新工科背景下應用型本科院校數字圖像處理課程教學改革探究

關鍵詞：數字圖像處理；新工科；應用型本科院校；考核方式；教學改革

0 引言

新工科是一個以互聯網和工業智能為核心，針對新興產業進行交叉融合，并注重繼承與創新、協調與共享的工科專業體系。該體系致力于培養具備競爭力的工科人才，使其適應新時代的發展需求，并有效應對新一輪科技革命和產業變革帶來的挑戰[1]。新工科對于應用型本科院校的人才培養提出了三個要求：第一，注重培養創新精神與拓展能力。眾所周知，計算機類專業迭代迅速，學校傳統教育模式具有滯后性，難以完全契合快速發展的市場動態與行業需求，因此，新工科視域下，應用型本科院校需要特別注重培養學生的創新精神與拓展能力，使學生在面對新技術與新產業時，具有更強的適應能力。同時，應鼓勵學生積極參與學科競賽和企業實踐活動，提升學生學習的主觀能動性。第二，技能與知識之間的融合。在新工科背景下，對復合型人才的需求日益增強。這就要求學生在知識體系上實現復合，對于準備就業的學生來說既需要掌握扎實的專業基礎知識，也要能夠將其應用于實際生產工作中，具備解決實際問題的能力。應用型本科院校應加強與產業界的合作，為學生提供更多的實踐機會和平臺。第三，跨學科融合。新工科強調多個學科的交叉融合，如機械工程與電子工程、材料科學與計算機科學等學科的整合。因此，對于準備深造的研究型學生來說，應注重培養學生跨學科的視野和能力，并且要學會合作與交流，共同解決問題[2]。

數字圖像處理是智能科學與技術專業的必修課之一，主要包括數字圖像處理基礎、圖像增強、圖像分割、圖像空間域和頻率域變換、圖像壓縮編碼等內容。隨著計算機視覺和深度學習的發展，該課程延伸至圖像超分辨率重建、圖像分類、圖像檢測等方向[3]，其特點是理論性強，知識點多。同時該課程被用于醫學、遙感和交通等領域，應用領域廣，綜合性強。因此，需要通過改進教學和考核模式來提高學生的學習質量，使得這類課程能夠滿足新工科對于應用型本科的人才培養要求。

1 數字圖像處理課程的教學現狀

目前的數字圖像處理課程在實踐教學中主要存在以下三個問題：

1） 基礎不扎實

智科專業缺乏信號處理課程，致使學生學習數字圖像處理中頻率域處理時理解不夠透徹。同時圖像處理實為矩陣運算，學生對于矩陣論或線性代數基礎掌握不扎實，影響其學習的深度和廣度[4]，在實際應用時缺乏靈活性，難以創新。

2） 教學過程非項目導向

數字圖像處理課程以理論教學為主，導致學生對所學知識在項目中的實際應用缺乏清晰的認識。學生將它當作數學這類基礎課程來學，這與該課程的定位是相悖的。教材內容雖涉及知識點應用，并在章節內提供了小型案例和習題練習，但這些內容聚焦于單一知識點的應用，而非將其置于整個項目框架中考慮。從專業角度來看，這種教學模式未能有效地將理論知識與實際項目需求相結合，不利于學生系統性思維和問題解決能力的培養。此教學模式通常以老師為中心，雖然保證了知識傳遞的效率和準確性，卻限制了學生獨立思考和解決問題能力的發展。

3） 考核方式單一

目前，數字圖像處理課程的考核方式以傳統閉卷考試為主，這種方式側重理論知識的記憶與復述，無法全面反映學生在算法設計、實驗操作、結果分析等方面的綜合能力，也無法有效評估創新思維和實踐技能，難以真實反映學生對課程的掌握程度和解決計算機視覺領域實際問題的能力[5]。

2 數字圖像處理教學和考核改革措施

針對以上問題，我們對現有的教學模型和考核方式進行了改革，改革后的教學模型如圖1所示。該教學模型主要包含三個環節：線上學習、課堂學習和課后學習。

課前環節涵蓋了線上視頻的學習及相關題目的完成，這一環節旨在提升學生的自主學習能力，并有效應對學生基礎參差不齊所帶來的課程進度挑戰。同時，它也有助于解決課程教學中常見的大量前置知識需求問題，為后續的課堂教學奠定堅實的基礎。

課堂學習環節是數字圖像處理課程的重要環節，旨在確保學生線上學習的學習效果，加深學生對于知識的理解，在此期間引入真實的項目案例，這類案例通常具有實際應用場景，能夠提升學生的興趣，加強對于知識點的綜合應用能力和同學之間的團結協作能力。

課后學習則主要是完成拓展作業，對前面學習的內容查缺補漏。最后，進行師生互評，作為一種雙向反饋機制，對于提高教學效果和促進師生共同進步具有重要意義。通過互評，學生可以了解自己在學習中的優勢與不足，進而調整學習策略，提高學習效率；而教師則能夠根據學生的反饋，知道教學中存在的問題，進而及時調整教學內容和方法，提升教學效果。因此，課后學習與師生互評相結合，能夠形成一種良性的教學互動，有助于實現教學相長，共同提升教學質量。

在后續的三個小節中將就以上三個方面展開具體闡述。

2.1 線上線下混合式教學改革

數字圖像處理作為一門具有廣泛交叉性的學科，融合了多個領域的知識點。為了使學生能夠更全面地理解并掌握這些跨學科內容，我們將其他相關領域的知識點精心錄制成線上課程，并上傳至芯位平臺，如圖2所示。

在線下授課前，要求學生自主觀看這些線上課程，平臺會自動記錄學習進程，并完成相應的測試題目，這里的測試題目分為選擇題、填空題、判斷題等客觀題和計算題、簡答題等主觀題。我們可以利用3×3、5×5、7×7這樣的小圖像塊來模擬完整的圖像，并將一些數字圖像處理技術應用在這樣的小圖像塊上來確保學生能夠充分吸收和理解這些前置知識。鼓勵學生在完成上述任務的過程中積極思考，通過線上討論或線下向老師請教等方式解決疑惑，達到知識的融會貫通。同時，根據學生的學習記錄和測試結果，如圖3 所示，及時跟蹤和反饋學生的學習情況，幫助教師更好地指導學生學習。

對于上文提及的針對單獨知識點的小型案例，我們分兩個方向學習，一方面是上文提到的主客觀題，另一方面是通過OJ（在線判題）系統，提高學生的知識的應用能力和編程能力。在學校的頭歌平臺上，課題組為該課程準備了大量題目資源，并且具備自動評測和即時反饋的功能，如圖4所示。

學生在完成理論學習后，可以通過訪問頭歌平臺選擇相應的題目進行練習。該系統支持多種編程語言，學生可以根據自己的喜好和課程要求選擇擅長的語言進行編程練習。完成后提交，平臺將自動運行代碼并給出評測結果，包括正確度、執行時間、內存使用等關鍵指標。

通過這種方式，學生可以及時了解自己的編程水平和在知識點掌握上的不足，根據評測結果調整和優化代碼。同時，該系統還提供了排名功能，學生可以查看自己在班級或全校的排名，激發學習動力。此外，學生可以在平臺上分享自己的解題經驗、答題思路，或者向其他同學或老師求助。這種互動式的學習方式有助于拓寬學生的思路，提升問題解決能力。綜上所述，通過頭歌平臺進行單獨知識點的小型案例練習，不僅可以提高學生的學習效率，還能夠培養他們的自主學習和問題解決能力，為未來的學習和工作奠定堅實基礎。

2.2 項目驅動式教學方法

項目驅動式教學方法改變了傳統的以教師為中心的教學模式，使學生成為學習的主體，強調實際操作和實踐應用[6-7]。在這種教學過程中，要求學生以小組協作方式制訂計劃并共同完成項目，教師只起到引導和指導的作用。學生需要在實踐中系統化地學習知識，在討論中互相糾錯，綜合運用所學知識，同時提升團隊分工以及彼此交流合作的能力。在具體實施項目驅動式教學方法時，需要明確課程教學目標，挑選出恰當的項目問題，構建具體的項目驅動式教學的訓練載體，如圖5所示，并設定相應的組織方式和時間安排。同時，還需要建立與之相適應的課程考核標準，以全面評價學生的學習成果。

2.3 過程化教學和考核改革措施

根據前面的教學模型，我們的過程化考核方式主要包含以下兩個部分，過程性考核成績和期末組卷考試成績，分別占比70%和30%，如表1所示。

過程性考核成績中的線上學習由系統自動評判，其中主觀題目由教師在平臺上手動評判；課堂學習中的課堂測驗是紙筆考試，由教師給出成績，實驗報告根據完成質量及項目報告評估標準給出成績；課后作業根據完成情況給出相應分數；最后，教師根據學生的整體學習情況給出分數。

同時，學生也會給予教師評價和反饋，教師應根據學生的反饋信息作出積極回應以及必要的改進[8]。

3 總結

時代的發展催生了新的課程，也提出了新的要求，根據課程的不同特點和新工科對于應用型大學的要求，本文以數字圖像處理為例，對其課程體系及教學方法進行了優化與革新。在這一過程中，成功實施了線上線下混合式教學模式的改革，探索了項目驅動式的教學方法，并推進了過程化考核體系的建立。然而，值得注意的是，由于這些改進措施仍處于試行階段，雖然在教學效果方面已經取得了明顯進展，但是也可能存在未被發現的問題。此外，為了進一步提升教學質量，增強教學的實踐性與應用性，應當更加積極地引入校企合作機制，通過與企業合作引入更貼近實際、更具真實性的教學案例。這將有助于提升學生的實際操作能力，使其更好地適應未來職業發展的需求。