數字圖像處理課程的混合式教學方案

姜秀艷，徐迎曉，張 睿

（復旦大學計算機科學技術學院，上海 200433）

0 引言

傳統數字圖像處理課程的講授方法集中在“教”和“受”兩方面，即教師在課堂上“教”，學生被動接“受”與數字圖像處理相關的技術或原理。導致學生在課堂中一直處于被動狀態，可能無法完全理解教師所講授的內容或觀點。此外，教師通常為了保證教學進度，無法顧及每一位學生的學習感受。

由于學生未能真正理解課堂所學知識或缺乏與圖像處理相關領域的擴展資料，導致學生深度思考所學內容，學習積極性下降。并且，數字圖像處理課程的重要實驗受教學課時限制，通常依賴于學生課下自主完成，難以保證實驗完成質量。

為了解決以上問題，本文通過結合線上線下教學方式，設計了一個針對數字圖像處理課程實際情況的混合式教學方案。線上方面，學生利用課外時間自主學習，以“學”為中心取代傳統教學模式，以“教”為中心，充分發揮學生的自主性和積極性；線下方面，通過討論線上所學內容和對當前研究熱點論文進行報告、互評，拓展學生對數字圖像處理技術的視野，并通過線下指導學生進行實驗，在保證實驗的質量的同時，提升學生對數字圖像處理領域經典算法和技術的理解及應用能力。

1 相關工作

目前針對數字圖像處理課程教學的研究較多。陳芳等提出了面向研究性學習的教學模式，在教學考核中鼓勵學生完成科研課題或參加數字圖像處理技術的挑戰賽。崔金榮等提出教學科研一體化式教學，在教學中采用案例化教學。唐曉芬等提出以培養創新能力為目標的教學方法，采用問題驅動、啟發式思考和項目驅動的教學方式進行教學。李坤乾等面向工程認證的教學模式，在學習圖像理論過程中，著重于利用所學技術理論解決實際問題。歐先鋒等提出將理論基礎與實際工程相結合，在講解理論過程中引入實際工程案例。然而，上述方法均偏向于研究性教學或面向工程教學，都屬于線下教學方式，未能充分利用線上教學優勢，還是基于以“教”為主傳統教學模型，未能充分發揮學生的自主性。

為此，魯明麗等針對數字圖像處理課程提出了混合式教學方案，通過結合線上線下教學方式，著重培養學生的工程能力和仿真實驗能力。范春年等設計并實施了一個“以學生為中心”的在線教學方案，該方案通過學生在線學習、在線測試、在線討論等環節完成教學工作。劉燕等以數字圖像處理課程為例，探究了“MOOC+在線翻轉課堂”的教學模式，學生在線學習后提出問題，教師根據問題引導學生對知識進行再次梳理。徐志剛等基于混合式教學進行數字圖像處理課程。黃朝兵等對數字圖像處理的混合式教學模式進行設計和實踐，線下部分主要討論數字圖像處理線上學習部分的一些問題。以上方法均基于線上教學或混合式教學模式，但未強調教學的各個目標、知識點及考核目標的對應關系，并未突顯以“學”為主的目的和面向“提出問題—分析問題—解決問題”的基本思路，在教學中強調學生對當前數字圖像處理領域研究課題的認識較少。

為此，本文提出線上線下相結合的以“學”為中心的混合式教學方案。具體地，線上部分以“提出問題—分析問題—解決問題”方式引導學生自主學習數字圖像技術內容；線下部分，教師引導學生對課程相關部分進行深入討論、拓展與實驗，并對當前研究熱點論文進行報告交流。以期充分發揮學生學習的主觀能動力和提升學生發現、分析、解決實際工程問題的能力。

2 混合式教學方案

如圖1 所示，數字圖像處理課程的混合式教學模式包括線上、線下兩部分，始終貫穿以“學”為中心，面向問題解決思想，培養學生“提出問題—分析問題—解決問題”的能力。

Fig.1 Overall composition of digital image processing hybrid teaching scheme圖1 數字圖像處理混合式教學方案總體構成

2.1 線上內容設計

線上部分內容分為課件內容、實驗內容和當前數字圖像處理的研究和應用。

2.1.1 課件內容

視頻內容通常圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”的思路。例如，在講解圖像壓縮部分時，可將講解內容劃分為以下幾個部分：①為何要壓縮圖像；②為何圖像可以壓縮（可以壓縮那些信息）；③如何進行圖像壓縮（有哪些思路）；④每種方法如何實現（圍繞數學建模、理論堆導、實驗驗證等方面進行展開討論）；⑤每種壓縮方法的優、缺點。考慮到長時間觀看視頻容易產生視覺疲勞，將每一章內容分開錄制，單個視頻時長控制在10min 內，并且在觀看教學視頻前，要求學生先閱讀學習目標和關鍵知識點，以便于學生帶著問題和目標進行學習。

2.1.2 實驗內容

數字圖像處理技術是人工智能領域的重要分支，也是一門注重應用的課程。通常會安排實驗，加深學生對數字圖像處理技術的理解，促使學生將所學知識應用于實際應用中。本文實驗設置主要分布在圖像壓縮編碼、圖像增強的方法、中值濾波、圖像恢復和圖像重建等章節。

2.1.3 當前數字圖像處理的研究和應用內容

研究內容主要來源于國內外期刊、會議、最新的業界咨詢等。從中提取的內容可在一定程度上拓展本科生的視野，激發學習興趣，促使其通過查詢資料進一步了解最新的數字圖像處理技術和應用。

2.2 線下內容設計

線下部分的內容設計主要分為問題討論和答疑、實驗部分和目前數字圖像處理技術相關研究領域發展的討論。

2.2.1 問題討論和答疑

為進一步加深學生的理解，通過公開討論形式圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”的思路進行問題討論和答疑，這部分內容相較于視頻內容更注重實際應用。例如，在數字圖像增強的章節內容中，設計不同類型的圖像，可使用哪些方法進行處理？為何采用該方法？方法的原理？不同方法處理的區別？通過討論促使學生理解和掌握相關方法。表1 為數字圖像處理不同教學內容線下討論問題。

Table 1 Problems discussed offline in the hybrid teaching program表1 混合式教學方案線下討論問題

2.2.2 實驗部分

傳統教學模式的實驗部分由學生自主線下完成，教師無法掌握實驗部分的教學效果，但實驗是學生了解數字圖像處理的重要步驟，是將數字圖像處理技術應用于實際的有效演練。因此，本文提出的教學模式通過學生間對實驗結果的討論及教師的答疑和指導，使學生在實驗環節能夠充分得到鍛煉，并使教師能夠實時掌握學生的學習情況。

2.2.3 目前數字圖像處理技術相關研究領域發展的討論

學生線下閱讀目前數字圖像處理領域的最新熱點論文后進行口頭報告，并在教師的帶領下開展討論，也可選擇多位學生合作精讀一篇論文后開展報告，其他同學提問。該方式可有效擴展學生的視野，并將所學的數字圖像處理技術與當下研究領域的進展相關聯，通過討論各種圖像技術的原理、發展和適用范圍，能進一步加深學生對所學知識和相關領域技術發展的了解。

2.3 線上線下比例及互動設計

本文設定相同的線上、線下課程學習時間。學生可先收集在線上學習過程中產生的問題，集中在線下進行討論。通過線上線下相結合的方式，一方面能夠加深學生對圖像研究領域學術研究的理解；另一方面可在學生間進行信息共享，促進相互交流。

2.4 教學目標和考核機制一致性設計

由于混合式教學線上內容需要明確的教學目標，并需要對應的考核機制進行支撐。因此，將線上測試、線上討論均計入最終成績。具體在分數層面，根據數字圖像處理技術課程的特點，各部分的成績占比如下：觀看視頻占15%，在線測試占15%，在線討論占15%，線下討論占15%，線下口頭報告占10%，線下實驗占15%，期末書面報告占15%。如此，學生的每一個學習過程都具有相應的考核分數，可充分調動學生的積極性和自主性。

線上測試一般以選擇題和簡答題為主，全面考察學生學習目標包含的知識點。為了保證學習時間，設定學生在看完視頻后才可進行測試，測試完成后方可進入討論環節，討論完成后，整個小節的內容學習才完全結束。如此安排才能夠讓學生在一個較為寬泛的范圍內，自主選取自身感興趣且與課程相關的研究主題。此外，書面報告可將學生互評與教師評語兩種形式相結合，進一步提升課程教學質量。

3 實踐效果

數字圖像處理課程的混合式線上教學平臺采用了復旦大學的elearning 平臺，目前平臺已經完成初步搭建并正在完善中。平臺學習資源包括視頻、PPT 課件、相關研究論文等方面的內容，支持線上測試及討論。

本文提出的教學方法相較于傳統教學方法，使學生在課堂上的主動性顯著提升，改善了學生在整個學習過程中較為被動的情況，線下超過30%的學生能夠主動提出問題并分享自身觀點，課堂氣氛更加活躍。

通過團隊合作閱讀熱點論文，提升了學生間的團隊合作能力，90%以上的學生在討論和書面報告環節，能夠體現自身想法、思路及對研究熱點的理解。

此外，學生在聽取其他同學報告的同時，也能進一步鞏固所學知識點，擴展自身視野，將知識點與自身理解相互串聯，進一步提升對問題的理解深度。實踐證明，以“學”為中心的教學方案能夠有效提升學生的實際學習效果和積極性。

4 結語

本文設計了一個數字圖像處理課程的混合式教學方案，該方案圍繞以“學”為中心，以面向問題的思路，圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”設計教學方案。線上學生自主學習、自主測試并在老師引導下進行自主討論；線下教師根據線上學習問題引導學生展開討論，完成實驗、口頭報告，并且在課程考核方面與教學目標一一對應。通過疫情期間的線上教學實踐證明，該方案線上部分的設計顯著提升了學生的主動性和積極性。