“数字图像处理”教学中提高学生主动性的探索

摘要：针对信息专业的专业课“数字图像处理”教学中提高学生主动性的举措进行了探索，提出了增加“课题驱动”学习环节，课堂上实时基于MATLAB进行算法验证以及将教学媒体作为学生的认知工具等三个举措，并在具体实施中取得了较好效果。

关键词：数字图像处理；MATLAB；多媒体

作者简介：曹永锋（1976-），男，河北冀州人，贵州师范大学数学与计算机科学学院，副教授；苏彩霞（1983-），女，河北衡水人，贵州师范大学数学与计算机科学学院，讲师。（贵州 贵阳 550001）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）13-0101-02

“数字图像处理”是发展快且应用面广的新兴信息处理学科，[1]其所涉及的图像信息获取、传输和处理的基本理论和相关技术已经广泛渗透到了计算机、通信、遥感、测绘、生物、军事甚至人们的日常生活领域。“数字图像处理”已是高等院校信息类专业的一门重要专业课程。

数字图像处理完美结合了数学科学。随着电子技术及计算机技术的飞速发展，新的数字图像处理的理论和技术不断出现并应用于实践。面对这样一门理论与实践、原理和应用紧密结合的课程，学生们常常处于一个尴尬境地：虽为其广泛的应用前景所吸引，却困扰于课程的理论性，在一些繁杂的数学推导面前望而却步，逐渐丧失学习兴趣。[2]美国作家威廉·阿瑟·沃德有句名言：“平庸的教师讲述，好的教师解释，优秀的教师展示，杰出的教师激发兴趣。”要想改革“数字图像处理”课程的教学理念，提高教学质量，将教育模式从应试教育转向更为务实的专业素质教育（注重培养学生的学习兴趣和创造力，强调实践和应用能力），提高学生的兴趣和学习主动性是首先要解决的问题。在教学中，教师对于课堂教学目标的定位，应着眼于调动学生主动参与的积极性，突出“以学生为本”，使学生在学习知识、技能的过程中，不断加快发展自身的主体性。基于这些认识，笔者在“数字图像处理”课程教学中进行了若干提高学生自主性举措的探索。

一、增加“课题驱动”的学习环节

“课题驱动”或者“任务驱动”是探究式教学模式的一种教学方法，指教学过程中，以若干个具体课题为中心，在完成课题的过程中，使学生学到目标知识和技能。在这个过程中，教与学变得目标明确、生动有趣、易于接受。其可以提升学生兴趣和自主性的关键在于使学生真正成为了学习主体，教师除了具有辅导者、引导者的身份外，不具备其他任何权威。

“课题驱动”学习中的“课题”设计非常重要。首先，课题按照其难度与涉及知识范围的大小应分为多个档次。在本课程教学中，分为微课题与综合课题两个档次。微课题针对某一具体单一的图像处理的实际应用提出要求，例如要求对手机拍摄的一张对比度欠佳的图片进行灰度拉伸以提升效果。微课题数量可以很多，其优点在于可针对每一项图像处理技术单独设置，在实施时间和基础原理准备上相对灵活。综合课题需要多项数字图像处理技术的综合应用，课题要求更接近实际需求。例如可在课程中设置下面几个综合课题：检测流水线上的空瓶；实现电影特效，如人脸渐变为兽头；多幅相片拼接大场景；消除相片中的直线运动模糊。这些课题本身就是数字图像处理技术在现实生活中的前沿应用，在授课过程中教师展示结果以吸引学生的兴趣，讲授完基础原理知识和方法后，作为课题让学生们根据兴趣选择题目自行分组和实现。

课题的实施根据档次有所不同。微课题在课堂教学过程中按进度依次提出，学生需要参与完成每个课题。花费时间较少的直接在课堂上利用MATLAB实现，花费时间较多的则在课下进行。综合课题的选题放在绪论课后，即介绍了数字图像处理的各种有趣应用之后。要求学生根据兴趣自由选题，组成3～5人的小组，小组内明确分工，到学期末前完成。综合课题完成后提交书面报告、程序与结果、PPT课件。每个小组有30分钟时间向全班同学和老师介绍其成果，讲解原理并接受提问。

在对本科三年级两个不同班级和本科四年一个班级的授课中，发现了一些有趣现象。首先，大部分学生对综合性课题更有兴趣。这可能是由于综合性课题更接近现实需求，其产生的结果也更复杂和有趣，而微课题由于限制于实施时间和技术，其处理结果缺乏吸引力。其次，学生在其课题实施中所展示出来的能力令人瞠目结舌。以选择人脸渐变课题的小组为例，最初的期望是学生完成对该技术的目的、背景、基本实现方法的总结，并采用一种基本方法实现简单的渐变。最终，学生不仅圆满完成了预期任务，更在实践中发现了该基本方法的缺陷（两张图片中目标位置不重合的话，无法实现渐变效果），通过实现手动选取特征点和利用网格扭曲的方法很好地解决了对不重合的两幅图进行变形这一问题。

这样做最大的好处在于修正传统工程专业人才培养模式中过分强调专业知识积累的倾向，转而侧重于培养综合能力。学生收集、分析和利用信息的信息能力，综合分析事物和自主解决实际问题的研究能力，团队分工协作的合作能力，以及发散思维大胆尝试的创新能力都得以快速发展。

二、课堂上实时进行基于MATLAB的算法验证

MATLAB用于数字图像处理教学有很多优越性。MATLAB软件函数齐全，功能强大。其图像处理工具箱提供的函数，几乎可以实现所有图像处理方法。MATLAB非常适合用于基于课题引导的教学：MATLAB中丰富的函数有助于把学生从复杂的编程工作中解放出来，花更多精力分析和比较各种处理方法；MATLAB中简单却功能强大的图形图像显示功能，使学生可以快速直观观察分析结果；MATLAB语言简单易学，所有核心文件和工具箱文件都可读可改，学生可以通过读写源码理解原理，增添自己的功能甚至构建自己的工具箱。

MATLAB已成功用于讲完数字图像处理的基础理论和算法后的实验或者实习阶段的教学。[3，4]而本举措强调实时地对基础理论和算法进行验证与结果展示，即学完一个相对完整的图像处理算法原理后马上进行MATLAB编程验证。类似教学方法在美国罗斯-豪曼理工学院电气与计算机工程系已经得到了多年应用（在其教室内，学生课桌后面就是试验台，学生在听课过程中可以随时转身进行实际操作验证），[5]并取得了很好的教学效果。

这样做的好处在于：第一，数字图像处理算法的原理部分有大量令人生畏的枯燥冗长的公式推导，对处理结果的有趣体验和处理成功后的成就感有助于重新抓住学生因前面公式推导而减弱的注意力，使其重新点燃兴奋感，从而在课程的全过程都保持兴趣。第二，对算法的每个阶段结果的实时验证和观察可及时帮助学生理解理论原理，即使有一部分原理未能及时理解，相关感性认识仍可帮助学生继续学习后续部分。第三，MATLAB验证除作为教师演示手段外，还成为学生的学习手段。学生可以籍此分析、探究蕴含其中的反映事物本质和规律的理性知识，抽象、概括得出理性的结论。这样就使MATLAB验证的作用发生了质变，由教师的演示工具转变为学生的认知工具。

但是，这种方式的实施还需要一些条件的配合。例如，上课地点需要在机房或者每个座位都配备计算机的教室；由于MATLAB编程和验证会耗费额外的时间，那么每堂课所讲述内容必然减少，会造成课程基本内容在所给课时内无法完成。因此，需要配合讲授内容的精选，贯彻“少而精”原则，突出重点，使学生在有限学时内有最大收获。此外，也要精选需要实时编程验证的内容，避免无谓的时间耗费。

三、教学媒体作为学生的认知工具

从实践上讲，数字图像处理是“所见即所得，所得即可见”的一门学科。由于输入输出和处理过程大都可以用图形图像展示，在课程教学中多媒体使用得非常充分。[6，7]通常情况下，教学媒体资源（PPT课件、视频、录音、软件、网上资源等）是教师的教学工具，用来更直观地给学生们展示数字图像处理算法的基本原理和应用，增强他们的感性认识和提高吸引力。然而，这些资源应当同时成为学生的认知工具。通过激励学生利用媒体资源进行问题的分析、说明和讲解，使其自行探究蕴含其中的事物本质和规律并抽象、概括得出理性的结论，这样就使媒体的作用发生了质变，由教师的演示工具转变为学生的认知工具。这一措施的具体实施其实渗透到了前面两个措施之中。在“课题驱动”的教学过程中，教师从使用大部分媒体资源和时间资源的主导者转变为仅为学生提供部分媒体资源并占用少量时间的引导者，而学生必须从大量的信息来源中迅速查找、分析、理解并实现特定技术方法，在课堂上使用媒体清晰表现并清楚讲解；在“MATLAB实时验证”过程中，学生自行利用MATLAB探索和学习知识，教师将主动权、课堂时间和MATLAB软件工具交给了学生。

四、总结

笔者在“数字图像处理”课程教学中进行了若干提高学生自主性举措的探索。在贯彻课题驱动的教学过程中，教师角色由权威型转变为伙伴型，学生地位由被动听讲转变为主动参与；教育媒体资源由教师的演示工具变为了学生的认识工具；使MATLAB编程验证成为学生认识和学习知识的自然手段。爱迪生曾说“兴趣可以创造出人间奇迹”，自主学习的学生所表现出的能力的确让人吃惊。通过在教学中坚持和继续完善这些措施，有望创造更加充满活力的课堂。

参考文献：

[1]冈萨雷斯，伍兹.数字图像处理[M].第3版.阮秋琪，等，译.北京：电子工业出版社，2011.

[2]陈文驰.提高“数字图像处理”课程教学质量的探索[J].江南大学学报（教育科学版），2007，27（4）：34-36.

[3]吕秀琴.GIS专业《数字图像处理》实验教学研究[J].地理空间信息，2012，10（5）：174-176.

[4]彭晓明.基于Matlab 的数字图像处理课程的教学实验设计[J].高等教育研究，2009，26（1）：60-62.

[5]美国罗斯-豪曼理工学院，电气与计算机工程系[EB/OL].http：//www.rose-hulman.edu/academics/academic-departments/electrical-computer-engineering/faculty-staff.aspx.

[6]明冬萍.《数字图像处理》课程教学研究[J].中国科教创新导刊，

2008，（25）：169-170.

[7]贾永红.现代化教学手段在数字图像处理教学中的应用研究[J].测绘通报，2006，（1）：62-64.