基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革

夏潤秋 劉力雙 劉洋 呂勇

摘要：針對學(xué)生在光電競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)出現(xiàn)的對數(shù)字圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理不清楚、對數(shù)字圖像處理算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)不熟悉等問題，提出了基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出教育模式（OBE）的教學(xué)改革方案。以光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，改進(jìn)課程大綱與教學(xué)方法，將主要依賴于理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)課程重新劃分為多個(gè)階段，同時(shí)增強(qiáng)各教學(xué)階段知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性，按數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化等核心要求設(shè)置不同階段項(xiàng)目，通過增加實(shí)訓(xùn)課程考核產(chǎn)出成果。實(shí)訓(xùn)課程有別于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在各階段項(xiàng)目中學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)現(xiàn)，從而培養(yǎng)并提高學(xué)生對數(shù)字圖像處理相關(guān)知識的理解與運(yùn)用能力，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，最終達(dá)到應(yīng)對處理復(fù)雜工程問題的能力。該改革對數(shù)字圖像處理教學(xué)進(jìn)行了有益的探索，對提高本專業(yè)的工程教育質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理;OBE;教學(xué);改革

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0189-03

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcome-Based Education，OBE）是“華盛頓協(xié)議”工程教育認(rèn)證體系所認(rèn)可的教育模式之一[1]，其最早出現(xiàn)于美國并逐步得到了發(fā)展與普及。自2016年我國正式成為華盛頓協(xié)議會員以來，OBE教學(xué)模式也在國內(nèi)眾多高校工科專業(yè)教學(xué)中得到了推廣運(yùn)用[2]。新形勢下，以本校光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)符合國家和北京市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，在光電信息檢測與處理領(lǐng)域具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，具備解決復(fù)雜工程問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，能夠從事研發(fā)、制造、技術(shù)支持、維護(hù)和運(yùn)行管理等工作，并具有一定的人文科學(xué)素養(yǎng)和國際化視野的高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合開展工程教育認(rèn)證的相關(guān)要求，探索數(shù)字圖像處理課程目標(biāo)設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容與方法以及課程評價(jià)體系等方面的教學(xué)改革，對提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、解決復(fù)雜工程問題的能力具有重要的作用與意義。

一、OBE模式數(shù)字圖像處理教學(xué)改革的意義

數(shù)字圖像處理課程是本校光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)任選課。目前我們以北京大學(xué)出版社出版的由曹茂永等編著的《數(shù)字圖像處理》教材為主線，以Rafael C. Gonzalez等著的《Digital Image Processing》等教材為輔助，同時(shí)兼顧當(dāng)前圖像處理及機(jī)器視覺相關(guān)領(lǐng)域的前沿動態(tài)。該課程主要向?qū)W生講述利用計(jì)算機(jī)開展圖像的去噪、增強(qiáng)、特征提取等處理的原理與方法。為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力，該課程還有與其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)課程共8學(xué)時(shí)，為專業(yè)任選課。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容有圖像直方圖處理、圖像平滑以及邊緣提取等。

數(shù)字圖像處理要求學(xué)生具有較好的線性代數(shù)與信號處理相關(guān)知識基礎(chǔ)，同時(shí)相關(guān)處理方法的運(yùn)用與實(shí)現(xiàn)又要求學(xué)生具有較好的實(shí)踐能力，是一門邏輯性、理論性與實(shí)踐性都較強(qiáng)的專業(yè)課。但在以往的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生僅僅通過課堂學(xué)習(xí)還不足以理解如何運(yùn)用相關(guān)圖像處理方法，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)課程的課時(shí)較短、內(nèi)容設(shè)置固化，且以驗(yàn)證獨(dú)立的知識點(diǎn)為主，對學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)有限，不能夠滿足本專業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的目標(biāo)[3，4]。

由于上述問題的存在，使得現(xiàn)有數(shù)字圖像處理課程不能達(dá)到理想的教學(xué)效果。為了構(gòu)建更為合理有效的教學(xué)方法以及課程評價(jià)體系，我們引入OBE教育模式，圍繞專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)與畢業(yè)要求，改進(jìn)教學(xué)方法，著重革新改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容與評價(jià)體系，以提高該門課程的教學(xué)效果，加強(qiáng)對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

二、課堂教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

根據(jù)歷年的教學(xué)效果反饋可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生僅通過數(shù)字圖像處理課程中各個(gè)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，尚不能夠形成對圖像處理流程的整體認(rèn)知，同時(shí)由于教師在課堂上花費(fèi)了大量的時(shí)間講解相關(guān)算法的數(shù)學(xué)原理及推導(dǎo)方法，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中只重視數(shù)學(xué)原理而忽略了在實(shí)踐中該算法應(yīng)用在何處、如何被應(yīng)用等問題。

針對上述問題，按照本專業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)做出改革。首先，教學(xué)過程中對相關(guān)算法原理部分的內(nèi)容進(jìn)行壓縮，并在此基礎(chǔ)上增加部分算法應(yīng)用的內(nèi)容，采用啟發(fā)式教學(xué)加強(qiáng)師生課堂互動，結(jié)合實(shí)際案例在解決問題的過程中探討圖像處理算法的應(yīng)用。其次，課后作業(yè)的設(shè)置相對于傳統(tǒng)的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)，減少了對算法數(shù)學(xué)過程計(jì)算的要求，同時(shí)將多次小作業(yè)合并為1～2次的大作業(yè)，且作業(yè)內(nèi)容以調(diào)研分析為主。鼓勵學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)檢索數(shù)據(jù)庫調(diào)查數(shù)字圖像處理以及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展，分析新技術(shù)中的圖像處理算法技術(shù)特點(diǎn)，研究數(shù)字圖像處理算法的發(fā)展方向，并通過文字報(bào)告或課堂分享的形式進(jìn)行考核。通過課堂內(nèi)外相互結(jié)合的方法提高學(xué)生的主觀能動性與自主學(xué)習(xí)能力，加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)相關(guān)數(shù)字圖像處理原理與實(shí)際運(yùn)用之間關(guān)聯(lián)的認(rèn)知。

三、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

本課程改革前的實(shí)踐環(huán)節(jié)為針對單個(gè)知識點(diǎn)的利用MATLAB開展的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)[5]，主要內(nèi)容有圖像直方圖處理、圖像平滑以及邊緣提取等。根據(jù)學(xué)生們的反饋總結(jié)，目前的實(shí)踐環(huán)節(jié)存在以下問題：①實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)際運(yùn)用過程脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練不能提升學(xué)生對數(shù)字圖像處理應(yīng)用的認(rèn)識。②實(shí)驗(yàn)工具軟硬件傾向于培養(yǎng)研究型人才，不能完全契合培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。③實(shí)驗(yàn)考核方法單一，僅以復(fù)現(xiàn)課本內(nèi)容作為考核依據(jù)，不能完全體現(xiàn)學(xué)習(xí)效果與學(xué)生個(gè)體差異。

換言之，現(xiàn)行的實(shí)踐課程設(shè)置及其考核評價(jià)體系已經(jīng)不能夠適應(yīng)工程教育認(rèn)證的需求，也不能滿足我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，因此需要對現(xiàn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行較大調(diào)整。實(shí)踐環(huán)節(jié)主要包含如圖1所示的八個(gè)環(huán)節(jié)。

1.小組劃分。該環(huán)節(jié)是開展實(shí)踐課程的基礎(chǔ)，小組由學(xué)生自由組建，成員不超過三人，建議學(xué)生按照系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、硬件平臺搭建、軟件實(shí)現(xiàn)劃分各自的主要職責(zé)，同時(shí)在實(shí)際開展過程中相互協(xié)調(diào)、共同推進(jìn)。

2.平臺選擇。為了適應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展以及實(shí)際應(yīng)用中的軟硬件環(huán)境，為學(xué)生提供個(gè)人計(jì)算機(jī)以及嵌入式硬件（如樹莓派）兩種硬件平臺，并提供多種焦距分辨率可見光相機(jī)、照明光源、可測量工件等相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)為了讓學(xué)生接觸最新的機(jī)器視覺科研與工程實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)，還為學(xué)生提供了Intel神經(jīng)計(jì)算棒等深度學(xué)習(xí)應(yīng)用加速推斷硬件，軟件平臺可根據(jù)個(gè)人興趣以及技術(shù)基礎(chǔ)使用C++、C#、Python、Java等主流高級語言，圖像處理函數(shù)庫可使用OpenCV、ImageMagick、EmguCV、PIL等開源圖像處理庫，也可以自行編寫圖像處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。較為開放的平臺條件有助于學(xué)生按照自己的基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)能力選擇適合于本小組的軟硬件。

3.選題調(diào)研。選題環(huán)節(jié)是課程能否順利達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的關(guān)鍵。一方面，選題難度應(yīng)該與學(xué)生的能力相配匹，難度盡量適中;另一方面，應(yīng)該照顧到個(gè)體之間的差異。因此，在該環(huán)節(jié)中首先會提供一些傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理應(yīng)用選題如工件測量、零件分選等，同時(shí)給予能力較強(qiáng)的學(xué)生一些自由度，使其可以自行通過調(diào)研嘗試實(shí)現(xiàn)一些較為新穎的應(yīng)用，并對選題難度進(jìn)行評估，分析可行性。

4.開題。完成選題后各小組成員即開展開題相關(guān)工作，包括實(shí)現(xiàn)選題的初步設(shè)想、人員分工、時(shí)間節(jié)點(diǎn)（中期與終期）、工作達(dá)成度等內(nèi)容，該環(huán)節(jié)任課教師需要對上述內(nèi)容的可行性做出評價(jià)，并給出改進(jìn)意見。

5.詳細(xì)設(shè)計(jì)。完成開題后小組成員根據(jù)分工開展設(shè)計(jì)，包括選題系統(tǒng)的整體構(gòu)成、工作流程，明確硬件的細(xì)節(jié)要求以及軟件的算法原理與實(shí)現(xiàn)流程。

6.中期檢查。中期檢查環(huán)節(jié)教師應(yīng)該按照開題階段設(shè)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行檢查，評價(jià)各小組的目標(biāo)達(dá)成度。對于未按照節(jié)點(diǎn)要求完成的小組提出警告。

7.達(dá)成檢查。達(dá)成檢查是對選題實(shí)現(xiàn)結(jié)果產(chǎn)出的最終檢查，需要對最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果與預(yù)期目標(biāo)的達(dá)成程度進(jìn)行評價(jià)。

8.結(jié)題驗(yàn)收。結(jié)題驗(yàn)收是各小組實(shí)踐教學(xué)階段的總結(jié)與展望的過程。各小組應(yīng)完成結(jié)題報(bào)告，各成員自我闡述在小組中發(fā)揮的作用、評價(jià)個(gè)人在團(tuán)隊(duì)中的價(jià)值。若存在未能按照預(yù)期完成目標(biāo)的情況，需要分析原因并給出改進(jìn)手段與方案。教師需對所有小組給出評價(jià)，對于給出的改進(jìn)方案進(jìn)行評估，以合理評價(jià)各小組成績。

實(shí)踐課程除了統(tǒng)一安排給定節(jié)點(diǎn)的檢查時(shí)間外，不限制學(xué)生的上課時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室在工作日及部分周末全天開放，學(xué)生可以自由選擇學(xué)習(xí)時(shí)間。上述實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)和特點(diǎn)是突出數(shù)字圖像處理算法在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，將課本中的分立知識點(diǎn)在運(yùn)用過程中逐步體系化，使其貫穿于整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，并最終以學(xué)生產(chǎn)出作為考核指標(biāo)，有效訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、結(jié)語

OBE教育理念作為一種革新教育模式，在優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)手段以及優(yōu)化評價(jià)體系等方面具有重要的指導(dǎo)意義?；谠摾砟?，從課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面開展數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革，重點(diǎn)改進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容及其評價(jià)體系。通過一年的教學(xué)實(shí)踐，雖然初期學(xué)生普遍反映實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中需要花費(fèi)的學(xué)習(xí)時(shí)間以及學(xué)習(xí)難度相對于一般課程有所增加，并存在一定的抵觸心理，但完成實(shí)踐課程后，學(xué)生們基本認(rèn)為通過該課程的鍛煉學(xué)到了在實(shí)際工作中可能需要的知識，大大提高了解決復(fù)雜工程問題的能力，這也契合了本校高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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Teaching Reform of the Course in Digital Image Processing Based on OBE

XIA Run-qiu， LIU Li-shuang， LIU Yang， L? Yong

（School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）

Abstract： In photoelectric competitions and graduation designs， students often have difficulties in understanding the structure principles of digital image processing system， and the design and implementation of digital image processing algorithm. In view of these problems， a teaching reform plan is put forward based on the learning outcome-based education model. The reform takes the educational objectives of the photoelectric information science and engineering majors as the starting point to improve the syllabus and teaching methods. The traditional courses， which mainly rely on theoretical teaching and experimental teaching， are reclassified into several stages based on the digital image processing system design， algorithm design， algorithm realization and optimization. The practical training course is different from the traditional experiment. In the various stages of the project， students need to learn， design and realize independently to improve their understanding of knowledge related to digital image processing， and finally improve their ability of self-learning and enhance their ability to deal with complex engineering problems. The reform takes a useful exploration of the teaching of Digital Image Processing， and is significant to improve the quality of engineering education of photoelectric information science and engineering.

Key words： Digital Image Processing; OBE; teaching; reform