數字圖像處理課程建設與教學探索

王偉鵬

（閩南科技學院光電信息學院，福建 泉州 362332）

0 引言

《數字圖像處理》是計算機和通信電子類等工科專業開設的一門應用型課程，其理論與實踐被廣泛應用于安防、醫學、地理和影像娛樂等方面。自20世紀80年代以來，圖像處理技術得到飛速發展，課程所涉及的眾多技術一直是計算機和機器視覺領域的研究熱點，具有覆蓋面廣、交叉性強、更新速度快和實踐要求高的特點。

《數字圖像處理》的教學內容大體上包括圖像增強、圖像去噪、圖像變換、圖像銳化、圖像分割和形態學運算等。隨著現代科技的日益完善和快速更新，不斷涌現出眾多圖像處理新理論、新方法和新技術，并且逐漸在實踐工程中得到應用推廣。經過大量的實踐教學和研究發現，學生在接收新知識的過程中，容易由于理論內容的晦澀難懂和復雜公式的驗證推導而出現低迷的學習情緒，甚至會有厭學、棄學現象。因此，如何改進教學方式，提高課堂教學效率和學生的學習熱情，是值得廣大任課教師關心和探討的問題。

1 傳統課程教學的局限

本門課程的傳統教學方法一般是以應用為導向，傾向于解決圖像處理中最基礎、目的性較強的問題。在課堂教學中，教師按照教材順序講授每個章節的知識點，重點介紹算法原理和演示處理效果。學生一方面在課堂上掌握理論要點，另一方面在上機實驗課上通過驗證性編程鞏固知識點。但在實際過程中遇到新問題、新項目時，多數學生缺乏分析能力和實際動手能力，難以應用所學知識靈活解決問題。縱觀本門課程的教學方式與學習狀態，總結存在的主要問題如下。

（1）學習積極性有待提高。本門課程需要掌握的理論基礎較多，理解難度較大，涉及領域較廣，并且與幾何代數、信號與系統等課程交叉關聯。此外，教學過程側重于傳統數學公式的推導，專業知識的講解過于抽象化，學生往往需要有扎實的數學功底和一定的空間想象能力，才能將知識點融會貫通。因此，學習本門課程的難度系數較高，容易導致學生對專業知識的理解產生畏懼心理，從而降低學習積極性和主動性。

（2）教學內容有待更新。當前圖像處理技術日新月異，規劃教材與參考書中的內容體系發展與國際前沿相比較為滯后，教師難以全面把握最新研究熱點和動態，學生無法接觸到前沿知識與技術，因此傳統的課堂教學方式和教材內容很難適應現代化教學的需求。

（3）實踐能力有待加強。傳統的教學過程一般包括理論教學和實驗教學兩部分內容。在實驗教學環節，由于課時數有限，教師通常僅對最基礎的經典算法進行驗證性實驗，比如圖像增強算法中的直方圖均衡和對比度展寬；圖像去噪算法中的均值濾波器和中值濾波器。這對學生理解基礎知識有較大幫助，但是缺乏關于工程實踐和科研項目的考慮，學生難以觸及課堂以外的新方法、新技術，導致應用面偏窄、實踐能力較弱、應變能力不足。

（4）考核評價體系有待完善。現有的課程考核評價通常以考試成績為主，以實驗成績和平時成績為輔對學生進行綜合評定。但是沒有充分考慮學生的創新能力、開發能力和方案設計能力，同時忽視了科研項目和工程實踐方面的評價，因此無法真實反映學生對課程知識的掌握和應用水平。

2 課程建設與教學探索

2.1 優化教學過程

傳統的數字圖像處理課程側重于教師主動“講”、學生被動“聽”，隨著內容體系的深入，知識的掌握難度增加，到中后期學生往往無法理解透徹，甚至會出現厭學心態。針對這些弊端，探索“教”“學”互換、互助互長的方式，即教師不再一味地單向傳授知識，而是充分與學生互換角色，互學互助，授課期間留出一定的時間指導學生嘗試新課程內容的備課、講解與提問，加強學生的自主認知能力和協作認知能力。例如，講授圖像增強的章節時，用于演示效果的測試圖像可由學生自主搜集，拍攝低對比度照片作為素材，分享拍照經驗，分析成像效果。引導學生利用圖像增強的課堂知識改善照片質量，提升學生的認知能力和實踐能力，激發學習潛能和積極性。

2.2 更新教學內容

現有的數字圖像處理普遍存在教學內容陳舊，缺少與該領域前沿技術相關聯的熱點問題探討，因此無法做到與時俱進，學生面臨實踐項目時，難以將課堂上的理論知識應用到工程當中去，這將限制學生的思維創新能力和實踐動手能力。由此可知，需要對課程的基礎教學內容進行更新，引入該領域的最新研究動態作為擴充內容。

（1）刪減教材當中偏理論、偏陳舊、無實際應用意義的圖像處理算法，增加當前主流、高效、有實踐經驗的算法作為補充，逐步完善教學內容。以圖像去噪的章節為例，現有教材大多介紹均值濾波和中值濾波這兩類經典的平滑濾波器，但這些方法由于效率低下很難在實踐中推廣，因此可引入主流的、高效的新算法作為更新補充，比如既能平滑細節又能保持邊緣的雙邊濾波器，在工程項目中已實際應用的BM3D算法和非局部均值濾波算法。

（2）構建核心專題內容，形成以專題基礎和專題擴展為兩條主線的課程體系。根據專業目標、應用領域和學生的知識掌握程度，對不同章節內容進行分解再整合，深化知識體系結構。例如，構建圖像復原算法的核心專題，結合專業人才培養方案將理論性較強的幾何變換、頻域變換和濾波器等章節分支作為基礎內容，將實踐性較強的工程案例作為擴展內容，例如與生活相關的水下、霧天和雨天圖像復原算法，以加強學生的興趣與關注度。

2.3 擴充實驗設計

實驗課程教學是提高學生實踐能力與思維創新能力的重要環節。現有的實驗教程通常以驗證性實驗為主，學生編程復現算法的處理效果，當中往往缺乏設計流程和主觀效果的分析，且單一的標準答案容易僵化學生的思維。因此，探索實驗教學與內容的設置，可保留小部分驗證性實驗，補充開放性算法設計實驗。比如針對圖像分割的問題，可指導學生采用閾值法、邊緣檢測和區域生長等方法，也可通過調整參數獲取不同的分割效果，再引導學生相互討論和對比，分析各種方法的優勢與局限，鼓勵學生發散思維，提出創新點，挖掘新方法。

2.4 完善考核形式

傳統的課程考核以筆試為主、操作為輔，該模式對學生的思維創新意識與綜合能力培養不足，難免出現生搬照抄、死記硬背的學習困境。為了充分發揮考試價值，激發學生內在潛能，探索構建實踐能力與創新能力為主導的考核形式。新的課程考核方案包括三個環節的內容：一是平時考核，將出勤率、課堂互動、隨堂測驗與課后習題的完成情況列入平時考察范圍，重點圍繞章節知識的理解掌握情況進行分等級評價；二是實驗考核，具體指上機實驗的完成情況，包括圖像處理算法的實現效果、編程的工作量與語法規范；三是期末考核，采用提交作品和設計報告相結合的形式，根據作品方案的創新性與實現效果、代碼的編寫與調試、報告的邏輯性與文字表述能力綜合評定成績，重點考察學生的設計思路、理論分析能力、解決問題的工作能力和創新能力。課程總成績由這三個環節按比例加權，平時成績和實驗成績分別占20%，期末成績占60%。新考核形式克服了傳統考察的局限，能夠更客觀公正地評價學生的知識掌握度和綜合應用能力。

3 結束語

數字圖像處理技術具有更新速度快、基礎要求扎實和理論實踐相結合的特征。傳統的教學方式存在眾多弊端，學生對知識點的領悟與應用能力有待加強。本文給出了教學內容、授課方式、實驗操作、考核形式等四個方面的改革策略，旨在優化、完善課程建設，為培養學生的創新思維和實踐能力提供助力。