《數字圖像處理》多課程融合案例化教學模式的實踐探索

趙地

摘?要：將案例化教學模式引入《數字圖像處理》課程，并將教學內容與本專業其他課程深度融合，旨在提高學生綜合應用多門課程知識和技能的綜合能力，增強自主學習和實踐能力，進而提升獨立分析和解決問題的綜合素質。

關鍵詞：數字圖像處理;案例化;課程融合;教學改革

《數字圖像處理》課程是各高等院校電子信息類專業的一門重要必修或選修課程。通過該課程的學習，旨在幫助學生掌握數字圖像處理的基本概念，基本變換及性質，以及重要處理技術的核心思想和基本算法;并建立在圖像增強、圖像壓縮、圖像復原、圖像分割、圖像理解等理論與應用體系下的分析、解決實際問題的思維框架。

1 《數字圖像處理》課程教學改革的必要性

數字圖像處理技術已在軍事、醫學、遙感、通信等眾多領域得到廣泛應用和深入發展，多學科的交叉融合使得《數字圖像處理》這門課程內容覆蓋面廣、理論性強，對學生綜合能力要求高。《數字圖像處理》一般在本科學業第三年開設，以高等數學、概率論、信號與系統、數字信號處理、多媒體技術等課程內容為先導知識，多課程的融合也使得其理論理解與實踐操作難度增大[1]。筆者在教學中發現，對各種處理算法，由于講解過程涉及數學推導與計算，內容枯燥，且受限于學生并不扎實的數學基礎，大都無法得到良好的授課效果，且易致使學生失去學習興趣、嚴重影響后續學習[2-3]。

基于此，筆者探索多課程融合的案例化教學模式。結合應用實際，凝練教學案例，將主要知識點及涉及的各專業課程融合其中，以實驗手段輔助，先從具體應用場景中形象化引入以激發學生興趣[4]，后深入理論、強化理解，增強對知識的運用能力。

2 多課程融合案例化教學實例分析

二維離散傅里葉變換是對圖像進行處理和分析的重要工具，是《數字圖像處理》課程中最基本、最常用的變換。傅里葉變換本身涉及復雜的數學公式及推導，理論性強，概念抽象。圖像的頻域特性歷來是學生理解的重點和難點。本文以基于二維離散傅里葉變換的頻域圖像平滑方法為例，介紹該案例化教學的探索及思考。

2.1 教學步驟詳解

（1）設計具體化應用背景。對含噪圖像去噪是圖像平滑處理中重要的應用之一。如右圖，其中（a）為一幅含噪圖像，（b）為平滑處理后的去噪圖像。首先通過為學生展示這樣一組形象化的實用案例，使其直觀了解平滑處理的作用和效果。在圖示案例展示中，一方面引導學生觀察噪聲特點，了解噪聲也為圖像中像素灰度值的突變點;若要減小噪聲，則應沿減小灰度值起伏這一思路尋求解決方案。另一方面引導學生觀察去噪圖像，發現平滑后的圖像中不僅噪聲減小，并伴隨明顯的邊緣弱化，細節丟失。由于圖像中邊緣、細節信息也是灰度值突變的部分，故在平滑作用中被弱化。基于以上分析，可使學生在直觀的感受中了解圖像邊緣、細節與噪聲的特點，明白圖像平滑處理的作用及關鍵。

（2）融合《信號與系統》課程，由已有知識引出二維離散傅里葉變換。首先結合一維連續傅里葉變換的公式，著重從其意義及性質出發，復習并分析一維信號的頻域特性。然后經二維連續傅里葉變換，離散化引出二維離散傅里葉變換，此過程應避免純公式推導化講解。最后結合二維離散傅里葉變換的性質和右圖（c-d）所展示的幅頻、相頻特性，重點分析圖像的頻率分布特性（圖像邊緣、細節與噪聲對應頻域中的高頻成分）、能量分布特點。

（3）基于案例的引導式啟發。以分組討論、提問發言等互動方式引導學生思考：圖像中的噪聲對應頻域中的什么成分？經過何種處理可以減小噪聲？如何實現？通過與學生共同完成進階式的問題探索，逐步梳理出頻域中平滑處理的算法流程、低通濾波的基本思想與設計方法。

（4）融合MATLAB課程基礎，通過編程強化理解。介紹平滑處理中涉及的函數，在編程中梳理圖像平滑的算法、步驟、低通濾波器設計等。通過實驗、專題設計等模式，鼓勵學生自發編程實現，在提升編程能力的同時強化對主要概念、性質等關鍵理論的理解。

2.2 效果分析與思考

多課程融合案例化教學比傳統教學有較明顯優勢。通過實際應用案例引導理論學習，可提高學生的學習興趣;多課程融合強化了各門相關課程的學習效果，可鞏固學生的專業基礎;互動式討論參與的方式豐富了學生的課堂體驗，可增加學習的主動性;課后專題設計激發了學生的求知欲，有助于培養創新思維。多課程融合案例化教學也給教師和學生帶來了更高的要求。要求教師有扎實的專業功底，對于涉及的各門課程相當熟悉，具有關聯知識點歸納、總結、提煉的能力;要求學生具備一定的專業基礎及學習能動性，及時查漏補缺是確保學習成效的重要因素。

實踐中也存在一些問題。由于學生長期接受傳統的講授式教學，剛開始難以適應自主思考、積極參與探討的模式，導致前期學生的參與度不理想，課堂適應期較長。

3 結語

本文以基于二維離散傅里葉變換的頻域圖像平滑方法為例，論述了《數字圖像處理》多課程融合案例化教學模式的實踐探索。該教學模式采用緊密結合應用實例，融合多專業課程，多形式互動輔助等方式，重視激發學生學習興趣，培養學習主觀能動性，有助于強化對知識的綜合運用能力，提升創新能力。

參考文獻：

[1]曲中水.探究式教學法在數字圖像處理課程中的應用[J].高師理科學刊，2018，38（6）：78-81.

[2]孟祥超，符冉迪，邵楓，陳懇.《數字圖像處理》立體式教學方法改革與實踐[J].高教學刊，2019（23）：136-138.

[3]李登輝，王巖紅.獨立學院數字圖像處理課程教學改革實踐——以桂林電子科技大學信息科技學院為例[J].大學教育，2018（6）：99-101.

[4]郭琳琴，楊艷.《數字圖像處理數學方法》案例教學探討[J].浙江水利水電學院學報，2018，30（6）：81-84.