“光電成像與計算機處理”全英語課程的實踐與思考

馬佩 常敏 陳輝 王璐瑤

摘要：高等教育的國際化勢在必行，大量高校開始進行課程的雙語以及全英語教學(xué)的改革。文章層層遞進地闡述了對于光電成像與計算機處理全英語課程的內(nèi)容設(shè)計，課程的講授方式，以及課程的考核方式的探索、實踐與思考。在授課過程中，結(jié)合了教師講授與分組討論，以及分組進行前沿科學(xué)論文的閱讀及展示等多種教學(xué)方法;在考核方式中，結(jié)合了傳統(tǒng)的客觀題目解答和主觀的論文理解和展示的方法。希望通過多種講授與考核方式相結(jié)合的方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果，促進學(xué)生對知識的理解和吸收，以及提升學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣和能力。

關(guān)鍵詞：光電成像;計算機處理;全英教學(xué);國際化

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）15-0175-03

引言

教育形勢的大環(huán)境趨于國際化，高等教育的國際化要首當(dāng)其沖[1]。第一，國際交流日益增多，我國留學(xué)生與來華留學(xué)的外國學(xué)生人數(shù)均呈現(xiàn)上漲趨勢，這部分留學(xué)生主要體現(xiàn)在高等教育的層次;第二，我國的高等教育，特別是研究生階段的教育，相較歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，起步較晚，還在不斷地學(xué)習(xí)和創(chuàng)新中前進，一些國際最前沿的科學(xué)研究成果，仍然是以英語作為主要的交流語言;第三，高等教育培養(yǎng)出的人才即將進入社會，在全球經(jīng)濟一體化的今天，很難不與各個國家的企業(yè)和人打交道[2-3]。因此，培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)過硬、有國際化視野的工程人才需要在高等教育中實現(xiàn)，其途徑之一是通過全英語課程實現(xiàn)對學(xué)生的培養(yǎng)[4]。

一、全英語課程的背景

該課程共有學(xué)生27名，其中來自加納、南美洲、印度等地的留學(xué)生18名，上海理工大學(xué)的中國學(xué)生9名。絕大部分學(xué)生來自上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院與德國科堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)聯(lián)合舉辦的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)（簡稱中德國際班），個別學(xué)生來自本校相關(guān)專業(yè)的在讀研究生。筆者擔(dān)任該門課程的任課教師，筆者結(jié)合自身在美國多年留學(xué)的學(xué)習(xí)和教學(xué)經(jīng)驗，在課程教學(xué)中主動探索和實踐一些全英語課程教學(xué)方法，并且對全英語教學(xué)的過程進行總結(jié)與思考。

二、全英語課程的設(shè)置

光電成像與計算機處理課程包括兩個方面，一是光電成像，主要涉及應(yīng)用光學(xué)方法進行的成像原理以及儀器的學(xué)習(xí)。二是計算機處理，主要是對于成像結(jié)果的計算機處理，體現(xiàn)為原始數(shù)據(jù)的信號處理以及獲得圖像之后的圖像處理。作為一門32個學(xué)時的研究生課程，該門課程結(jié)合了光電成像以及計算機處理基礎(chǔ)理論講解以及最新的前沿科研成果拓展介紹。該門課程具備前沿性，國際上的許多知名高校的相關(guān)學(xué)科也在其研究生培養(yǎng)計劃中設(shè)置了相似的課程[5-6]。

本課程設(shè)置的目的是使學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，了解光電成像應(yīng)用的范圍和進行光電成像的意義，充分理解以下（但不僅限于這幾個）概念：經(jīng)典光學(xué)知識、彈性和非彈性散射、顯微技術(shù)等，掌握圖像處理的基本理論及技術(shù)，可以熟練運用一些工具進行光路的計算以及編寫實現(xiàn)圖像處理的程序。

本課程的具體教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排如下：

1.光電成像介紹（Introductionto Optical Imaging） 2學(xué)時

2.幾何光學(xué)（Ray Optics）? 2學(xué)時

3.波動光學(xué)（Wave Optics）? 2學(xué)時

4.組織光學(xué)（Tissue Optics）? 2學(xué)時

5.光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical Coherence Tomography）? 4學(xué)時

6.顯微技術(shù)（Microscopy）? 4學(xué)時

7.光譜技術(shù)（Spectroscopy）? 2學(xué)時

8.圖像處理：圖像增強（Image Processing：Image Enhancement） 2學(xué)時

9.圖像處理：濾波（Image Processing：ImageFilters）? 2學(xué)時

10.圖像處理：圖像配準(zhǔn)（Image Processing：Image Registration）? 2學(xué)時

11.圖像處理：圖像分割（Image Processing：Image Segmentation）? 2學(xué)時

12.前沿科技論文展示與討論（Journal Club） 4學(xué)時

13.課程總結(jié)與討論（Course Summary）? 2學(xué)時

由于本課程較為廣泛的教學(xué)范圍，并不采用單一的一本教材，而是從幾本參考書中，截取章節(jié)作為具體教學(xué)內(nèi)容的閱讀材料。涉及的參考書目有：1）Saleh & Teich，F(xiàn)undamentals of Photonics;2）Hecht，Optics;3）Born and Wolf，Principles of Optics;4）Siegman，Lasers;5）Ishimaru，Wave Propagation and Scattering in Random Media;5）Gabriel Cristobal，Optical and Digital Image Processing - Fundamentals and Applications.以上參考書目均為學(xué)科內(nèi)認(rèn)可度高、流傳廣泛的經(jīng)典之作，深入淺出，在實際應(yīng)用為教材的過程中起到了良好的效果。

三、全英語課程的教學(xué)方法探索與實踐

在授課階段，以教師進行講授為主，同時采用多種形式的互動式教學(xué)來提高學(xué)生參與度，并且能夠使教師及時獲取學(xué)生掌握情況的反饋。互動式教學(xué)的主要形式包括課堂提問與討論、隨堂測驗、分組完成課程項目、分組進行前沿科技論文的展示等。課外的拓展學(xué)習(xí)包括課前資料的閱讀，課堂內(nèi)容的復(fù)習(xí)，科技文獻的閱讀等。

（一）課堂講授

由于本課程涉及的知識面較廣，既有理論學(xué)習(xí)，又有前沿科研成果的介紹，或是兩者穿插進行，信息量較大，而學(xué)生自身知識的深度和廣度都有限，很大程度上學(xué)習(xí)是依賴于教師在課堂上的講授。而如何將這些理論和實踐相結(jié)合的新知識有效地傳達給學(xué)生，筆者認(rèn)為主要有兩點，第一是課程的課件要制作的豐富和吸引人;第二就是講課過程中的語言和方式要循循善誘，使他們能夠集中精力。本課程的課件花費了相當(dāng)多的時間和精力。課件中以圖展示為主，如此設(shè)置的原因是，本門課程的主題即是光電成像以及圖像處理，本身就有豐富的素材，也需要應(yīng)用這些圖像素材進行闡述，另外，大多數(shù)學(xué)習(xí)者對于圖形圖像的興趣和記憶程度都優(yōu)于文字和公式。因此，課件中圖像的篇幅遠遠大于文字和公式，并且以清晰的邏輯，和知識的由淺入深來將每頁課件進行聯(lián)結(jié)。在講授的過程中，緊密地結(jié)合課件中的圖形圖像內(nèi)容來進行豐富的闡述，容易吸引學(xué)生的注意力，發(fā)現(xiàn)這種講授的效率是比較高的。

（二）課堂實驗演示

在本課程授課過程中，采用了穿插進行課堂實驗展示的環(huán)節(jié)。例如，在光的衍射一節(jié)，利用衍射光柵和多色的燈光光源進行衍射的理論闡述以及實際應(yīng)用舉例，收到了良好的效果。首先，充分地調(diào)動了學(xué)生的積極性，參與度達到了100%;第二，起到了促使學(xué)生積極思考的作用，經(jīng)過實驗演示，學(xué)生自己產(chǎn)生了一些問題，并且主動思考問題的答案;另外，學(xué)生對于該章節(jié)印象深刻，達到了知識傳授的良好效果。

（三）課堂提問與討論

課堂提問與討論是行之有效的互動式教學(xué)方式。筆者進行提問的問題大多不是需要從學(xué)生那里得到正確的答案，而是比較開放性的問題，或是拓展類型的問題，例如，同學(xué)問在醫(yī)院中見到過什么樣的成像設(shè)備，這個成像設(shè)備的原理是否光學(xué)成像。有一些問題是采取自愿回答的方式，還有一些問題則采取按照座位隨機組成3—5人一個的小組來進行討論，討論后每個小組選取一名代表來進行發(fā)言。

（四）隨堂測驗

在授課的過程中，設(shè)置了5次非常簡短的隨堂測驗，來及時檢驗學(xué)生對一些關(guān)鍵知識點的掌握和運用程度。隨堂測驗的篇幅很短，每次只有5題，以判斷題和選擇題為主，輔以個別計算題。這樣的設(shè)置不會引起學(xué)生的恐慌，使他們以平常心來對待每次隨堂測驗。每次測驗之后，馬上就跟學(xué)生一起將答案探討出來，先是學(xué)生內(nèi)部之間進行討論，對于不統(tǒng)一的答案再由教師進行解答并且闡明原因，相當(dāng)于加深了對于知識點的印象。

（五）分組科技論文展示

課程之中的一項任務(wù)是分小組進行一次科技論文的展示，自愿結(jié)合，教師給出主題，文章自選后發(fā)給教師進行認(rèn)定，通過后即自行準(zhǔn)備PPT和排練，最后在課堂上進行展示。此環(huán)節(jié)設(shè)置的意義在于，在學(xué)習(xí)知識的過程中，不應(yīng)當(dāng)只是滿足于學(xué)生有沒有掌握具體的知識點，而是在于，學(xué)生能否將課上所學(xué)的知識，真正轉(zhuǎn)化為自己的內(nèi)容，這一點可以通過科技文獻的閱讀和展示來進行加深和證明，與知識點的學(xué)習(xí)相輔相成。科技文獻的閱讀需要學(xué)生不僅僅有相關(guān)的知識作為基礎(chǔ)，并且還會使學(xué)生理解為什么要做這件事，怎樣通過現(xiàn)有的知識儲備去實現(xiàn)某個目標(biāo)，從而解決一個問題。本課程本學(xué)期共有27位同學(xué)，每3人一組，恰好分為9組，每組的選題也不一樣，有光片顯微技術(shù)、拉曼成像、內(nèi)窺膠囊技術(shù)、光學(xué)相干層析技術(shù)、圖像分割、圖像識別等，選題具備廣泛性。

（六）分組完成課程項目

為了加強學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，課程設(shè)置兩個課程項目，由2—3人分組進行完成。其中一個項目涉及光學(xué)設(shè)計和計算，以及用程序?qū)崿F(xiàn)干涉的效果，從而加深對于光的干涉的理解。另一個項目為編寫程序以實現(xiàn)兩幅圖像的配準(zhǔn)，從而對圖像處理的知識點進行練習(xí)。

（七）課程考核

由于本課程并非需要學(xué)生進行知識點的死記硬背，而是通過掌握相關(guān)知識而去解決相應(yīng)的問題，并且平時學(xué)生在課堂的參與度較高，因此課程的考核形式也不以期末考試的形式出現(xiàn)。課程的考核分為平時成績占比40%，隨堂測驗占比20%，科技論文展示和課程論文占比40%。這樣的考核方式可以較大程度地調(diào)動學(xué)生的積極性，盡可能多地參與到課堂的活動中，另外也能夠保證科技論文展示和課程論文的質(zhì)量。

四、學(xué)生反饋

教學(xué)活動的反饋是推動其不斷進步的重要環(huán)節(jié)，以往的教學(xué)活動反饋主要來源于考試分?jǐn)?shù)這一客觀信息與學(xué)生評教這一主觀信息。但兩者皆為打分為主，很少有學(xué)生主動在評教系統(tǒng)中提供具體反饋，教師從分?jǐn)?shù)中無法得出具體的有效信息。因此，筆者在課程結(jié)束之際，收集了學(xué)生對該課程的反饋，包括課程中的優(yōu)點與不足，以及希望后期如何改進課程。

五、教學(xué)活動后的總結(jié)與思考

從中德國際班光電成像與計算機處理全英語課程的課堂反饋與教學(xué)效果來看，本次課程的多種教學(xué)形式起到了良好的效果，同時，也發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)象，可以在以后的課程中，采取相應(yīng)的措施進行應(yīng)對。在課堂上提問與討論環(huán)節(jié)中，同學(xué)們的參與度較高，不會出現(xiàn)教師冷場的情況，通過這個過程可以發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們在課堂上還是非常積極地進行思考的。隨堂小測驗也是一個很成功的探索，同學(xué)們積極性很高，每次測驗完，都會發(fā)生比較熱烈的討論，核對答案的時候，也有很高的熱情，可以在今后的課堂中繼續(xù)推行。分組課程論文展示從最后展示的結(jié)果來看，同學(xué)們都有很充分的準(zhǔn)備，查閱了大量資料，展示的效果甚至超過了筆者的預(yù)期，而且從學(xué)生的反饋來看，他們對這種方式非常認(rèn)可。當(dāng)然，問題也客觀存在，不論是課堂討論，還是科技論文的展示，中國同學(xué)在表達方面的積極性以及效果，都不如外國留學(xué)生，這與國內(nèi)一直以來的授課方式和課堂氛圍是有關(guān)的，中國學(xué)生普遍不愛發(fā)言，不喜歡表達自己，加之本課程為全英文課程，中國學(xué)生對于英文表達的自信心有所欠缺。

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