基于微知識點(diǎn)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式研究

盧 濤，張彥鐸

（1.武漢工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學(xué) 人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430205）

1 研究背景

近年來，借助通訊網(wǎng)絡(luò)共享教學(xué)資源的教學(xué)模式日益風(fēng)靡，特別是以慕課（MOOC）為代表的線上教學(xué)模式極大促進(jìn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享。2011 年斯坦福大學(xué)推出的人工智能導(dǎo)論免費(fèi)線上課程吸引了全世界近16 萬人注冊學(xué)習(xí)，線上課程無論是參與學(xué)習(xí)人數(shù)的規(guī)模還是廣度都是傳統(tǒng)教學(xué)方法難以企及的。Coursera 和可汗學(xué)院等開放性課程教學(xué)平臺的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動了慕課教育的發(fā)展[1-2]。從2012 年開始，我國也逐步推進(jìn)慕課平臺和內(nèi)容的建設(shè)，2013 年清華大學(xué)推出了學(xué)堂在線平臺。2018 年，教育部建成了490門“國家精品在線開放課程”，使得我國的慕課數(shù)量處于世界第一。毋庸置疑，慕課教學(xué)模式極大提高了課堂教學(xué)的受眾面，促進(jìn)了知識的傳播和教學(xué)資源的共享。然而，隨著終生學(xué)習(xí)觀點(diǎn)的普及，單純的線上教學(xué)模式已不能滿足越來越多的學(xué)習(xí)者對實(shí)時(shí)互動的需求。因此，近年來，結(jié)合線上教學(xué)與線下互動的新教學(xué)模式日益受到了重視[3]。

受到Web2.0 技術(shù)的影響，新一代的社交網(wǎng)絡(luò)提供了更為便捷的交互模式，例如微博、微信、抖音等進(jìn)一步提供了課堂教學(xué)交互的平臺和手段。利用社交網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也成為一種新的嘗試。法國南特商學(xué)院成功使用Facebook、Twitter 和Scoop.it 等社交平臺搭建教學(xué)輔助平臺，增加學(xué)生的參與性和互動性。微課利用碎片時(shí)間提供學(xué)習(xí)資源，將知識點(diǎn)離散化地呈現(xiàn)給讀者，進(jìn)一步提高了教學(xué)的實(shí)效性。另一方面翻轉(zhuǎn)課堂利用交互手段，提高了學(xué)生的參與度，獲得較好的教學(xué)效果[4-5]。在微課的基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)提出了微知識點(diǎn)的教學(xué)模式，并提出了課程教學(xué)組織、評估考核等環(huán)節(jié)的展開模式，在實(shí)際的教學(xué)中取得了較好的效果[6]。

2 基于微知識點(diǎn)的教育模式

微知識點(diǎn)教學(xué)模式是一種新教學(xué)方法的嘗試，其主要的組織形式按照圖1 所示的5 個(gè)步驟展開。圍繞課堂教學(xué)，從優(yōu)化課程教學(xué)的內(nèi)容開始，使用多樣化的教學(xué)手段，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，開展社交媒體交互并進(jìn)行教學(xué)效果的評估和考核，最后根據(jù)考核結(jié)果優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容，形成微知識點(diǎn)的教學(xué)閉環(huán)。通過圖1 可以循環(huán)迭代更新教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

圖1 微知識點(diǎn)教學(xué)模式結(jié)構(gòu)圖

2.1 微知識點(diǎn)教學(xué)模式

2.1.1 優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字圖像處理是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，近年來受益于機(jī)器視覺理論與實(shí)踐的快速發(fā)展，課堂教學(xué)內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)[7]。例如，傳統(tǒng)的顏色空間理論是數(shù)字圖像處理課程中的必備內(nèi)容，無論是課堂教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)均設(shè)置了相關(guān)的內(nèi)容。在保留這些經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，筆者所在課題組還結(jié)合圖像處理的發(fā)展，引入基于學(xué)習(xí)的圖像超分辨率重建、圖像去模糊等應(yīng)用內(nèi)容，幫助學(xué)生理解數(shù)字圖像的成像過程和數(shù)字圖像處理的一般范式。這是從課程教學(xué)內(nèi)容的廣度出發(fā)優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容。另一方面，考慮到學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度，對教學(xué)內(nèi)容的難度進(jìn)行縱深方向調(diào)整，使得課堂教學(xué)內(nèi)容能夠更好地符合培養(yǎng)目標(biāo)。

2.1.2 多樣化教學(xué)手段

數(shù)字圖像處理課程理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式較多，一味推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式會使得學(xué)生覺得學(xué)習(xí)內(nèi)容晦澀難懂?？梢圆捎枚喾N教學(xué)方法，增強(qiáng)理論教學(xué)效果，如啟發(fā)式教學(xué)和可視化教學(xué)兩者結(jié)合。啟發(fā)式教學(xué)可以調(diào)動學(xué)生的積極性，由淺入深、由近及遠(yuǎn)、由表及里、由易到難地逐步提出問題、分析問題并解決問題 。另一方面則可以利用可視化教學(xué)，適當(dāng)引入Flash 動畫，講課過程中可以用Matlab 軟件對算法過程進(jìn)行編程和演示，把復(fù)雜的處理過程、繁瑣的數(shù)學(xué)公式和實(shí)際的代碼操作聯(lián)系起來，加強(qiáng)學(xué)生對算法原理的認(rèn)知與理解等。此外，引入了微知識點(diǎn)教學(xué)模式本身也是對教學(xué)手段的一種補(bǔ)充，采用更讓學(xué)生喜聞樂見的教學(xué)模式。

2.1.3 利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源

利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源主要是引導(dǎo)學(xué)生開展自主性的學(xué)習(xí)和探索。從課堂布置的知識點(diǎn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行知識點(diǎn)學(xué)習(xí)和提高動手能力。網(wǎng)絡(luò)資源主要集中在慕課教學(xué)視頻、源代碼、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帖、論壇討論內(nèi)容等。在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生系統(tǒng)掌握繪圖、信息檢索等基本技能，便于學(xué)生充分了解知識點(diǎn)的內(nèi)涵、外延與應(yīng)用場景，構(gòu)建開發(fā)性和啟發(fā)性學(xué)習(xí)模式。

2.1.4 社交交互

社交網(wǎng)絡(luò)交互是微知識點(diǎn)教學(xué)模式的主要手段，也是核心。學(xué)生可利用社交平臺增加多方互動，適當(dāng)解決網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中師生間、同學(xué)間互動不足的問題，如在該平臺上進(jìn)行點(diǎn)贊、評價(jià)、打分甚至參與排名。事實(shí)上，準(zhǔn)備微知識點(diǎn)的過程也是學(xué)生對核心知識點(diǎn)內(nèi)容理解貫通應(yīng)用過程，對于知識點(diǎn)的背景、用途、發(fā)展進(jìn)行全方位的剖析，有利于學(xué)生養(yǎng)成分析問題的能力；分組模式使得交互過程中貫穿了團(tuán)隊(duì)協(xié)作，從選題、討論內(nèi)容等環(huán)節(jié)都需要隊(duì)員之間配合默契，有效提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)；社交網(wǎng)絡(luò)上獲得的點(diǎn)評，點(diǎn)贊分享等模式是建立學(xué)生專業(yè)自信的有效途徑。

2.1.5 考核評估

考核評估是對教學(xué)效果的檢驗(yàn)，也是對教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的線索來源。為了充分發(fā)揮微知識點(diǎn)教學(xué)模式的優(yōu)勢，將網(wǎng)絡(luò)互動環(huán)節(jié)引入到考核評估中促進(jìn)教學(xué)效果，鞏固教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，教師也會從考核環(huán)節(jié)中了解學(xué)生對課程教學(xué)組織、內(nèi)容設(shè)置、進(jìn)度安排等方面的意見，便于優(yōu)化教學(xué)組織過程進(jìn)而提高教學(xué)成效。課題組將試卷考試成績的比例設(shè)置成為60%、微知識點(diǎn)內(nèi)容質(zhì)量設(shè)置為20%、傳播性和科普接受度設(shè)置為20%，促使學(xué)生開展主動探索性學(xué)習(xí)。

2.2 微知識點(diǎn)數(shù)字圖像處理課堂教學(xué)模式的特點(diǎn)

數(shù)字圖像處理課程提供了圖像處理的基本知識和算法，是人工智能專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。由于該課程內(nèi)容涵蓋面大，理論性強(qiáng)，特別是實(shí)踐操作具有一定的難度，因此學(xué)好這門基礎(chǔ)課對學(xué)生樹立良好的專業(yè)信心很有幫助。使用微知識點(diǎn)教學(xué)模式使得數(shù)字圖像處理的課程具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

2.2.1 知識點(diǎn)覆蓋面廣

在原有涉及圖像表示、變換、編碼、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、分類等基礎(chǔ)上，引入了新的應(yīng)用方法，如超分辨率重建、人臉識別、字符識別、去霧、圖像補(bǔ)全等方面的知識點(diǎn)。這些知識點(diǎn)相對于前述基礎(chǔ)而言更具有應(yīng)用性，也是對覆蓋知識點(diǎn)在面上的擴(kuò)展，如原有25 個(gè)知識點(diǎn)，新增了10個(gè)知識點(diǎn)，延展了數(shù)字圖像處理的知識點(diǎn)覆蓋。

2.2.2 知識點(diǎn)漸進(jìn)式演進(jìn)

在教學(xué)進(jìn)程中采用梯度漸進(jìn)方式設(shè)置知識點(diǎn)，由易而難，由點(diǎn)及面，從基本概念入手逐步提高教學(xué)難度，在知識點(diǎn)掌握的基礎(chǔ)上突出學(xué)生的系統(tǒng)思維能力。從課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)上更切合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律。按照量化規(guī)則，課程設(shè)置難度從0.4～0.8 之間。同時(shí)，結(jié)課后對整體教學(xué)情況進(jìn)行分析，依據(jù)反饋對教學(xué)內(nèi)容和難度進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建了教學(xué)效果多次演進(jìn)提升的途徑。

2.2.3 知識性與趣味性融合

知識點(diǎn)經(jīng)過學(xué)生的發(fā)布后在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，增加了原有知識點(diǎn)的趣味性和科普性。為了保證知識點(diǎn)的合理性，知識點(diǎn)需經(jīng)過教師審核后才能夠發(fā)布，避免未經(jīng)審核的信息在網(wǎng)路上傳播，保證知識點(diǎn)傳播源頭的合理性。

3 基于微知識點(diǎn)的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)模式效果分析

3.1 學(xué)生參與課程改革意愿

數(shù)字圖像處理是武漢工程大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在大三上學(xué)期開設(shè)課程，從2017 年開始，在課堂教學(xué)中引入微知識點(diǎn)模式，迄今為止進(jìn)行了2 年的教學(xué)實(shí)踐。在開課前，會對學(xué)生進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)以獲得學(xué)生對課程改革的認(rèn)可度。其中2014 級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2 個(gè)班共43 人，2015 級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)1 個(gè)班共32 人參與了調(diào)查。

由圖2 數(shù)據(jù)可以看出學(xué)生參與新教學(xué)模式的意愿比較強(qiáng)烈，連續(xù)2 年都保持在93%以上，主要原因在于學(xué)生有超過70%的比例曾經(jīng)使用過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，因此對微知識點(diǎn)模式能夠較快的接受，但是僅有不到30%的同學(xué)有在網(wǎng)上分享過學(xué)習(xí)內(nèi)容，因此對新的教學(xué)模式具有一定的好奇感。從另一個(gè)方面看，學(xué)生對新考核模式的接受程度比愿意使用新教學(xué)模式比例稍低，表明學(xué)生對成績考核仍然有所顧慮，特別是對增加的考核環(huán)節(jié)的不確定性擔(dān)心。因此，團(tuán)隊(duì)加大了宣傳力度，使得第2 屆學(xué)生的接受度有所提升。

3.2 微知識點(diǎn)教學(xué)模式的交互性

為了記錄微知識點(diǎn)教學(xué)模式的交互性，團(tuán)隊(duì)記錄連續(xù)2 年課程教學(xué)過程中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，用以探討微知識點(diǎn)教學(xué)模式的交互性。筆者選取了結(jié)課前的一個(gè)月中的發(fā)表知識點(diǎn)人數(shù)、累計(jì)點(diǎn)贊次數(shù)、教師高評分知識點(diǎn)的條數(shù)3 個(gè)方面的數(shù)據(jù)（以周為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)）（見表1）。從表1 數(shù)據(jù)中可以看出，隨著教學(xué)進(jìn)度的展開學(xué)生參與知識點(diǎn)發(fā)布的數(shù)量和質(zhì)量均呈現(xiàn)上升的趨勢，同時(shí)累計(jì)的點(diǎn)贊次數(shù)超過了千次，說明微知識點(diǎn)教學(xué)模式的交互性較好。值得注意的是，教師給知識點(diǎn)評價(jià)的高分知識點(diǎn)數(shù)量也隨著發(fā)表知識點(diǎn)的人數(shù)增長而增長，說明學(xué)生在經(jīng)過訓(xùn)練后能夠較好地掌握相關(guān)要求。

圖2 微知識點(diǎn)參與模式意愿調(diào)查

表1 本科生社交平臺發(fā)布學(xué)習(xí)成果情況表

3.3 課程考核成績分析

為了便于說明課程建設(shè)的成效，論文僅僅選取考試成績分析予以說明，盡管考試成績并不能全部代表教學(xué)質(zhì)量，僅僅從數(shù)據(jù)的角度開展說明（見表2）。筆者選取2013 級學(xué)生成績作為對比基準(zhǔn)，但是2013 級學(xué)生僅僅只有考試成績，并未折算其他成績。2014 級和2015 級學(xué)生考試的平均分和其他各項(xiàng)子項(xiàng)目分?jǐn)?shù)均處于上升趨勢，說明了教學(xué)內(nèi)容的更新和宣傳工作起到了作用，證實(shí)教學(xué)效果趨向正方向發(fā)展。粗略地看，和2013級學(xué)生相比，考試的平均分也是逐年提升，也證明了教學(xué)效果有相對明顯的提升，初步證明了微知識點(diǎn)教學(xué)模式的有效性。

表2 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)數(shù)字圖像處理課程考試情況

4 結(jié)語

微知識點(diǎn)教學(xué)模式能夠優(yōu)化課程內(nèi)容、多樣化教學(xué)手段、利用網(wǎng)絡(luò)資源和社交平臺分享成果，融知識性和趣味性一體，具有良好的實(shí)用性和可擴(kuò)展性。微知識點(diǎn)巧妙地運(yùn)用了社交平臺的交互性，有效地彌補(bǔ)線上教學(xué)的不足，并且利用了社交網(wǎng)絡(luò)的傳播性，對知識點(diǎn)起到了良好的推廣作用。特別是結(jié)合數(shù)字圖像處理的教學(xué)特點(diǎn)，拓展教學(xué)知識點(diǎn)的覆蓋面和適用性，并且在2 年的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明基于微知識點(diǎn)”的教學(xué)模式具有較好的教學(xué)實(shí)踐效果。在今后的教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)該加大推廣力度，完善教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步提升教學(xué)效果，切實(shí)做好智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課教學(xué)。