需求引導、多元并舉，“數字圖像處理”課程教學改革研究與探索*

高 晶 金國棟 劉志剛

（火箭軍工程大學104教研室 西安 710025）

“數字圖像處理”課程是我校現行本科人才培養方案中的主干課程，是《遙感偵察與應用》等課程的先修專業基礎課程。隨著現在人工智能科學技術的飛速發展，圖像處理已進入智能化的發展階段，并且全國高校的人才教育理念與需求也正在變革，以及新形態的教學模式與教學方法已從傳統教學中脫穎而出。因此，“數字圖像處理”課程以往的教學計劃、內容體系、課堂設計、教學模式以及考核評價等存在失配與滯后，急需破解圖像處理課程授課過程中存在的理論性強、課堂枯燥、學生缺乏解決問題的思路和方法的難題，以深入淺出的方法使學生對快速發展的圖像處理技術消化、理解、掌握，在有限的時間內讓學生提升圖像處理能力，讓參與學習的學生全面提升圖像處理課程的學習能力，提升綜合素質[1]。

一、“數字圖像處理”課程在教學中的現狀

1.知識更新快、現有授課知識體系與內容設計不夠優化的問題

“數字圖像處理”是以微積分、概率論、線性代數和線性系統理論為基礎，綜合利用視覺理論、信號處理理論和計算機技術解決圖像的采集、存儲、壓縮、增強、復原和目標提取與表示等數字圖像處理領域的基礎問題，是“遙感偵察與應用”和“目標圖像判讀”等課程的先導課程。該課程的任務是使學生掌握數字圖像處理的基本原理和基本分析方法，了解數字圖像的獲取、顯示和存儲等基本技術，深刻理解圖像處理技術的應用方法，并能結合Matlab圖像處理工具箱解決實際問題。

但現階段快速發展的圖像處理智能化新技術新方法，使得數字圖像處理課程原有的課程教學內容與之快速發展的技術不相匹配，因此，急需利用豐富的教學資源對現有的課程體系、教學內容進行改進，為學生今后學習圖像類專業課和從事圖像處理工作等打下扎實的基礎。

2.傳統以教為中心的教學模式下，學生學習興趣難持久、內生動力不足的問題

數字圖像處理課程的趣味性較強，教學內容直觀、學生容易產生興趣，但課程本身數學理論強，有很多矩陣之間的運算以及不同空間域、頻域之間的轉換較難理解。目前，學生上課的模式較為傳統，沒有自主發現問題、分析問題的機會，因此，學生很難將理論知識與應用實踐，甚至創新應用結合起來，這樣會使得一開始產生的興趣慢慢降低濃度。因此，需推動數字圖像處理課程的教學向以學生為中心的智能化課堂教學模式發展，讓學生內生動力、保持學習興趣。

3.現有的圖像處理課程綜合評價指標沒有充分融入學生的課堂反饋和教師教學反思的元素

課堂教學活動中，學生是教學活動的主體，對教師“教”的評價中，學生評價是很重要的組成部分，但學生評教往往是在課程結束臨近考試時進行，缺乏及時性，且學生對評教的認識不夠，主觀因素影響較大；對學生“學”方面的評價缺乏及時性和多樣性，過程性考核內容欠缺，導致學生平時學習毫無壓力、臨近考試壓力倍增。因此，為促進“數字圖像處理”課程教與學的過程，急需建立“持續改進”的教學評價機制，加強教與學的及時評價，促進教師的課程教學反思，提高人才培養質量。

二、“數字圖像處理”課程教學改革思路

“數字圖像處理”課程教學改革立足新版人才培養方案和課程教學大綱，結合我校人才培養任務的需求，重組具有前沿性和時代性的課程內容，基于五星教學原理將整個課程教學過程劃分為分為五個環節，分別是：“聚焦問題”“激活舊知”“示證新知”“應用新知”和“融會貫通”，將一改以往傳統模式，形成“以學生為中心”的智能化課堂教學模式，建立不斷改進的課程教學和考核評價機制。探索教學重心與教學角色的轉換，關注教師教學過程的同時，更關注學生的學習過程，引導學生進行科學且循序漸進的學習，有效提高學習質量，使得學生樹立起探究性的思維，培養學生快速提升發現問題、解決問題的綜合能力，提升學生圖像處理與分析的崗位任職能力，推動課堂高效教學改革，為將“數字圖像處理”打造為“金課”奠定堅實的基礎，也為將圖像處理技術類課程建成精品課程群打牢根基。

圖1 課題研究基本思路

數字圖像處理課程建設全面對標國家金課標準，強調“以學生為中心”，不斷優化教學內容、建設教學資源、改進教學流程、創新教學方法和改革評價方式。首先，在該課程教學流程方面，任課老師堅持每年在開課前根據課表對每節課的教學內容與形式進行頂層總體設計，細化教學案例、課堂提問、課后作業以及實踐教學設計，形成教學日歷，以確保“知識獲取、能力培養、價值觀培塑”于一體的教學目標的實現。其次，針對課程教學的進程安排，按照循序漸進的思路，先開展課程理論性的教學，再穿插安排教學實驗，最后進行綜合性能力訓練，將理論與實踐相結合。再次，為聚焦實際，在教學實例方面構建急需的典型圖像處理實例庫，讓學生重點圍繞典型圖像處理任務提升實踐能力，并適時圍繞典型目標開展圖像分析，在提升能力的同時實現課程思政，幫助學生塑造正確的價值觀。最后，為提升教學質量，注重開課前通過師生見面會掌握學情，開課后隨時就教學效果與學生保持溝通，課程結束后通過問卷調查、師生面談、教學督導反饋、畢業生回訪等多種形式了解教學效果，并據此進行教學反思與貼近崗位的實際要求的教學調整[2]。

由于教學隊伍建設是課程教學整體建設的重要力量，因此采取到研究單位進行跟蹤學習，參加遙感圖像技術大型任務，緊跟最新技術前沿和用途需求；邀請知名高校和科研院所專家教授來校進行專題授課或具體指導幫帶團隊建設；通過示范課及常態練講，利用教學比賽平臺提升教師課程授課能力；發揮團隊的學科專業優勢，加強教育資源向人才優勢轉化，促進團隊技術能力向實際應用能力的轉化；課程團隊有針對性地開設了圖像處理微課專題，慕課、在線課程，做好在線課程輔導在創新實踐環節，鼓勵實驗創新，學生可以根據個人興趣和學習能力參與到實踐中，提高團隊的輻射能力。

三、“數字圖像處理”課程改革的主要策略及內容

1.優化重組課程教學內容體系

瞄準人才培養定位，從系統性、專業性和先進性的角度優化課程教學內容體系。一是構建系統性教學內容，由于遙感圖像智能化處理技術的快速發展與“數字圖像處理”課程的原有授課內容不相匹配，因此不能照搬傳統教學內容，需要精心設計，合理編排，體現數字圖像處理技術的再現性優勢、精度優勢、試用優勢、靈活優勢。二是梳理數字圖像處理知識圖譜，深挖教學重點內容，提高內容的挑戰性，同時注重向外擴展教學內容，將數字信號處理、遙感偵察與應用、圖像判讀等與圖像處理知識緊密相連的內容作為知識架構的一部分，使學生在打牢基礎知識的前提下，拓寬專業知識面。三是將團隊多年來在圖像處理領域的科研成果和國內外前沿技術進行提煉，對課程內容進行完善和補充，提升課程內容的先進性，以激發學生興趣、促進學習動力。四是積極開發制作微課和教學視頻等多元化的教學資源，進一步豐富課程的智能化教學資源[3]。

2.以五星教學原理為理念的SPOC教學設計研究探索

在遵循五星教學原理的基礎上，結合SPOC的“課前線上階段、課中面授階段、課后線上階段”的教學設計流程，以學生的“學”為主體、統籌安排課前、課中和課后活動。整個課程充分利用好課前、課中、課后這三階段，由于大學生要提高自學能力，很多的知識、課程資源在教材和各種網絡平臺上都有。在課前，教師為學生精心設計學習資源和學習任務，用于激活學生的原有知識，理清知識結構，以便更好地把新舊知識聯系起來，學生圍繞資源內容可開展小組式自主學習。在課中，雖然學生有大量的時間看書查資料，但是對內容的整合和邏輯梳理可能比較費勁，教師要指導、幫助學生將新的知識信息納入原有的認知結構中，將新舊知識聯系起來；其次就是促進學生對內容的理解，教師用深入淺出的方法對教學內容難點問題講清講透。最后就是輔導學生將所掌握的知識應用于實際問題當中，促進學生綜合能力的提升，加深新舊知識的聯系。在課后，教師引導學生反思學習過程，總結、提煉自己所學的知識和技能，并通過多次實踐鞏固完善知識體系。總體上實現課前自主構建、課中引導學習、課后鞏固提高這樣一個學習過程[4]。

針對每一節課的具體教學過程，以問題為牽引的教學模式將課中又劃分為“導—示—探—回”這四個環節，在導這個環節，主要由教師通過結合實際問題進行課堂導入，在拋出問題之后，原理展示環節，主要由教師帶領學生學習基本的原理知識，然后逐步對本節課的重難點問題進行分析，將以一個實際處理的操作實例出發，由現象來反推本質，由結論來深挖原理，逐個來破解難題。最后，對課前我們所提出的問題進行回歸。

圍繞教學內容和學生情況，在教學中，從知識原理到算法實現再到實際應用三個層面，設定了知識、能力、素質三位一體的教學目標。同時將“從本質出發—研究規律—解決問題”的科學探索精神的課堂思政元素的有機融入，強化學生科研精神與使命榮譽感。

3.構建立體化實踐平臺，開展漸進式綜合實練

目前，高等院校的教育理念非常注重理論知識聯系實際應用，強調學生解決實際工程問題能力的培養，而“數字圖像處理”作為主干專業基礎課程，起著“承前啟后”的重要作用，為充分體現其實際應用和聯系緊密的特點，將其與專業綜合課程設計、畢業設計和創新研究等環節相結合，積極構建實踐平臺，深化學生對所學理論知識和實際應用的有效結合。開展相關小課題的研究，設計一系列不同難度的綜合應用問題，通過階梯式的難度設定，逐漸加大應用實練的提高性，逐步培育學生的科學素養，激發學生解決問題的能力。

圍繞教學需求，在校內課程團隊充分利用各種建設契機，引入先進教育技術手段，建設了圖像處理專業教室、目標模型、工作臺等豐富的實踐教學資源，能充分滿足本專業培訓員額需要，少數體驗性或驗證性實驗設備可通過分組實驗滿足教學需要。在教學流程設計時，充分遵循認知發展和能力生成規律，隨時根據教學需要利用教學設備進行演示、體驗、實驗或實踐操作，所有設備都得到了高效利用[5]。

在校外，逐步開發了一系列實踐基地，有力保障了課程的實施。以此為基礎，我們在教學設計中，每年組織學生開展目標考察實踐教學；與相關單位建立了聯合育人機制，定期組織學生參觀見學、跟崗作業。由于在培養體系內，實踐鍛煉是知識轉化為能力、實踐與理論結合的重要渠道。為了更好地鍛煉學生具體處理技能，提升崗位任職能力，教學組采用了以下手段。

一是結合實踐教學平臺，完成全要素全流程的圖像處理訓練。在數字圖像處理課程中，利用教學組研制的飛行姿態控制感知和飛行運動控制感知實驗系統結合實裝配合訓練，使學生在學校基本完成了圖像獲取與采集操作，了解圖像采集系統原理，具備了一定的裝備實操能力。

二是實踐操作應用，提高學生第一任職能力。學校組織畢業班學生到相關單位進行任職崗位專業實習，打通學生將課堂所學應用于崗位任職的通道。通過接觸設備、背記使用方法、參與實踐操作，讓學生在實踐中將學校學到的知識與實際操作相融合。

4.建立基于“持續改進”的教學評價機制

教學評價體系包括衡量學生學習效果的過程性評價和衡量教師教學質量的終結性評價，針對學生“學”的中心，數字圖像處理課程圍繞考核方式進行了大量的改革與實踐，不斷增強形成性考核比重，目前已形成了閉卷筆試、上機實踐、大作業、實驗等多種考核形式。圖像處理的教學需貼近工作實際，為達到教學目的，在考核方式上應將理論考核與圖像處理實踐考核相結合、理論掌握與綜合應用技能評估相結合，促進學生的實際應用能力，提高崗位任職能力。

尤其是在“數字圖像處理”課程教學改革中，教學評價機制的優化重點是體現“以學生為主體”、促進“學”的過程，用“以學論教”的評價理念取代“以教論教”的理念，將利用過程性評價衡量學習全過程，充分利用SPOC教學平臺進行預習、測試、課堂表現、課后作業的數據統計功能，建立量化的全過程性考核體系，教師在教學過程中對學生學習的課程知識進行評價檢驗并及時反饋，通過與學生的互動和思想的碰撞使學生及時調整學習方法、加深對知識的理解，激勵學生杜絕以往“臨陣磨槍”式的學習習慣，讓學生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。同時，教師及時發動學生對當堂課教學內容、教學組織、教學方法的匿名評價，一方面可調動學生的積極性和主觀能動性，另一方面教師對自己的教學設計、教學效果進行分析和反思，及時調整教學方法。教師和學生在教學過程中“持續改進”的相互評價，提高教學質量。

四、結語

數字圖像處理課程教學改革探索與分析涉及院校教書育人的各個環節和要素，課程團隊始終堅持以學為本，結合院校自身的發展和特點，創新探索方法、優化實踐路徑，遵循認知發展和能力生成規律，突出課程教學重點難點。

1.為解決理論教學難以完全滿足學生崗位任職需求的問題，教學組積極開展圖像處理新型實踐教學條件建設。目前已建成包括圖像處理采集實裝、圖像處理半實物實時仿真平臺。依托實踐教學平臺，在課程教學過程中能夠實現理論與實踐相結合，幫助學生較快地實現從課堂走向工作崗位，提高學生崗位適應度，真正起到聯系課堂和崗位的作用。在學生的培養中實踐教學平臺發揮了巨大作用，依靠該平臺開展了“采集原理”“圖像處理”“效果評估”等案例式教學。在案例教學中，課堂實施是中心環節，在課堂教學中，對于案例的展示可以依據時間長短，操作難易，靈活選擇演示，幫助學生從案例教學的內容和過程中進行思考，理解如何在今后的工作中加以運用。在案例式教學過程中更大范圍地激發學生的思維能力，使每一個成員都能夠共享其他學生的經驗和智慧，從而達到案例教學的目的。

2.課后對學生學習效果及對教學效果進行總結評價，以促進案例教學法的完善性，從而真正做到教學相長，使學生不僅能掌握理論知識，而且能運用這些理論知識提高解決實際問題的能力。學生也以此為動機開展了多項科技創新活動，科研服務教學作用發揮顯著。實踐教學平臺還服務于教學組新型在線課程建設，承擔課程中的可視化演示和實驗驗證環節，提高了在線課程的整體質量。切實成為聯系院校教育、崗位實踐和職業教育的橋梁。

3.數字圖像處理的教學改革采用以人才培養任務為需求，以五星教學原理為指導，開展“以學生為中心”的智能化課堂教學模式研究，以提高課題研究成果的針對性。注重教學過程中角色的互換，引導學生進行科學且循序漸進的學習，培養學生的探究性思維和解決復雜問題的綜合能力，提升學生圖像處理與分析的崗位任職能力。課程改革將使培養學生憂患意識、愛國情懷和獻身精神，提升實踐能力和素養；使學生掌握圖像中特有的迭代思維方法、探索與創新的科學精神，養成細致觀察、注重積累的職業習慣。課程教學是一項長期而艱巨的任務，在今后的教學實踐中，團隊將不斷進行課程教學的探索，更好地服務于人才培養建設。

4.依托職業教育“大平臺”，推動圖像處理人才培養向終身教育發展。由于圖像處理技術與設備的快速更新換代，圖像處理人才的培養也需要開放化、終身化。為達到這一目標，教學組大膽改革傳統教學模式，積極開展新型在線課程的研究建設，計劃在職業教育在線課程建設任務中建設數字圖像處理技術與應用的相關慕課課程。摒棄以往在線課程僅僅是將課堂講授搬到網絡上的做法，針對網絡時代知識獲取的快速性和零碎性，將大段的課堂講授分解為特點鮮明的小知識點，圍繞知識點展開生動形象、高度凝練的課程設計，從而提高學生的學習興趣，也使得教學內容能夠緊跟科技軟件與硬件設備的發展。

教學組在數字圖像處理教學中的新舉措有效解決傳統教學手段難以適應課程教學內容的問題，提升學生學習主動性，達到良好的院校教學效果；利用綜合實踐大課堂，解決理論教學難以完全滿足學生崗位任職需求的矛盾，提升學生崗位任職能力；依托職業教育平臺，推進課程資源對學生終身學習的支撐；建設新型教與學評價機制，提升教學效果；開展新型實踐教學條件建設，架起橋梁，達到了良好的育人效果，具有普遍指導意義和推廣應用價值。