數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)建設(shè)與改革研究

◆張 輝

(南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院)

一、課程教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)

隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，數(shù)字圖像處理領(lǐng)域更有效、更實(shí)用的新方法和新手段不斷產(chǎn)生，需要將最新的成果和前沿性的知識(shí)納入教材，淘汰一些陳舊的、實(shí)用性差的教學(xué)內(nèi)容。

鑒于以上考慮，我們?cè)诒姸嗟臄?shù)字圖像處理類教材中，選擇了清華大學(xué)龔聲蓉編寫的《數(shù)字圖像處理與分析》教材為主，主要考慮到該教材內(nèi)容較為系統(tǒng)全面，在內(nèi)容闡述上重點(diǎn)突出，實(shí)踐性強(qiáng)，有較多的實(shí)例來幫助學(xué)生理解圖像處理的理論和算法。同時(shí)以西安電子科技大學(xué)許錄平編寫的《數(shù)字圖像處理》、美國(guó) Rafael c、Gonzalez等著的《Digital Image Processing》等教材為輔助，同時(shí)結(jié)合自身科研項(xiàng)目和當(dāng)前圖像處理領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)及科技成果。課程主要內(nèi)容涉及圖像處理緒論和基礎(chǔ)知識(shí)、圖像幾何變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像頻域處理、圖像二值化、圖像編碼、圖像復(fù)原、圖像特征與理解、彩色圖像處理等內(nèi)容。

我們以“內(nèi)容的基礎(chǔ)性兼顧方法的先進(jìn)性”為原則，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)娜∩岷透?。以?dāng)今數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的重要內(nèi)容作為本課程的基本教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容具有科學(xué)性、先進(jìn)性、系統(tǒng)性和適用性。例如，保留了狹義圖像處理中影像灰度直方圖的概念、性質(zhì)及其應(yīng)用，圖像的空間域、頻率域增強(qiáng)與復(fù)原，廣義圖像處理中邊緣檢測(cè)、區(qū)域分割、灰度共生矩陣分析法和圖像的模板匹配等內(nèi)容。增添了比較新穎而實(shí)用的方法和前沿知識(shí)，如分形特征提取、多分辨率分析法等內(nèi)容。在教學(xué)過程中，我們非常注重向?qū)W生介紹最新的、前沿性的學(xué)科知識(shí)。若受學(xué)時(shí)的限制，有些新穎的、難以理解的理論如小波分析、馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，作為選學(xué)內(nèi)容供學(xué)生自學(xué)。

教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)還要顧及專業(yè)、學(xué)科課程體系的設(shè)置。我們非常注重課程間的銜接，這包括兩個(gè)方面:一是恰當(dāng)處理從已知到未知的過渡，使學(xué)生能較好、較快地接受新知識(shí);二是恰當(dāng)處理內(nèi)容重復(fù)的問題，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率。為此，我們要求教師具備“一人多課”能力，即一名教師能講授多門相關(guān)課程，這樣在講授某一內(nèi)容時(shí)，不僅能有針對(duì)性地、適時(shí)地補(bǔ)充相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，而且能與前后課程相關(guān)內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系起來，有助于鞏固、深化已學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想和思維。另外，“一人多課”有利于形成“一課多人”的良好格局，有利于保持教學(xué)的一致性和連貫性。例如，講授計(jì)算機(jī)圖像邊緣增強(qiáng)方法時(shí)，可回顧以往攝影處理實(shí)現(xiàn)邊緣增強(qiáng)的方法。講授這一內(nèi)容，不是知識(shí)的簡(jiǎn)單重復(fù)，而是承上啟下，溫故知新。

二、教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革

為力戒“教師滿堂灌，學(xué)生記筆記”的教學(xué)模式，使學(xué)生拋棄“上課記筆記，考試考筆記，考完扔筆記”的學(xué)習(xí)習(xí)慣，遵循有利于發(fā)揮“學(xué)生是教育主體”、有利于學(xué)生“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”、有利于學(xué)生創(chuàng)新能力和素質(zhì)的培養(yǎng)、有利于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和促進(jìn)學(xué)生個(gè)性的發(fā)展、有利于師生彼此促進(jìn)共同進(jìn)步的原則，針對(duì)數(shù)字圖像處理學(xué)科的特點(diǎn)，我們?cè)诮虒W(xué)方法和教學(xué)手段方面采取了以下改革措施:

1.加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)，貫徹“少而精”原則。數(shù)字圖像處理內(nèi)容豐富，應(yīng)用廣，我們一方面注重基礎(chǔ)理論教學(xué)，另一方面注意精選講授內(nèi)容，貫徹“少而精”原則，突出重點(diǎn)，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)有最大的收獲。例如，講授方法時(shí)突出理論依據(jù)及其特點(diǎn)，再以專題形式講授方法應(yīng)用，并力求講授內(nèi)容新穎，這不僅能激發(fā)學(xué)生的興趣，而且在理論素養(yǎng)和方法應(yīng)用方面都有收獲和體會(huì)。

2.應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段教學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)應(yīng)用的迅速普及，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(Computer Aided Instruction，CAI)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)手段的補(bǔ)充作用和對(duì)教學(xué)方法改革的促進(jìn)作用，顯得越來越重要了。數(shù)字圖像處理是以圖像為處理對(duì)象，其輸出的形式主要以圖像和圖形為主。該課程最適宜將課程教學(xué)內(nèi)容制成課件，采用多媒體計(jì)算機(jī)開展現(xiàn)代化教學(xué)。

3.改革課堂教學(xué)方法。采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，既要充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，又要重視研究對(duì)教學(xué)方法改革的促進(jìn)作用，探求新的教學(xué)方法。無論是傳統(tǒng)課堂講授還是采用現(xiàn)代化手段教學(xué)，我們都以啟發(fā)式教學(xué)為主，綜合使用“問題教學(xué)法”“形象化教學(xué)法”和類比法，引發(fā)學(xué)生去思考、分析問題，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果。

三、實(shí)踐教學(xué)，注重學(xué)生能力培養(yǎng)

“數(shù)字圖像處理”實(shí)習(xí)內(nèi)容包括圖像處理軟件操作、圖像處理算法設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用等。以往的實(shí)習(xí)，指導(dǎo)教師在實(shí)習(xí)前花較多時(shí)間講解實(shí)習(xí)目的、實(shí)習(xí)內(nèi)容、實(shí)習(xí)要求和實(shí)習(xí)步驟等，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)習(xí)的時(shí)間不夠用?，F(xiàn)在指導(dǎo)老師重點(diǎn)讓學(xué)生進(jìn)行算法與程序設(shè)計(jì)。這樣學(xué)生不僅能完成實(shí)習(xí)，而且能有更多時(shí)間探討算法的優(yōu)缺點(diǎn)，深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步鞏固和消化所學(xué)理論知識(shí)，從而提高了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和獨(dú)立動(dòng)手的能力。

實(shí)驗(yàn)課程主要基于MATLAB算法編程。MATLAB圖像處理工具箱提供了圖像讀寫、圖像顯示、圖像處理與分析等眾多的函數(shù)，使從事圖像處理的科研工作者從復(fù)雜的程序開發(fā)過程中解放出來，把更多的精力放在算法本身的設(shè)計(jì)和研究上，從而加快圖像處理領(lǐng)域里的新理論新算法的出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)課程使用的部分MATLAB算法程序?qū)嶒?yàn)如圖1～3所示。

四、加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)

課程建設(shè)的關(guān)鍵以及核心是教師，教師自身的素質(zhì)和專業(yè)水平在課程建設(shè)與改革中有著不可替代的重要地位。提高教師的業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)，是加強(qiáng)和提高大學(xué)生素質(zhì)教育的基本前提，是高水平高等教育的關(guān)鍵所在。為此，我們建立了圖像處理團(tuán)隊(duì)，數(shù)字圖像處理課程小組共有教師11名。從職稱結(jié)構(gòu)看，其中，教授1名、副教授4名、講師6名。另外，配備有博士生和碩士生作為輔導(dǎo)教師。從年齡層次看，30～40歲的教師占大多數(shù)。因此，這是一支以學(xué)科帶頭人、骨干教師為主，老中青結(jié)合的戰(zhàn)斗力很強(qiáng)的教師隊(duì)伍。

課程小組注重隊(duì)伍的能力提高與發(fā)展，有計(jì)劃地安排年青教師到國(guó)外進(jìn)修，如加拿大、法國(guó)等具有高水平學(xué)術(shù)研究氛圍的高等院校，以及積極參加國(guó)內(nèi)外教學(xué)研討會(huì)和科研活動(dòng)。小組中教師全部擁有博士學(xué)位。課程小組重視教學(xué)實(shí)踐中師德、師能、師表等方面的修養(yǎng)，已實(shí)現(xiàn)了老、中、青都能主講，而且教學(xué)效果好，保證了課程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，得到學(xué)校師生的好評(píng)。

數(shù)字圖像處理課程通過以上方面的建設(shè)與改革，已具備以下特點(diǎn)。

1.教學(xué)資源豐富、新穎，并將相關(guān)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議、新理論和新技術(shù)專題講座、學(xué)科進(jìn)展和動(dòng)態(tài)報(bào)告等信息在網(wǎng)上及時(shí)公布，能滿足教師和學(xué)生教與學(xué)的需要。

2.課件采用圖形、照片、表格、動(dòng)畫等形象化手段表現(xiàn)圖像處理的知識(shí)，運(yùn)用現(xiàn)代化手段教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理的興趣，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。

3.將課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)相結(jié)合，把課堂教學(xué)延伸到課外，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和資源共享，有效提高了教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4.實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)分為課間和集中實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)內(nèi)容從基礎(chǔ)性操作、驗(yàn)證擴(kuò)展到探索性、創(chuàng)新性和應(yīng)用性的綜合實(shí)習(xí)，開拓了學(xué)生視野，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

數(shù)字圖像處理課程的建設(shè)和改革，促進(jìn)了以教師為中心向以學(xué)生為中心的教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、信息意識(shí)、綜合素質(zhì)，為新形勢(shì)下課程建設(shè)與改革提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

［1］張大良，呂浩雪.打造精品課程，提升教學(xué)質(zhì)量［J］.中國(guó)高等教育，2003，(9):6-7.

［2］賈永紅.“數(shù)字圖像處理”課程的建設(shè)與教學(xué)改革.高等理科教育，2007，(1):96-111.