可以建立多樣化的考評機制，為此，在教學實踐中采取自我評價和小組相互評價的方式進行，在匯報小組任務的時候，要求小組長及小組成員自我評分自我匯總得出統一權重的成績，接著，由開展了類似課題學習的其他小組對該組的情況進行打分評價，最后由老師對最終成績進行匯總判定。和老師單獨評價的方式相比較，采取小組自評和互評的方式更能激發學生參與意識，促進評分成績的公平和公正，也有利于小組之間的借鑒學習，及時發現并改進本組的不足之處，更好地進行后續課程內容的學習和任務的推進。這種考核方式能夠充分檢驗學生對課程重點、難點內容的掌握程度，切實激發他們學習的積極主動性和提高他們的動手實踐能力。

3 結束語

本文根據學科專業特點，通過分析《數字圖像處理》教學中目前存在的部分典型問題，結合本學科的研究熱點、應用場景以及授課教師的科研項目，將課題驅動教學法與小組合作學習法有機相結合，應用于光電信息類數字圖像處理課程的教學實踐中，鞏固了學生對課堂理論的理解，培養了學生的分析問題、自主學習、編程實現、總結表達和解決實際問題的能力，讓學生真正地學以致用，提高學生的學習能力。通過課后調查學生對課程教學的真實感受，大部分學生反映課題任務設置合適，有助于深入理解課程知識點，所有學生認為采用小組合作方式學習效率更高，能更好地激發學習興趣，遇到問題同學之間的及時交流可以幫助解決。部分學生表示對于學習目的以及學以致用的理解更深。教學效果表明，該教學方法克服傳統教學方法所存在的弊端，較好地提高了學生的自主學習能力。學生較好地掌握數字圖像處理的核心內容，了解當代圖像處理的代表性成果和前沿趨勢，綜合應用能力和創新素養明顯增強，為培養具有較強適應能力的應用型和創新型人才打下堅實的基礎，同時也提高了學生的團隊合作能力，適應了新世紀對信息技術人才的培養要求。 （下轉第123頁）

（上接第120頁）

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