高校課程主導一主體式教學模式改革探索

陳曉冬 汪毅 田慶國 蔡懷宇

[關鍵詞]主導一主體式;教學模式改革;光電圖像處理課程;工程實例;邏輯主線式;漸進式實踐;教學評價

本科教育是高等教育人才培養(yǎng)的基礎與核心。2018年8月，教育部印發(fā)了《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函[2018]8號），要求各高校“打造‘金課”“切實提高課程教學質量”?！敖鹫n”即具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程，以培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高階思維為目標，課程內容具有前沿性，教學形式具有先進性和互動性，評價機制能夠客觀反映每個學生的學習效果。

光電圖像處理課程是《電子信息類專業(yè)教學質量國家標準》（2014年版）列出的光電信息科學與工程專業(yè)課程。近年來隨著人工智能的興起，光電圖像處理技術因屬于人工智能獲取信息的重要渠道而成為研究熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內開設光電圖像處理課程或同類課程的學校超過200所。

天津大學光電信息科學與工程專業(yè)于20世紀80年代初開設光電圖像處理專業(yè)必修課程，至今已完成2次教材升級，并于2019年完成了在線開放課程建設。課程教研組在授課及課程建設中發(fā)現(xiàn)課程存在“內容與工程實際脫節(jié)”“注重教師講解，缺乏與學生互動”“評價機制不能體現(xiàn)學生綜合能力”等問題，難以達到“金課”的要求及專業(yè)培養(yǎng)目標。

為了了解決上述問題，課程教研組以“培養(yǎng)勝任光電信息技術及相關領域的科學研究、設計開發(fā)和項目管理等工作的卓越人才”的目標為導向，著重培養(yǎng)學生的自主學習能力和綜合工程實踐能力。課程教研組打破傳統(tǒng)以教師為主體的教學模式，探索了主導一主體式教學模式，通過精選具有前沿性、工程性的教學內容，采用教師引導性教學方式，以學生為學習主體，利用多次漸進式實踐訓練內容，鍛煉學生的學習能力及高階思維，提升光電圖像處理課程教學質量，打造光電圖像處理“金課”。

一、精選前沿性、工程性的教學案例

光電圖像處理作為一門工科的專業(yè)課程，教學內容應可應用于解決工程實際問題。但原來的光電圖像處理課程的教學內容理論性強、缺乏與實際應用的聯(lián)系，學生難以將所學模型、理論與實際成像系統(tǒng)及其相關問題聯(lián)系起來。為了解決該問題，需要將光電成像系統(tǒng)教學案例引入教學。

教師在教學中引入光電成像系統(tǒng)實例需注意處理好以下問題：①案例要具有常見性。教學案例應為日常生產生活中常見的成像設備，確保學生無需額外學習也能理解該案例的功能。②案例要具有簡單性。教學案例的結構應盡可能簡單，避免在教學中出現(xiàn)由與成像無關的功能或結構所帶來的影響。③案例要具有吸引力。教學案例應具有一定時代前沿性，能引起學生的興趣。④案例要具有統(tǒng)一性。在一定的教學階段（比如一章內容）內，所使用的教學實例應統(tǒng)一，以保證學生學習與思考的連貫性。

在光電圖像處理課程的改革中，課程教研組選擇智能手機攝像系統(tǒng)作為教學案例。近年來新型智能手機層出不窮，其中很多以拍攝能力作為賣點，學生對智能手機攝像系統(tǒng)如何實現(xiàn)廣告中的強大功能感興趣，因此該實例既可滿足熟悉、簡單的要求，又對學生有較強的吸引力。

選定教學案例后，教師需從特定的角度出發(fā)，引導學生思考，進而提出問題，最終解決問題。下面以2個教學案例為例進行說明。

（一）案例一：光電圖像處理系統(tǒng)

該案例旨在使學生掌握光電圖像處理系統(tǒng)的組成及原理，其教學思路如圖1所示。教師首先提出問題：為什么使用多攝像頭？針對該問題，引導學生從光電圖像處理系統(tǒng)的各組成模塊及其作用人手，分析單攝像頭的局限性，再通過對多攝像頭中各攝像頭的作用、多攝像頭協(xié)同工作原理、布局要求、鏡頭防抖等技術細節(jié)的分析，使學生深入理解光電圖像處理系統(tǒng)的組成、原理、相互關系及性能制約因素，進而能夠針對具體工程要求，掌握分析、設計以及構建光電圖像處理系統(tǒng)的能力。

（二）案例二：彩色圖像的獲取

該案例旨在使學生掌握光電成像系統(tǒng)獲取彩色圖像的原理，其教學思路如圖2所示。教師首先展示手機攝像頭中與色彩信息相關的器件、位置及其作用;接著在灰度圖像獲取系統(tǒng)的基礎上，分析常用彩色器件即濾光片和濾鏡層提取色彩信息的原理、應用特點以及與之相應的彩色圖像合成方法;然后針對使用濾光片和濾鏡層會出現(xiàn)分辨率下降的問題，引導學生思考解決思路，繼而以黑白+彩色雙攝手機為例提出高分辨率彩色圖像獲取方法。

在上述2個教學案例中，教師以講解與引導為主，以問題引導學生思考，使學生在逐步深入思考中掌握知識。在此過程中，為保證學生學習注意力集中，教師要求學生每次思考的時間不超過1分鐘，接著互相討論1分鐘，進一步加深對所思考問題的理解，發(fā)現(xiàn)其中的不足，進而能夠提出問題，增強對教師下一步講解的關注度和理解力。

二、教師引導邏輯主線式教學

以工程實際案例為核心的教學方式可有效提升學生作為學習主體的興趣和學習積極性，并使學生能夠將所學與實際應用聯(lián)系起來。但光電圖像處理課程的部分教學內容具有較強的理論性，難以僅僅使用工程案例來開展教學。因此在教學改革中，課程教研組采用了教師引導邏輯主線式教學，通過教師講解基礎知識一提出圖像處理需求一學生思考并提出解決方法一教師講解理論模型一學生思考并提出優(yōu)化方法一教師提出工程問題一學生利用所學知識解決問題等一系列步驟，使學生在教師的引導下一步步理解、掌握枯燥的理論知識，建立數(shù)學理論模型與光電圖像物理表現(xiàn)間的聯(lián)系，進而掌握對已有圖像處理方法進行改進、融合以解決實際工程問題的能力。下面以4個案例說明邏輯主線式教學的思路。

（一）案例一：線性空域濾波

本教學案例旨在使學生理解線性空域濾波為什么采用數(shù)學卷積模型，其教學思路如圖3所示。教師首先講解一維信號的低通與高通濾波，并將其擴展，獲得二維圖像空域濾波的特性;接著從空域濾波的過程人手，引導學生對比該過程與數(shù)學卷積過程的對應性;最后通過卷積運算中常見的數(shù)據(jù)擴展現(xiàn)象啟發(fā)學生思考空域濾波中二維圖像邊緣保留問題。

（二）案例二：線性空域平滑濾波器的設計

本教學案例旨在使學生理解并掌握不同的空域平滑濾波器的特性以及內在聯(lián)系，其教學思路如圖4所示。教師從BOX均值模板數(shù)學模型人手，講解該模板對圖像的平滑作用，并引導學生思考目標周邊的像素對目標的影響是否相同，進而提出對BOX均值模板的改進思路。在此基礎上，教師講解雙邊濾波模板的保邊平滑原理，使學生建立濾波核變化這一數(shù)學模型與物理圖像濾波結果問的聯(lián)系。接下來教師提出工程問題即橋梁裂縫檢測，在講解現(xiàn)有的Frangi裂縫提取算法的基礎上引導學生思考該算法的不足之處及改進思路，最終提出利用雙邊濾波代替原Frangi算法中高斯濾波的改進算法。

（三）案例三：空域銳化濾波器的設計

本教學案例旨在使學生理解并掌握不同的空域銳化濾波器的區(qū)別及聯(lián)系，其教學思路如圖5所示。教師首先通過對數(shù)學模型的分析，使學生了解圖像中目標邊界作為高頻信息可通過數(shù)學差分方法進行增強，即圖像銳化。接下來，教師從最簡單的數(shù)學模型即梯度算子人手，實現(xiàn)了梯度濾波器的設計，并引導學生思考其不足及相應的改進方法，最終提出Roberts算子、Sobel算子和Priwitt算子3種空域銳化濾波器。

（四）案例四：Canny算子邊緣檢測

本教學案例旨在使學生理解并掌握邊緣檢測濾波器，并能夠在此基礎上進行優(yōu)化和改進，其教學思路如圖6所示。教師首先講解用于邊緣檢測的Canny算子，再從邊緣檢測性能3指標即好的檢測能力、定位能力和響應能力人手，引導學生思考Canny算子的改進方向：利用雙邊濾波器代替高斯濾波器，提升邊緣保持效果;利用Sobel算子代替4方向梯度銳化，優(yōu)化邊緣提取效果;采用自適應雙閾值代替固定雙閾值，消除外部環(huán)境光變化對圖像整體灰度的影響。

教師在上述教學案例中，通過理論講解一引申思考一實踐問題思考的流程，引導學生完成了基礎一創(chuàng)新、理論一實踐的過程，使學生掌握了利用已有知識獲取新知識以及對工程實例的解決方案進行評估、分析和改進的能力，將學習的重心從教師維度轉移到學生維度，突出了學生在學習中的主體地位，變“教學生知識”為“教學生如何學習知識”，極大地提高了學生的學習積極性和學習效果。

三、引入漸進式綜合實踐

在完成上述理論教學與實踐案例教學后，為了進一步深化學生對所學知識的理解，培養(yǎng)學生的工程思維及學以致用解決工程實際問題的能力，課程教研組在本次教學改革中還引入了綜合實踐訓練。教研組針對不同的訓練目的，設計了一系列不同難度的實訓題目，通過難度逐漸加大的實訓，逐步培養(yǎng)學生綜合運用所學知識獨立解決問題的能力。

（一）練習一：基礎概念、方法訓練

光電圖像處理課程中有較多概念和方法，如空間頻率、頻譜、空域銳化方法等，為加強學生對概念的理解和對方法的掌握，課程教研組設計了具有一定綜合性的實訓題目1和題目2，如圖7和圖8所示，側重于鍛煉學生在實踐中應用所學知識解決具體問題的能力。圖7為2個平面波干涉形成的干涉條紋，該題目要求學生設計頻域圖像處理方法實現(xiàn)條紋間距的自動計算，旨在深化學生對頻域圖像、空間頻率、頻譜、空域頻域采樣間隔等概念的理解。圖8為人體骨骼的CT圖像，該題目要求學生根據(jù)圖像特點設計增強算法，以突出骨骼的更多細節(jié)，同時需要抑制背景噪聲，旨在深化學生對空域銳化方法特性的理解和掌握。

（二）練習二：新知識、新方法自學訓練

實際工程問題千變萬化，其解決方法必然涉及課程沒有學過的知識和方法，為了鍛煉學生對實際問題的綜合分析能力以及通過自主學習解決問題的能力，課程教研組設計了較復雜的綜合實訓題目3至題目5，如圖9、圖10、圖11所示。圖9為不同尺寸的同一幅圖像，展示了遠看和近看不一樣的圖像效果，該題目要求學生查閱資料學習這類圖像的合成原理，并設計方案合成任意2幅圖像，實現(xiàn)遠近觀察形成不同圖像的效果。圖10為光照不均衡的內鏡圖像，該題目要求學生自學圖像的增強原理，并設計方案實現(xiàn)圖像的光照均衡和細節(jié)增強。圖11為學生在教室上課時的集體照，該題目要求學生編寫自動識別算法以實現(xiàn)2個功能：①數(shù)出集體照里的人數(shù);②利用自己的個人照片在集體照中找到自己。

目前已有5屆學生完成了綜合實訓，學生反饋良好，圖12至圖14為學生的實訓成果。對于基礎性實訓，學生反饋“實現(xiàn)原理不難，但實現(xiàn)過程充滿趣味，也比較曲折”。對于難度較大的綜合實訓，70%的學生能夠積極查找文獻中的知識和方法，并獲得一定的解決思路和較好的處理結果。

四、采用綜合教學評價體系

教學評價體系包括衡量學生學習效果的形成性評價和衡量教師教學質量的結果性評價。其中，形成性學習成果評價應能全面評估學生的學習效果，具有全程性、多樣化等特點嘲;結果性教學質量評價則以學生為中心，基于“學生的學習收獲”，由學生進行評判。

（一）形成性學習成果評價

在本次教學改革中，教學評價機制的優(yōu)化重點是體現(xiàn)學生作為學習主體的自學能力和解決工程問題的綜合能力，且評價機制貫穿學生學習全過程，杜絕“臨陣磨槍”式的學習。

評價考核由6部分組成：2次月考，每次占總成績的5%;1次期中考試，占總成績的10%;期末考試，占總成績的40%;平時作業(yè)與出勤，占總成績的10%;2次綜合實踐訓練，每次占總成績的10%;實驗，占總成績的10%。其中，月考、期中考試和期末考試采取閉卷形式，主要考查學生對基礎知識的掌握情況以及對圖像處理相關問題的分析和解決能力;實驗室實驗主要考查學生設計、調試光電成像系統(tǒng)，以及編寫圖像采集、處理、顯示程序，與光電成像系統(tǒng)配合解決工程實際問題的能力;綜合實踐訓練，題目從5個綜合實踐訓練題目中選取，基礎性與綜合性題目各選1題，主要考查學生的基礎知識掌握情況和自學能力。

上述形成性評價機制綜合考查了學生在學習全過程中的表現(xiàn)，激勵學生改變以往“考前突擊學習”的不良學習習慣，注重在日常學習中歸納總結、鍛煉自己分析與解決工程實際問題的能力。

（二）結果性教學質量評價

為考查光電圖像處理課程的改革效果，及時優(yōu)化改革措施，課程教研組對學生進行期末匿名評價教學質量反饋調查。以2020級學生為例，調查參評學生100人，有效參評學生86人。在86份有效參評反饋中，93%的學生認為該課程的教學能夠激發(fā)學習興趣并調動學習積極性;94%的學生認為課程教學條理清晰，富有啟發(fā)性;93%的學生認為通過該課程的教學，學會了將知識運用于實踐，并鍛煉了自學能力、溝通能力等;95%的學生認為形成性評價方式能夠公平、真實地反映學生的學習效果。學生在反饋中評價“課程兼具科普性、專業(yè)性和擴展性”“老師很注重思考過程”“實踐訓練很有思考性和開放性，很能鍛煉能力”?？梢?，光電圖像處理課程的改革取得了較滿意的效果。

五、總結與討論

根據(jù)教育部打造“金課”的要求，天津大學光電信息科學與工程專業(yè)光電圖像處理課程教研組展開教學改革，將原有的“教師教，學生學”模式轉變?yōu)椤敖處熞龑?，學生思考”模式，使學生成為學習的主體。教研組采用生活中的實例進行教學，激發(fā)了學生的興趣;通過教師啟發(fā)引導，使學生在逐層深入思考中掌握了理論知識及其應用;利用實踐綜合訓練培養(yǎng)了學生自主學習新知識、解決問題的能力;采用綜合教學評價體系評估學生學習效果與教師教學質量。這樣的教學改革使光電圖像處理課程成為一門學生能夠在結課后學以致用，并進一步獨立深入研習、解決相關科研與工程問題的“金課”。