數字圖像處理課程教學實踐與思考

張育中 盧榮勝 董敬濤 楊 蕾 郎賢禮

合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009

數字圖像是日常生活中隨處可見的一個重要信息載體，在工業測量和科學研究等相關領域應用十分廣泛。近年來，隨著人工智能技術、電子技術以及計算機處理技術的迅速發展，數字圖像處理在新理論研究領域發展迅速，在應用領域得到了極大的拓展。為滿足社會對相關技術人才的需求，很多高校在本科階段和研究生階段均開設了數字圖像處理及機器視覺等相關課程。然而，數字圖像處理是一門多學科交叉、理論性和實踐性都很強的課程，涉及內容多且更新快。因此，該課程的課堂教學在教學內容組織、教學方法以及學生考核機制等方面均有較高的要求。

合肥工業大學儀器科學與光電工程學院的光電信息科學與工程專業（以下簡稱“光信專業”）是省級專業綜合改革試點專業，重在培養學生在光電信息方向、機器視覺方向、光電傳感與測試方向等光電信息科學與工程領域寬厚的理論基礎以及工程創新實踐能力。目前數字圖像處理課程是光信專業的必修課程。本文以合肥工業大學光信專業的數字圖像處理本科教學平臺為依托，結合數字圖像處理課程對學生基礎知識、創新能力和綜合素質等方面的培養要求，運用教育目標理論對該課程的課程體系與教學內容、教學方法與教學手段、以及學生考核評價機制等方面進行教學研究，探索出適合該課程的教學體系，從而調動學生在理論教學和實驗教學中的積極性，加深學生對相關教學內容的理解。同時，實施學校以學生為主體、教師為主導的“兩元論”新型創新教學模式，形成有一定深度和推廣價值的教學成果，更好地體現學校“工程基礎厚、工作作風實、創業能力強”的人才培養特色。

一、課程簡介及教學現狀分析

（一）課程簡介

數字圖像處理課程是光信專業本科高年級的專業必修課，是對前面專業課程理論知識學習的應用，同時也是后續專業課程和生產實踐等課程的基礎，在整個專業課程體系中占據著重要的地位。該課程教學的主要目的是要求學生在掌握基本概念和基本理論方法的基礎上，可以針對具體的實際問題給出相應的解決方案，并在一定的硬件平臺上實現相應的程序代碼，進而完成較為復雜的工程問題。本課程的教學內容主要包括數字圖像處理的基本概念與特點、數字圖像處理基礎、圖像處理編程基礎、空域與頻域的圖像增強、圖像壓縮、圖像形態學及其應用、圖像分割與邊緣檢測、圖像目標識別等知識點。本課程在教學中強調實用性，要求學生在掌握基本概念和基本理論方法的基礎上，可以對具體的實際問題給出一定的解決方案，并實現相應的代碼編寫。

（二）教學現狀分析

正如上面所述，數字圖像處理是一門迅速發展的新興學科，隨著科學技術的發展，學生需要學習的知識及內容在不斷增加，而學習時間沒有變，這就對學習效率提出了更高的要求，給這門課程的教學帶來了挑戰。目前，在數字圖像處理課程的教學中普遍存在以下幾個方面的問題。

1.重基本理論講解，忽視算法在工程應用中的具體實現。受課程學時的限制，本課程的課堂教學重在對圖像處理基本算法背后的數學原理進行講解，忽視了引導學生對圖像處理算法具體實現細節的掌握，不利于學生創新實踐能力的培養，也會讓學生逐漸失去對課程的學習興趣。

2.課程考核模式較為單一，以理論知識考核為主，缺乏對實踐能力的考核，最終很難真實反映學生該門課程的實踐掌握能力。

3.實驗教學環節得不到重視。數字圖像處理這一課程應用性很強，但目前教學環節實驗內容安排較少或者沒有安排。有些實驗內容安排滯后，與日益發展的圖像處理技術不匹配，無法做到因材施教和分層培養，不利于創新型人才的培養。

二、課程內容的整合和優化

課程組結合光信專業人才培養目標，精選課程內容和實驗項目，制訂了數字圖像處理課程教學大綱，重點強化學生應用能力和創新能力的培養。課程的理論課時為40 學時，實驗教學時間為1 周，使用的參考教材為岡薩雷斯和伍茲編著的《數字圖像處理》（第三版），以及相應的MATLAB配套實驗教材。學生通過該課程的學習要達到以下基本目標：了解數字圖像處理概念，掌握數字圖像處理基本理論，主要包括空域圖像增強技術、頻域圖像增強技術、圖像分割、圖像識別等；熟練使用MATLAB等常用的圖像處理工具；基于所學基本理論知識，可獨立解決一些簡單的數字圖像處理實際問題。

數字圖像處理課程理論知識架構體系龐雜，課程組在實際教學中建立了一定的課程框架，主要包含：圖像采集與獲取、圖像增強、圖像恢復、圖像分割、圖像識別以及圖像壓縮等環節。針對每個模塊內的基本知識點，主要結合教材內容進行講解，對于一些教材中還沒有及時更新的知識點，在教學內容設置上增加學術研討模塊，首先給定這些主題，要求學生通過文獻檢索的方式整理該主題的相關內容，最終在課堂上進行匯報和討論。此舉也是將學術研究理念融入整個教學環節，提高學生學習參與度的一種方式。

在實驗課程教學內容的安排上，課程組引進數字圖像處理領域較新的研究成果和發展方向作為實驗主題，將課程實驗內容分為兩大類：基礎算法類實驗和綜合設計類實驗。要求學生不僅能夠利用MATLAB 實現基本算法的源代碼編寫，還能利用MATLAB 和OpenCV 開發實際應用項目。通過實踐來鍛煉學生分析問題、解決問題的能力，從而培養學生主動學習的興趣和科技創新能力，為就業或進一步深造奠定較好的實踐基礎，并積極引導學生在該實驗課程所學到的知識應用于各類競賽中或大學生創新項目中。其中，基礎算法類實驗要求學生結合某一算法，利用MATLAB 或OpenCV 對給定的圖像進行處理并進行分析，得出實驗結論。主要的算法包括圖像的傅里葉變換、灰度變換、直方圖均衡化及匹配、圖像的空間濾波器設計、圖像的頻域濾波器設計、圖像的膨脹、腐蝕、粗化、細化等形態學操作算法、圖像分割以及圖像識別等算法，具體實驗內容和要求如表1 所示。通過要求學生編寫這些算法的核心代碼，并演示出相應的實驗結果來加深學生對數字圖像處理概念和算法的理解。此外，綜合設計類實驗不限定具體的實驗題目，教師可結合目前學術最新研究成果和企業對該門課程應用方向的實際需求情況，設計相應的實驗內容，要求學生通過調查研究、文獻資料查找、方案論證以及程序設計等過程完成整個實驗，著重培養學生的動手實踐能力和創新能力。

三、教學方法和手段的探索

以學生能力培養為導向，結合工程教育專業認證標準要求，針對數字圖像處理課程的特點，在學生了解基本算法的基礎上，注重使用現代化教學手段和虛擬實驗平臺（MATLAB 和LabVIEW），以案例或情景為載體的教學模式模擬仿真算法實際運行的效果，加深學生對基本原理與方法的理解。

本課程理論教學模式分為兩大塊：講授法教學占28個學時，案例教學占12個學時。講授法教學主要講解數字圖像處理的基本概念以及理論基礎，重點引導學生對本課程理論知識的學習，幫助學生建立完整的知識框架體系；案例教學主要根據學生已經學習的理論知識，對重點的圖像處理算法和簡單的圖像處理實例項目進行實際動手能力的訓練。在教學過程中，課程組秉承以學生為主體、教師為主導的“兩元論”新型創新教學模式，在課堂教學中引入“翻轉課堂”的教學模式。在前述課程框架搭建的基礎上，讓學生自行思考每個環節的初步解決方案，并要求學生課下自行補充理論知識。課堂學習過程中可以先由學生講解，然后是學生小組之間的討論和互動，將知識進行內化，最后授課教師根據學生的理解程度進行適當的補充，并在課程基本內容的基礎上，結合學科發展的最新研究成果進行延伸，引導學生進行創新思維訓練。

數字圖像處理的實驗教學部分以學生為主，其中研討式教學、體驗學習以及自主學習環節占80%，演示教學環節僅占20%。其中MATLAB 等開發工具的學習以學生自學為主，要求在課外進行熟練操作，實驗項目在完成指定的基本實驗內容后，學生可以根據個人興趣進行獨立的項目設計環節，教師全程參與方案的討論和指導。此外，為進一步提高學生的學習興趣和主動性，教師可以鼓勵學生自己設計課題，以小組競賽的方式來提高學生獲取知識的能力。

四、考核評價機制的建立

該課程是一門實踐性很強的課程，教師除了強調理論知識學習，還需關注學生利用所學知識解決實際問題的能力，因此在課程考核中，理論知識和實踐能力考核均要體現。期中及期末考試中主要對基礎理論進行考核，而在平時的作業、實驗教學等環節中更加側重考查學生的實踐能力。其中平時布置的作業必須是開放性的課題，要求學生帶著學術研究的理念去完成作業，最終的作業呈現要為具體的問題提供一個完整的解決方案，并附有完整的程序代碼等。

課程組結合中國工程教育專業認證標準規范，制訂詳細、具體、可衡量的評價指標，形成評分表，并結合學生的實驗報告、設計報告、作業、課堂表現、課程考試成績等指標，通過滿意程度給出量化分數，從而計算達成度評價結果。同時通過學生能力培養達成度的評價和反饋結果，不斷修訂教學內容和培養方案，以實現教學的持續改進。

五、結語

文章以學生能力培養為導向，結合工程教育專業認證標準要求，對光信專業的數字圖像處理課程進行了教學改革研究。在教學過程中，課程組通過優化課程理論教學和實驗教學內容，強化了學生解決工程實際問題的能力。在教學方式上，課程組采用“翻轉課堂”以及“實際應用案例驅動”等靈活多樣的教學模式，最大限度地調動了學生學習的主動性和積極性。案例教學貫穿整個教學過程，一方面，通過基礎算法類實驗教學加深學生對教學內容的理解；另一方面，通過設計具有開放性、研究性、綜合性的綜合類實驗項目，培養學生創新意識和工程實踐能力。該教學模式在光信專業2015級、2016級本科生中進行了完整的課程教學實踐，學生的考核目標評定結果表明，該教學模式對學生實踐能力的培養具有積極的促進作用，可以較好體現學校“工程基礎厚、工作作風實、創業能力強”的人才培養特色。