科研成果轉化為課堂教學案例的探索與實踐

劉文萍，王忠芝，宋以寧

（北京林業大學 信息學院，北京 100083）

0 引 言

2016年《教育部關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》指出，提高人才培養質量是高等教育的核心任務，深化教育教學改革是新時期高等教育發展的強大動力。大學教育是培養適應社會、能夠為社會服務的建設型人才。教育的目的不僅僅停留在知識的傳授上，在學生獲得知識、技能的同時，還應培養學生的創新能力、實踐能力和自我學習能力[1]。傳統教學方法主要是老師講、學生聽，學生是否聽課或聽懂多少內容，教師只能通過期末考試才能了解，且學生通過“聽”學到的只是知識而非能力的提升。作為數字媒體技術專業的教師，如何在本科專業課教學過程中既傳授枯燥抽象的理論知識，又能培養學生的創新能力，是我們在教學中認真思考并不斷探索的問題。高校教師除了教書育人外，也是一名科研工作者。如何將豐碩的研究成果反哺課堂教學，使得科研與教學有機結合、相輔相成，是專業課教師關注的另一個問題。

數字媒體技術專業課程理論性較強，涉及的概念和算法也很多。如果在課堂教學中照本宣科，勢必會令學生感到單調、乏味，教學效果欠佳。由美國哈佛法學院院長Langdell首創的案例教學是一種具有啟發性、實踐性，能提高學生創新能力和綜合素質的教學方法，通過對一個具體教育情景（案例）的描述，引導學生對此特殊情景進行討論的一種教學方法。在分析過程中，學生根據教師提出的問題，自己尋找解決問題的途徑和手段，以加深學生對基本原理和概念的理解，激發學生的學習興趣，從而培養學生獨立分析問題和處理問題的能力[2]。因此，將科研成果轉化為教學案例，在理論知識教學環節引入相關的科研成果編寫成案例，并在課堂上以啟發式和討論的方式與學生一起分析案例，能夠幫助學生理解并掌握課程的理論難點。此外，學生在課程理論內容全部講授結束后，還可以將每一章節的理論知識與對應案例相結合，達到理論知識融會貫通的學習目的，使學生扎實掌握課程內容，又培養解決實際問題的能力。

1 科研成果轉化為教學案例的意義

本科教學是大學教育的基礎，科研工作反映了專業理論知識的實際應用及學科發展前沿。從教學及科研活動的實質看，“教”與“研”本身是相輔相成、相互促進的關系。中科院院士錢偉長說過，“你不教課，就不是教師；你不搞科研，就不是好老師。大學必須拆除教學與科研之間的高墻，教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”[3]。科研轉化成課堂教學案例的意義主要有以下幾點。

1.1 豐富課程教學內容，拓展教育資源

數字媒體技術專業屬于工科類專業，專業課程基本是按教材授課，課程內容理論性比較強，如果用灌輸式教學方法講授，學生感覺會很抽象乏味，課堂教學效果欠佳。將科研成果轉化為課堂教學案例，可豐富更新教學內容，增強教學內容的學術性和前沿性，從而增強教學內容的深度和廣度。

1.2 激發學生的學習興趣，提高教學質量

在以往的課程教學過程中，學生經常會問學這門課有什么實用價值。我們將科研成果中與專業課程相關的內容提煉成教學案例作為教學內容的補充，并在撰寫教學案例時會充分考慮學生的能力和專業基礎，案例中的理論知識由淺入深編排，能引起學生對專業的學習和科研興趣。此外，案例教學主要采用的啟發式和互動討論的形式代替了傳統灌輸式的教學模式，讓學生由知識的接收者轉化為知識的探索者，引導學生的學習主動性，進而提高了教學效果。

1.3 鍛煉學生的科研思維，培養具有創新意識的應用型人才

科學研究主要是重視思考或討論，這些方法對于本科學生來說都是不可或缺的。大學生較早地了解專業的科研方向及科研前沿，甚至參與到教師的科研工作中，能夠極大限度地激發學生的科研興趣，拓展學生的思維，激發學生的創新欲望，不斷提高學生的自主學習能力、創新思維與實踐能力，為步入社會打下堅實的基礎[4]。

2 科研成果轉化為理論教學案例實踐

將科研成果撰寫為教學案例是將抽象深奧的專業理論知識以應用實例的形式展現出來，讓學生直接感受到所學理論知識的功用，可提高學生對專業課程的學習興趣。案例教學師生互動的討論模式能極大限度地激發學生的學習興趣，幫助學生理解抽象晦澀的專業知識。筆者在數字媒體技術專業本科生的專業基礎課“數字媒體技術基礎”和專業必修課“數字視頻技術及應用”的教學實踐中，積極探索將科研成果轉化為理論教學案例的案例式教學模式，取得了較好的教學效果。

在“數字媒體技術基礎”課程教學過程中，數字圖像的紋理特征及其應用是最難理解的內容之一，但它又是圖像處理、分析、識別等后續內容的理論基礎。在以往課堂教學中，教師先介紹圖像紋理及紋理特征的定義（圖像紋理是指在圖像中反復出現的局部模式和它們的排列規則；紋理特征是對區域內部灰度級變化的特征進行量化），然后介紹兩種常用的圖像紋理特征——分形維數和縫隙量（分形維數FD通常表征紋理的粗糙程度，圖像紋理越粗糙，FD值越大；縫隙量Lacu則表示了紋理的疏密程度，紋理密（疏）時Lacu值小（大））。由于這些概念較為抽象，在課堂講授這部分內容時，教學雙方都感到很困難。為了幫助學生理解和掌握圖像紋理特征及其應用，筆者將國家林業局林業公益性行業科研專項“重大森林蟲災監測預警的關鍵技術研究”（201404401）中與圖像紋理特征相關的科研成果及應用轉化為教學案例“圖像紋理特征及其在林業病蟲害監測中的應用”。首先，展示幾種不同的紋理圖像及其FD、Lacu值，讓學生對圖像紋理及紋理特征有感性認識，然后再展示受災油松和健康油松圖像，并對比它們之間的差異和特征值大小（如圖1、2所示），幫助學生理解圖像紋理及紋理特征值的概念和應用。由于在案例中首先展示了不同飛行高度無人機拍攝的林區鳥瞰和正射圖像及視頻，吸引了學生的注意力，然后再介紹利用紋理特征對受災油松圖像進行分析，并結合地面失葉率調查結果，最終得出單株油松圖像的分形維數可有效判定其受災等級的結論，讓學生理解抽象的圖像紋理概念及其應用，同時了解到本課程學習的實用性，增強學生的學習興趣。

在對“數字視頻技術及應用”第3章視頻結構分析及視頻分割技術的教學過程中，筆者將北京市教委面上項目“基于高層語義的新聞視頻檢索技術應用研究”（KM200710009005）的部分科研成果分解成“新聞視頻結構分析”和“新聞字幕定位及分割”2個教學案例。在講授完視頻結構分析中的鏡頭邊緣檢測算法后，給出了“新聞視頻結構分析”案例，其中使用的“字幕事件檢測”幫助學生理解和掌握該章的重點和難點——鏡頭邊緣檢測技術。新聞結構分析后如何檢測用戶需要的新聞？提出一個問題，答案在下次課“視頻幀內分割”的教學內容中。此次課主要采用案例“新聞字幕定位及分割”進行教學，將上次課的“新聞視頻結構分析”案例中檢測到的字幕幀經過灰度化、邊緣檢測、連通區域標記等定位出字幕區，然后利用圖像閾值分割方法提取字幕并識別，最后用戶只需輸入關鍵詞即可對新聞進行檢索。這一系列處理都與視頻幀內分割技術相關，通過這個案例教學，可以夯實學生這部分的理論知識，并能將課程內容與“數字圖像處理技術”的相關內容聯系起來，增強學生對數字媒體技術專業學習的興趣。

圖2 圖像紋理及其縫隙量Lacu

講授“數字視頻技術及應用”第5章運動目標檢測技術時，首先播放一段用于安防的視頻監控系統錄像，并向學生提出“該系統是如何自動檢測出非法入侵者的？”，以啟發學生積極思考并帶著問題聽課，通過講授基于圖像幀間差的運動目標檢測的思想和常用方法后，學生就能基本掌握非法入侵檢測技術，最后以某公司委托筆者研發的油田抽油機異常運行狀態檢測系統為案例，與學生一起結合本節課學習的“運動目標檢測算法”分析應該如何對抽油機異常運行（停機、速度異常）狀態進行檢測，學生主動思考并積極發言，提出各自的技術方案，結合技術應用的具體場景，給出項目所采用的具體方法和技術路線。通過這個案例教學，加深了學生對本課堂教學內容的理解。同時，通過挖掘一些方案存在的可行性及實用性等問題，引導學生要注重理論聯系實際，培養他們分析問題和解決實際問題的能力。課程的教學評價結果（見表1）表明：在課堂教學中實施基于科研成果轉化為教學案例的案例式教學模式，在一定程度上提高了教學效果。

表1 “數字視頻技術及應用”課程教學評價

3 結 語

針對數字媒體技術本科生專業課程實踐性強、時效性強的特點，結合科研中的實際問題，將科研成果轉化為教學案例，更新教學內容，突出課程內容的專業性和實用性，這種教學方式對“教”“學”雙方都起到了一定的促進作用。一方面，學生了解了專業知識的實用性，引起其課堂學習的興趣，又培養了本科生的創新能力及科學素養，引導學生求真學問、練真本領。由于案例中是基于應用場景提出問題，學生必須首先理解所學的理論知識，經過縝密地思考，融會貫通才能提出可行有效的解決方案，這應視為能力上的升華。另一方面，學生提出的方案要求教師對其中存在的問題予以校正，這也促使教師深入思考，并根據不同學生提出的解決方案了解他們對課堂知識掌握的程度及存在的問題，補充完善教學內容，對教師教學也提出了更高的要求，促使教師熱愛教學、傾心教學、研究教學。

國以才立、業以才興，高教大計、本科為本。教師在開展科研工作取得高水平研究成果的同時，應注重及時將研究成果、國內外研究動向以及科學方法融入本科專業課課堂教學，不斷豐富、充實和提升教學資源。同時，在將科研成果轉化為教學案例的過程中，教師會無形中將科學精神、人文素質、創新意識等傳授給學生，學生不但學到了理論知識、擴大了知識面、改善了知識結構，而且還能促進學生主動學習、思考、探索與創新，從而有利于培養出具有一定競爭力的綜合性應用人才，為我國高等教育強基固本，加快建設高等教育強國。