數(shù)字圖像處理課程CDIO模式教學(xué)法實(shí)踐

唐超++檀明

摘要：根據(jù)應(yīng)用型高校的辦學(xué)定位和CDIO工程教育理念，對(duì)數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了研究。探索了以工程項(xiàng)目實(shí)踐、課程教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)課程自學(xué)三位一體的教學(xué)改革。實(shí)踐表明該教學(xué)方法極大地激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提升了工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力，使學(xué)生綜合的能力與素養(yǎng)得到了提高。

關(guān)鍵詞：CDIO；數(shù)字圖像處理；工程項(xiàng)目實(shí)踐；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）06-0154-02

Practice of CDIO Teaching Method of Digital Image Processing in Application Oriented University

TANG Chao， TANG Min

（Hefei University，Department of Computer Science and Technology， Hefei 230601， China）

Abstract：The teaching contents and teaching methods of the digital image processing course are discussed and explored according to school-running orientation of applied university of and CDIO engineering education concept.Engineering project practice， classroom teaching and online courses self-study are applied in teaching. Practice shows that this teaching method greatly stimulated the students' interest in active learning； promote the innovation ability and scientific research ability. Meanwhile students team work and engineering practice are improved in the process of project design implementer and practicing.

Key words：CDIO；digital image processing；engineering project practice；teaching method

《數(shù)字圖像處理》這門(mén)課程主要介紹數(shù)字圖像的基本概念、相關(guān)理論和實(shí)現(xiàn)算法[1]。隨著信息及電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在航空和衛(wèi)星遙感、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)和軍事等各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。數(shù)字圖像處理是一門(mén)數(shù)學(xué)理論要求比較多的課程，它需要學(xué)習(xí)者有一定的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，較強(qiáng)的分析能力，較強(qiáng)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力。作為應(yīng)用型本科高校的合肥學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我校”）為了優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，全面提升學(xué)生綜合能力，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（嵌入式方向）開(kāi)設(shè)了數(shù)字圖像處理選修課程。數(shù)字圖像處理課程對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)理論性，工程實(shí)踐性，學(xué)習(xí)難度都比較高。因此從歷年的教學(xué)效果及考試情況來(lái)看，學(xué)生對(duì)本課程往往心存畏懼，教學(xué)效果有待提高。為了有效地激發(fā)學(xué)生的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，我校在該課程教學(xué)中引入CDIO工程教學(xué)理念，將工程項(xiàng)目實(shí)踐，課堂講授和網(wǎng)絡(luò)課程自學(xué)結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)應(yīng)該與行業(yè)發(fā)展相適應(yīng)，全面提升學(xué)生工程思維與素養(yǎng)。

1 CDIO模式

當(dāng)代社會(huì)需要培養(yǎng)什么樣的工科畢業(yè)生？工科畢業(yè)生應(yīng)掌握怎樣的知識(shí)、能力和態(tài)度？其水平應(yīng)達(dá)到什么樣的程度？這些都是作為應(yīng)用型本科高校必須面臨和解決的問(wèn)題。現(xiàn)代大學(xué)工程教育的目標(biāo)應(yīng)使培養(yǎng)的人才具備廣泛的個(gè)人能力、人際溝通能力以及產(chǎn)品、過(guò)程及系統(tǒng)的構(gòu)建能力，這些能力保證學(xué)生在實(shí)際的社會(huì)和企業(yè)背景環(huán)境下的團(tuán)隊(duì)工作中發(fā)揮重要作用。CDIO工程教育模式為我們提供了一種新的教育方法，有助于解決工程教育普遍存在的問(wèn)題，并可滿足學(xué)生和社會(huì)的需求。CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果，是由麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)自2000年起，經(jīng)過(guò)四年的探索研究后創(chuàng)立的先進(jìn)工程教育理念[2]。CDIO含義是：構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、執(zhí)行（Implement）和運(yùn)轉(zhuǎn)（Operate）。每個(gè)工科畢業(yè)生都應(yīng)具備在團(tuán)隊(duì)合作的現(xiàn)代工程環(huán)境背景中，能夠構(gòu)思、設(shè)計(jì)、執(zhí)行和運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)雜的具有附加值的工程產(chǎn)品、過(guò)程及系統(tǒng)。CDIO工程教育模式第一次全面描述了現(xiàn)代工程師所需的知識(shí)、能力及態(tài)度的完整內(nèi)容，為應(yīng)用型本科高校的工程教育改革提供很好的借鑒作。

2 數(shù)字圖像處理課程特點(diǎn)

數(shù)字圖像處理是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)可以為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”、“模式識(shí)別”等課程及訓(xùn)練一定的工程實(shí)踐能力和走向工作崗位后的學(xué)以致用打下基礎(chǔ)。該課程具有以下特點(diǎn)：

1）數(shù)字圖像處理課程學(xué)習(xí)內(nèi)容一般是按照?qǐng)D像處理的需要的“數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”、“算法理論”、“編程實(shí)現(xiàn)”及“應(yīng)用分析”等過(guò)程來(lái)進(jìn)行的，其中涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，算法理論性較強(qiáng)，編程實(shí)現(xiàn)難度較大。

2）該課程是理論性與實(shí)踐性并重的課程。課程內(nèi)容的每一塊都與實(shí)際的工程應(yīng)用密切相關(guān)。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)對(duì)概念和原理的理解而不是死記硬背，培養(yǎng)的是獨(dú)立思考和獨(dú)立解決相關(guān)工程問(wèn)題的能力。

3 課程教學(xué)改革實(shí)踐

工程教育有其本身的要求，作為大學(xué)的教育工作者，我們有責(zé)任向?qū)W生傳授廣泛的學(xué)科知識(shí)。CDIO全面描述了現(xiàn)代工程師所需的知識(shí)、能力及態(tài)度的完整內(nèi)容，即我們希望獲得的教學(xué)效果。教學(xué)大綱是工程教育所需的重要文件，也是對(duì)教學(xué)效果的全面描述。CDIO教學(xué)大綱建立在對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)綜合分析的基礎(chǔ)之上，主要包括技術(shù)知識(shí)與推理、個(gè)人與職業(yè)技能、人際交往技能、 CDIO 4 個(gè)方面的內(nèi)容[3]（見(jiàn)圖1）。

CDIO能力培養(yǎng)教學(xué)大綱為我校的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革提供了理論指導(dǎo)。為此我們探索了以項(xiàng)目工程實(shí)踐為主線，教師課程講授和學(xué)生網(wǎng)絡(luò)課程自學(xué)三位一體的教學(xué)模式（見(jiàn)圖2）。整個(gè)課程的教學(xué)活動(dòng)是通過(guò)實(shí)現(xiàn)若干個(gè)項(xiàng)目工程來(lái)整合課程的知識(shí)點(diǎn)。這些項(xiàng)目都來(lái)源于實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題。例如：“基于五幀差分法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法”可應(yīng)用于公共場(chǎng)所視頻監(jiān)控中，該項(xiàng)目工程問(wèn)題涉及若干個(gè)數(shù)字圖像處理知識(shí)點(diǎn)：“圖像濾波”、“圖像邊緣檢測(cè)”、“圖像的代數(shù)運(yùn)算”，“數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)”等。教師的課程講授則主要?jiǎng)t重于圖像處理中涉及數(shù)學(xué)原理講解與推導(dǎo)，幫助學(xué)生克服自學(xué)過(guò)程中遇到的數(shù)學(xué)障礙。網(wǎng)絡(luò)課程自學(xué)則是學(xué)生利用優(yōu)質(zhì)的在線學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提升學(xué)習(xí)能力和知識(shí)探索能力。

1）項(xiàng)目工程實(shí)踐：為了配合本課程的教學(xué)活動(dòng)，我們成立了“數(shù)字圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生學(xué)習(xí)、創(chuàng)新，創(chuàng)業(yè)提供平臺(tái)。并將班級(jí)學(xué)生組織成若干個(gè)專項(xiàng)科研小組，如：“圖像分割小組”、“運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)小組”，數(shù)字圖像分析小組等。同時(shí)將教師的科研工作和安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃融合到興趣小組的實(shí)踐活動(dòng)中，例如：鄒樂(lè)老師指導(dǎo)的“基于水平集的圖像分割算法”；高玲玲老師指導(dǎo)的“大學(xué)生機(jī)器人足球競(jìng)賽”和唐超老師指導(dǎo)的“基于機(jī)器視覺(jué)的汽車流量檢測(cè)算法研究”等。為盡快提高學(xué)生的科研能力與自學(xué)能力，定期（一周或幾周）組織專項(xiàng)組內(nèi)成員開(kāi)展交流活動(dòng)，每期一個(gè)專題，由學(xué)生將自己的專題調(diào)研報(bào)告向大家作匯報(bào)，交流活動(dòng)后再進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)際開(kāi)發(fā)。實(shí)踐證明，這種方式對(duì)于學(xué)生的自學(xué)能力、科研能力和實(shí)踐能力有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

2）課程講授：采用了“需求分析、理論推導(dǎo)與驗(yàn)證、流程設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用實(shí)例、優(yōu)化總結(jié)、前沿展望”的授課主線，采用邊講邊示范的方式進(jìn)行，使理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐在同一時(shí)空環(huán)境下完成。具體如下：（a）需求分析：圖像處理的實(shí)際處理需求，了解處理的必要性。（b）理論推導(dǎo)與驗(yàn)證：貫徹 “少而精”原則，學(xué)生可以見(jiàn)到理論應(yīng)用到實(shí)際的效果，增加認(rèn)識(shí)，易于掌握實(shí)踐技術(shù)。（c）流程設(shè)計(jì)：通過(guò)有效的算法流程設(shè)計(jì)，優(yōu)化算法的時(shí)間復(fù)雜度與空間復(fù)雜度，加深對(duì)理論實(shí)現(xiàn)方法的理解。（d）編程實(shí)現(xiàn)：通過(guò)兩種不同的編程語(yǔ)言MATLAB和OpenCV向?qū)W生展示例子程序，加深學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解，并解讀代碼編寫(xiě)過(guò)程中需要注意的技巧與問(wèn)題。（e）應(yīng)用實(shí)例：給出與知識(shí)點(diǎn)密切相關(guān)的應(yīng)用案例，通過(guò)案例來(lái)加深理論理解。（f）優(yōu)化總結(jié)：在實(shí)際應(yīng)用的背景下，對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行優(yōu)化，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。（g）前沿展望：對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的最新學(xué)術(shù)發(fā)展進(jìn)行介紹，開(kāi)拓學(xué)生的思維空間，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知與學(xué)習(xí)熱情。

3） 網(wǎng)絡(luò)課程自學(xué)：為了進(jìn)一步擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主研究熱情。為此課程組要求學(xué)生必須在課后完成與課程相關(guān)的自主學(xué)習(xí)內(nèi)容與研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容的搜集、整理和匯報(bào)工作，并有效地將工程項(xiàng)目實(shí)踐融入到自主學(xué)習(xí)當(dāng)中來(lái)。主要通過(guò)四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展訓(xùn)練：（a）教學(xué)內(nèi)容補(bǔ)充擴(kuò)展：引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱學(xué)習(xí)網(wǎng)上指定參考教材及中外文參考資料，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，擴(kuò)充知識(shí)面。（b）圖像處理軟件開(kāi)發(fā)工具自學(xué)擴(kuò)展：學(xué)生在學(xué)習(xí)了MATLAB語(yǔ)言、C語(yǔ)言和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)C++等課程后，通過(guò)進(jìn)一步學(xué)習(xí)OpenCV機(jī)器視覺(jué)庫(kù)，VLIB軟件庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。（c）專題知識(shí)擴(kuò)展：由于圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)密切相關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生在網(wǎng)上自學(xué)相關(guān)模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)拓展圖像處理應(yīng)用能力。（d）豐富的在線精品教學(xué)資源擴(kuò)展：讓學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上提供精品課程資源進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，進(jìn)一步完善學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

4 項(xiàng)目的實(shí)施效果

采用了CDIO模式的數(shù)字圖像處理課程具有課程教學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)并重特色，充分重視實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，能過(guò)工程項(xiàng)目實(shí)踐，課程講授，網(wǎng)絡(luò)課程自學(xué)三位一體的方法，努力使基礎(chǔ)理論在實(shí)際應(yīng)用中能得到很好的體現(xiàn)和應(yīng)用。學(xué)生普遍反映，學(xué)習(xí)這門(mén)課收獲很大，課程無(wú)論從理論到具體實(shí)踐，都是十分成功的。

5 結(jié)論

本文結(jié)合數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)，在CDIO教育模式基礎(chǔ)上，探索了一種新的數(shù)字圖像處理工程教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)了其創(chuàng)新能力的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梁志貞，江海峰，楊小冬. 基于“卓越計(jì)劃”的《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2016（3）：146-147.

[2] 李彤，張璇，王旭，等. SE-CDIO工程教育模式的探索與實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2014（1）：52-57.

[3] 陳旭輝，吳克壽，姜春艷. 基于CDIO理念的計(jì)算機(jī)工程教育模式[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（18）：141-143.