OBE 理念下“數字圖像處理”課程案例教學探索

劉姝廷，張文波，劉 芳

（沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159）

OBE 是一種以成果為目標導向，以學生為本，采用逆向思維的先進教育理念[1-2]。伴隨著新工科建設理念，案例教學[3-4]、混合式教學[5]、一體化教學[6]等教學方式在高校中廣泛應用?！皵底謭D像處理”課程是電子信息工程專業開設的一門技術性和應用性并存的專業主干課。通過該課程的學習，學生了解數字圖像處理的國內外研究與應用現狀，掌握數字圖像處理的基本概念、原理和常用的處理方法，具備解決電子信息工程應用問題的初步能力，為學生日后在電信、計算機視覺、模式識別等領域從事研究與開發打下堅實的理論基礎。目前，該門課程的教學主要采用教師理論講授的方式，學生在學習過程中參與性較低，學習效果不理想。北京化工大學尹嬙提出了以實踐案例為引導的“數字圖像處理”教學改革，太原工業學院張俊生進行了“數字圖像處理”案例化建設研究，淮南師范學院蔡俊探討了案例化“數字圖像處理”實驗設計[6]。也有很多高校將課程思政元素融入“數字圖像處理”課程[7-9]，在學生素質培養方面起到很好的作用。中國礦業大學蔡利梅對思政教學的模式和內容進行了設計。山西大學張麗紅構建了課程思政體系，將思政元素全面系統地融入課程教學。由此，本文提出在OBE 理念下對“數字圖像處理”課程進行案例教學探索。

1 數字圖像處理課程教學現狀

“數字圖像處理”課程要求學生了解圖像處理、分析和理解的關系，了解當前數字圖像處理的發展趨勢、新技術及新應用，掌握常用的數字圖像處理方法，包括圖像增強方法、幾何變換方法、圖像分割方法、噪聲抑制方法、銳化方法、二值圖像處理方法、圖像復原和編碼方法，能較為熟練地用Matlab 語言編寫常用的數字圖像處理算法。未改革前，“數字圖像處理”課程以主講教師理論講授為主，課后通過作業鞏固知識。在課堂上，學生依靠認真聽講完成本課程的學習。而“數字圖像處理”課程涵蓋諸多繁復冗長的算法公式和算法思想，學生難以深刻領會。因此，主講教師在進行課堂互動時，學生的參與度較低。同時，在該課程考核部分，期末考試比重較大，達到總分數的80%，主講教師通過期末考試來考核學生對于數字圖像處理的基本理論、分析、常用圖像處理方法等內容的綜合運用情況。

2 基于OBE 的數字圖像處理案例教學設計

2.1 基于OBE 的課程教學目標

課程組調研了近五年來用人單位對電子信息工程專業人才的能力需求，又根據現有的沈陽理工大學電子信息工程專業人才培養方案，制訂了該課程的教學目標，教學目標1 要求掌握圖像增強方法、幾何變換方法、圖像分割方法等普通的數字圖像處理方法，建立用計算機解決工程問題的邏輯思維方式。教學目標2 要求能較為熟練地用Matlab語言編寫常用的數字圖像處理算法，并可應用于解決電子信息工程及相關工程領域的復雜工程問題。教學目標3 要求掌握圖像處理的方法和手段，了解當前數字圖像處理的發展趨勢和最新技術。教學目標4 要求針對數字圖像處理的復雜工程問題，設計適合的圖像處理方案。教學目標分別對應工程知識、問題分析、研究、使用現代工具四大類畢業要求。

2.2 基于OBE 的案例教學設計

基于OBE“數字圖像處理”教學大綱，根據教學內容，課程主要分為12 個部分進行案例設計。在緒論部分加入圖像處理綜合案例，使學生對圖像處理效果有一個整體的感知，為后續內容的講解打下興趣基礎。在圖像的基本概念部分加入讀取并顯示圖像的案例，使學生深刻理解圖像的數字化過程。在圖像增強部分加入圖像進行分段線性變換、非線性變換、直方圖均衡化的案例，達到使學生理解灰度線性變換和非線性變換的目的。在圖像幾何變換部分加入圖像的平移、鏡像、旋轉、縮放、錯切、幾何失真等案例，使學生有效理解圖像坐標變換的概念，理解圖像按比例縮放的概念及其意義。在圖像噪聲抑制部分，添加均值濾波、中值濾波、高斯濾波案例，加深學生對多種平滑濾波計算過程的理解。在圖像銳化部分，添加梯度算子、roberts算子、sobel 算子、prewitt 算子、Laplacian 算子、canny 算子、LOG 算子銳化等案例，豐富學生對不同微分算子的方向性、適用性的理解。在圖像分割部分，添加灰度直方圖閾度分割、最大類間方差法、迭代運算閾值分割、Hough 變換檢測直線、邊界跟蹤、區域生長、區域合并、區域分裂、分水嶺分割案例，加深學生對不同圖像分割方法的區別和適用范圍的掌握。在二值圖像處理部分添加創建結構元素、膨脹運算、腐蝕運算、開運算和閉運算、二值圖像特征提取、二值圖像的平滑、二值圖像邊緣提取、二值圖像區域填充、二值圖像目標探測、二值圖像細化的案例，使學生理解形態學運算的意義，結構元素的概念，掌握腐蝕、膨脹的運算過程。在彩色圖像處理部分加入彩色圖像灰度化案例，有助于學生有效理解彩色圖像的常規處理。在圖像變換部分加入傅里葉變換、傅里葉幾何變換性、傅里葉頻域濾波、離散余弦變換、離散余弦變換壓縮、離散K-L 變換、人臉K-L 變換、radon 變換案例，幫助學生理解傅里葉、離散余弦等正交變換的過程。在圖像復原部分，添加運動模糊退化估計、逆濾波復原、維納濾波、等功率濾波、約束最小二乘濾波、RL 復原濾波案例，有助于學生理解圖像退化與復原和非約束復原的原理。在最后的圖像壓縮編碼部分，加入霍夫曼編碼、算數編碼、lzw 編碼的案例，使學生理解多種壓縮編碼方法的過程及其意義。

“數字圖像處理”課程總學時56 學時，以16 學時為1個學分，共3.5 個學分。在教學實施過程中，以學生為主，教師教授為輔，充分調動學生的內驅力。將案例教學與學生實踐充分融入教學設計中。例如，在講解圖像噪聲抑制這部分一內容時，在復習階段，教師通過雨課堂點名形式復習上節課學習的圖像縮放、錯切、三維圖像投影變換及圖像幾何畸變的內容，然后通過雨課堂小測試進行鞏固驗收。在上課過程中，首先給出本次課程的教學目標為掌握噪聲的概念與分類，掌握均值與中值濾波的方法。然后通過工業噪聲污染及降噪方法的視頻進行課程思政引入，讓學生明確遇到問題須積極解決問題的邏輯方式。接下來，提出問題圖像也容易受到噪聲的污染導致圖像質量降低，應如何抑制圖像的噪聲。順利進入本次課要講的噪聲的基本概念及均值濾波原理，通過MATLAB 語言實現均值，讓學生直接看到均值濾波的處理效果，引起學生的注意，之后講解相關程序代碼加深學生對代碼的理解。最后讓學生通過自己對電腦里任意一幅加噪圖像進行均值濾波處理并在課堂投影上進行分享，讓學生獲得學習該內容的成就感。課程最后教師總結本課程所學的圖像噪聲的概念和分類，圖像均值濾波內容。

2.3 基于OBE 的案例課程考核

改革后，“數字圖像處理”課程考核主要由平時成績與期末閉卷成績1∶1 組成，其中平時成績包括出勤10%，課堂表現10%，作業10%，階段測試10%，案例操作60%。出勤（20 次），成績按10 分評定，每次0.5 分，曠課0 分。課堂表現（10 次），成績按10 分評定，每次1 分，未回答0 分。作業（23 次），成績按10 分評定，求作業平均值，按學生作業完成情況以十分制計分。階段測試（2 次）：按10 分評定，求測試平均值，按學生作業完成情況以十分制計分。操作（15 次）：按60 分評定，每次創新性不足扣1 分，未操作0 分。期末考試主要以填空和選擇的題型考核數字圖像處理的基本概念，以主觀題考核圖像數據量計算、直方圖均衡化計算、均值濾波計算、灰度直方圖畫法、退化過程畫法、典型處理程序等。兌換成支撐程度，教學目標1 支撐程度為30%，其中出勤1.5%，課堂表現1.5%，作業2.5%，階段測試2.5%，案例操作5%，期末考試17%。教學目標2 支撐程度為20%，其中出勤1.5%，課堂表現1.5%，作業2.5%，階段測試2.5%，案例操作5%，期末考試7%。教學目標3支撐程度為30%，其中出勤1%，課堂表現1%，案例操作10%，期末考試18%。教學目標4 支撐程度為20%，其中出勤1%，課堂表現1%，案例操作10%，期末考試8%。

3 教學改革效果

課程組根據OBE 教學理念，對本校19 級電子信息工程專業進行“數字圖像處理”課程案例教學。從成績上分析，總評成績呈現正態分布，總體考核成績較好，90—100分段占8.99%，80—89 分段占50.56%，70—79 分段占37.08%，60—69 分段占3.37%。從達成度分析來看，課程目標1 至4 達成度分別為89.63%、82.55%、78.62%，78.08%，課程目標1 的達成度較高，說明學生對數字圖像處理基礎知識掌握較好。課程目標2 的達成度略高，說明學生能夠熟練地用Matlab 語言編寫常用的數字圖像處理算法。課程目標3 達成度一般，說明學生雖掌握了正確的學習圖像處理方法和手段，但對當前數字圖像處理的發展趨勢和最新技術了解一般，在以后的教學中要加強對該方面的引導。課程目標4 達成度一般，說明學生針對數字圖像處理方面的復雜工程問題，設計適合的圖像處理方案的能力一般。課程組擬在下一輪課程教學過程中增加以實踐為背景的案例教學，并強調數字圖像處理在電子信息工程領域中的應用。從課堂學生參與度來看，學生明顯比沒有進行案例教學前參與度高，學生在課上能積極分享案例運行成果，課后快速完成作業并積極和教師、同學開展討論。

4 結語

在工程專業認證的大環境下，針對“數字圖像處理”課程教學現狀，課程組以電子信息工程專業為對象進行了基于OBE 理念的案例教學改革。介紹了該課程的課程目標和畢業要求，設計了基于OBE 的案例教學內容。從改革效果來看，本文提出的基于OBE 理念的“數字圖像處理”課程案例教學方案，能夠有效地提高學生的內驅力，取得滿意的畢業要求達成度，為其他高校數字圖像處理課程的教學改革提供一定的借鑒作用。