《數(shù)字圖像處理》多課程融合案例化教學(xué)模式的實踐探索

趙地

摘?要：將案例化教學(xué)模式引入《數(shù)字圖像處理》課程，并將教學(xué)內(nèi)容與本專業(yè)其他課程深度融合，旨在提高學(xué)生綜合應(yīng)用多門課程知識和技能的綜合能力，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)和實踐能力，進(jìn)而提升獨立分析和解決問題的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;案例化;課程融合;教學(xué)改革

《數(shù)字圖像處理》課程是各高等院校電子信息類專業(yè)的一門重要必修或選修課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，旨在幫助學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的基本概念，基本變換及性質(zhì)，以及重要處理技術(shù)的核心思想和基本算法;并建立在圖像增強(qiáng)、圖像壓縮、圖像復(fù)原、圖像分割、圖像理解等理論與應(yīng)用體系下的分析、解決實際問題的思維框架。

1 《數(shù)字圖像處理》課程教學(xué)改革的必要性

數(shù)字圖像處理技術(shù)已在軍事、醫(yī)學(xué)、遙感、通信等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展，多學(xué)科的交叉融合使得《數(shù)字圖像處理》這門課程內(nèi)容覆蓋面廣、理論性強(qiáng)，對學(xué)生綜合能力要求高?！稊?shù)字圖像處理》一般在本科學(xué)業(yè)第三年開設(shè)，以高等數(shù)學(xué)、概率論、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、多媒體技術(shù)等課程內(nèi)容為先導(dǎo)知識，多課程的融合也使得其理論理解與實踐操作難度增大[1]。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，對各種處理算法，由于講解過程涉及數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計算，內(nèi)容枯燥，且受限于學(xué)生并不扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，大都無法得到良好的授課效果，且易致使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣、嚴(yán)重影響后續(xù)學(xué)習(xí)[2-3]。

基于此，筆者探索多課程融合的案例化教學(xué)模式。結(jié)合應(yīng)用實際，凝練教學(xué)案例，將主要知識點及涉及的各專業(yè)課程融合其中，以實驗手段輔助，先從具體應(yīng)用場景中形象化引入以激發(fā)學(xué)生興趣[4]，后深入理論、強(qiáng)化理解，增強(qiáng)對知識的運用能力。

2 多課程融合案例化教學(xué)實例分析

二維離散傅里葉變換是對圖像進(jìn)行處理和分析的重要工具，是《數(shù)字圖像處理》課程中最基本、最常用的變換。傅里葉變換本身涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式及推導(dǎo)，理論性強(qiáng)，概念抽象。圖像的頻域特性歷來是學(xué)生理解的重點和難點。本文以基于二維離散傅里葉變換的頻域圖像平滑方法為例，介紹該案例化教學(xué)的探索及思考。

2.1 教學(xué)步驟詳解

（1）設(shè)計具體化應(yīng)用背景。對含噪圖像去噪是圖像平滑處理中重要的應(yīng)用之一。如右圖，其中（a）為一幅含噪圖像，（b）為平滑處理后的去噪圖像。首先通過為學(xué)生展示這樣一組形象化的實用案例，使其直觀了解平滑處理的作用和效果。在圖示案例展示中，一方面引導(dǎo)學(xué)生觀察噪聲特點，了解噪聲也為圖像中像素灰度值的突變點;若要減小噪聲，則應(yīng)沿減小灰度值起伏這一思路尋求解決方案。另一方面引導(dǎo)學(xué)生觀察去噪圖像，發(fā)現(xiàn)平滑后的圖像中不僅噪聲減小，并伴隨明顯的邊緣弱化，細(xì)節(jié)丟失。由于圖像中邊緣、細(xì)節(jié)信息也是灰度值突變的部分，故在平滑作用中被弱化?；谝陨戏治?，可使學(xué)生在直觀的感受中了解圖像邊緣、細(xì)節(jié)與噪聲的特點，明白圖像平滑處理的作用及關(guān)鍵。

（2）融合《信號與系統(tǒng)》課程，由已有知識引出二維離散傅里葉變換。首先結(jié)合一維連續(xù)傅里葉變換的公式，著重從其意義及性質(zhì)出發(fā)，復(fù)習(xí)并分析一維信號的頻域特性。然后經(jīng)二維連續(xù)傅里葉變換，離散化引出二維離散傅里葉變換，此過程應(yīng)避免純公式推導(dǎo)化講解。最后結(jié)合二維離散傅里葉變換的性質(zhì)和右圖（c-d）所展示的幅頻、相頻特性，重點分析圖像的頻率分布特性（圖像邊緣、細(xì)節(jié)與噪聲對應(yīng)頻域中的高頻成分）、能量分布特點。

（3）基于案例的引導(dǎo)式啟發(fā)。以分組討論、提問發(fā)言等互動方式引導(dǎo)學(xué)生思考：圖像中的噪聲對應(yīng)頻域中的什么成分？經(jīng)過何種處理可以減小噪聲？如何實現(xiàn)？通過與學(xué)生共同完成進(jìn)階式的問題探索，逐步梳理出頻域中平滑處理的算法流程、低通濾波的基本思想與設(shè)計方法。

（4）融合MATLAB課程基礎(chǔ)，通過編程強(qiáng)化理解。介紹平滑處理中涉及的函數(shù)，在編程中梳理圖像平滑的算法、步驟、低通濾波器設(shè)計等。通過實驗、專題設(shè)計等模式，鼓勵學(xué)生自發(fā)編程實現(xiàn)，在提升編程能力的同時強(qiáng)化對主要概念、性質(zhì)等關(guān)鍵理論的理解。

2.2 效果分析與思考

多課程融合案例化教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)有較明顯優(yōu)勢。通過實際應(yīng)用案例引導(dǎo)理論學(xué)習(xí)，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;多課程融合強(qiáng)化了各門相關(guān)課程的學(xué)習(xí)效果，可鞏固學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ);互動式討論參與的方式豐富了學(xué)生的課堂體驗，可增加學(xué)習(xí)的主動性;課后專題設(shè)計激發(fā)了學(xué)生的求知欲，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新思維。多課程融合案例化教學(xué)也給教師和學(xué)生帶來了更高的要求。要求教師有扎實的專業(yè)功底，對于涉及的各門課程相當(dāng)熟悉，具有關(guān)聯(lián)知識點歸納、總結(jié)、提煉的能力;要求學(xué)生具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)能動性，及時查漏補(bǔ)缺是確保學(xué)習(xí)成效的重要因素。

實踐中也存在一些問題。由于學(xué)生長期接受傳統(tǒng)的講授式教學(xué)，剛開始難以適應(yīng)自主思考、積極參與探討的模式，導(dǎo)致前期學(xué)生的參與度不理想，課堂適應(yīng)期較長。

3 結(jié)語

本文以基于二維離散傅里葉變換的頻域圖像平滑方法為例，論述了《數(shù)字圖像處理》多課程融合案例化教學(xué)模式的實踐探索。該教學(xué)模式采用緊密結(jié)合應(yīng)用實例，融合多專業(yè)課程，多形式互動輔助等方式，重視激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)習(xí)主觀能動性，有助于強(qiáng)化對知識的綜合運用能力，提升創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孟祥超，符冉迪，邵楓，陳懇.《數(shù)字圖像處理》立體式教學(xué)方法改革與實踐[J].高教學(xué)刊，2019（23）：136-138.

[3]李登輝，王巖紅.獨立學(xué)院數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革實踐——以桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院為例[J].大學(xué)教育，2018（6）：99-101.

[4]郭琳琴，楊艷.《數(shù)字圖像處理數(shù)學(xué)方法》案例教學(xué)探討[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2018，30（6）：81-84.