基于線上線下混合式教學的“數(shù)字圖像處理”課程教學改革與研究

胡 蓉 鄧雄昌

（1.湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199；2.湖南科技學院 信息與網(wǎng)絡(luò)中心，湖南 永州 425199）

隨著人工智能、機器人、無人駕駛等新一代信息技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，計算機視覺越來越重要?！皵?shù)字圖像處理”課程是計算機視覺的基礎(chǔ)課程，該課程是一門專業(yè)選修課，其綜合性強，對數(shù)學和編程方面的要求較高，學習內(nèi)容較廣泛?！皵?shù)字圖像處理”課程是以實際應(yīng)用為目標，在講解數(shù)字圖像處理技術(shù)基礎(chǔ)理論及算法原理的同時，特別注意如何用MATLAB 軟件編程實現(xiàn)一些圖像處理的算法，使學生掌握圖像處理的理論和方法，運用所學知識解決實際問題。

1 “數(shù)字圖像處理”課程線下線上教學模式存在的問題

1.1 線下教學模式存在的問題

在以往的教學中主要采取單一的線下教學模式，這樣的教學模式有利于教師對課堂紀律的管理，也可以實時關(guān)注學生的學習狀態(tài)，并對其進行督促，“面對面”的教學也能夠增進師生之間的情誼，促進交流。但是該傳統(tǒng)的教學模式仍存在以下主要問題。

1.1.1 課時與教學內(nèi)容之間存在矛盾

“數(shù)字圖像處理”課程在許多高校的專業(yè)中屬于選修課，一般課時不多，以湖南科技學院通信工程專業(yè)為例，理論和實驗總學時為48。該門課程所涉及到的內(nèi)容非常廣泛，主要包括人類視覺感知系統(tǒng)、圖像獲取與數(shù)字化、圖像基本運算、圖像變換、圖像增強、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼、圖像分割、彩色圖像處理、圖像表示與描述等原理和技術(shù)方法[1]。一般有7～8 章的教學內(nèi)容，同時，相應(yīng)的實驗也需要完成。內(nèi)容多，課時少，單純依靠在課堂教學中較好地完成教學存在一定難度。由于課時與內(nèi)容之間的矛盾，為了完成教學內(nèi)容，在課堂中給學生討論和發(fā)言的時間相對比較少，個別學生存在一些疑問也只能課后與老師進行交流討論，而往往學生課后不太愿意主動來找老師解答，所以造成課堂教學效果不佳，學生的課堂積極性也會逐漸下降，忽略了學生的自主性和各方面能力的培養(yǎng)。

1.1.2 課堂學習深度不夠

由于課時關(guān)系，以往在選取教材時，只能盡量地選取內(nèi)容涵蓋廣，但是深度較淺的教材，或者篩選較重要的內(nèi)容來講授。這就造成了學生學完后感覺到什么都學了點，但是什么都不會用，特別是一些相關(guān)的算法，由于學習和分析不夠深入，使得在編程和實際的應(yīng)用中很是吃力。同時，理論課是在教室完成，在理論課堂中對于一些算法并不能在課堂中通過編程來很好地觀察其處理效果，而實驗課是在機房進行操作，理論學習后不一定能夠立馬進行實驗，導致學生所學理論課與實驗課有所脫節(jié)和斷層，未能達到很理想的效果[2]。

1.2 線上教學模式存在的問題

由于疫情影響，為了保證學生停課不停學，2020 年上期通信工程專業(yè)2017 級的“數(shù)字圖像處理”課程采用的是單一的線上教學模式。它不僅解決了課時與教學內(nèi)容之間的矛盾，也能夠很好地將理論與實際操作緊密結(jié)合起來。但是單純的線上教學也存在一定的弊端。第一，對學生端聽課情況不好把握。雖然進行嚴格的簽到和考勤，但是在線上教學過程中，互動的人數(shù)仍然較少，可能存在著掛機現(xiàn)象，對課堂紀律難以把控。第二，少數(shù)部分學生對于發(fā)布的學習任務(wù)存在刷課現(xiàn)象，對學生的知識掌握程度也難以把握。第三，在上課的過程中，部分學生沒有電腦，部分學生習慣用手機來聽課，導致教師雖然認真?zhèn)湔n和進行教學設(shè)計，但是學生存在敷衍現(xiàn)象，不愿意一起進行編程操作。所以，單純的線上教學模式也是有利有弊的。

本文針對“數(shù)字圖像處理”課程提出一種基于線上線下的混合式教學模式，盡可能地解決單一的教學模式存在的不足，充分利用線上和線下各自的優(yōu)勢。教學中以線下為主，通過“學習通”平臺線上資源對線下的課程進行相應(yīng)的補充。

2 線上線下混合式教學模式的研究與實踐

2.1 線上網(wǎng)絡(luò)平臺的搭建及運用

為了能夠更好地輔助“數(shù)字圖像處理”課程線下課堂教學，以“學習通”為平臺，搭建好本課程的教學網(wǎng)站，并不斷地完善各模塊和內(nèi)容。課程門戶主要包括課程介紹、課程章節(jié)、教師團隊、教學資源、教學文檔、參考教材以及教學實驗。課程網(wǎng)站如圖1 所示。

圖1 “數(shù)字圖像處理”課程網(wǎng)站

網(wǎng)絡(luò)平臺的運用主要包括課前、課中和課后三大部分。課前，教師通過備教材將教學內(nèi)容碎片化，每個章節(jié)根據(jù)知識內(nèi)容分為很多個小節(jié)，并強調(diào)每個章節(jié)的重難點部分，認真做好PPT、錄制視頻和章節(jié)測試等。針對教學內(nèi)容中的相關(guān)圖例，教師在視頻中會根據(jù)相應(yīng)算法通過MATLAB 編程演示其效果，并將源代碼放入資料庫，可供學生參考，輔助學生課后自覺進行編程練習。通過發(fā)布任務(wù)的方式要求學生在課前完成預(yù)習，提高學習自主性，也降低了線下課堂教學的難度。對于一些重難點部分設(shè)置問題情境發(fā)布討論，讓學生積極參與進來，提高學習氛圍。課堂教學中，利用線上平臺進行考勤，并結(jié)合大家課前預(yù)習和討論的情況，對問題作進一步的討論和總結(jié)。同時，還可以通過投屏的方式讓大家能夠直觀地看到討論區(qū)評論，也可以利用“學習通”在課堂中進行測試和答題等，增強課堂互動，讓大家踴躍發(fā)言，提高學生的學習積極性，對知識學習和理解更加深入。課后，教師利用公告發(fā)布相關(guān)的學習任務(wù)，在討論模塊發(fā)布討論內(nèi)容，對完成的章節(jié)要求進行章節(jié)測試，在作業(yè)區(qū)布置相關(guān)作業(yè)，學生可以在線上完成。

以第六章“形態(tài)學處理”為例，教師會提前在“學習通”中發(fā)布通知，要求提前觀看線上視頻和PPT，初步對形態(tài)學的基本運算的原理和應(yīng)用有所了解。針對形態(tài)學運算的應(yīng)用，在討論區(qū)發(fā)布討論話題（例如，如何去掉兩個矩形區(qū)域的中間連線，使其變?yōu)閮蓚€區(qū)域？），充分發(fā)揮學生的學習自主性。課堂教學中，教師根據(jù)學生自學情況，對形態(tài)學中的4 種重要運算（腐蝕、膨脹、開運算和閉運算）的原理進行深入講解，并通過案例進行編程，分析和總結(jié)其應(yīng)用。學生在較好地掌握4 種基本運算原理后結(jié)合討論區(qū)問題進行研討分析，并利用預(yù)先錄制好的編程視頻向?qū)W生演示，讓學生能夠直觀地觀察其處理效果。課后，教師將教學資源上傳并發(fā)布下一個通知等。各線上教學活動如圖2 所示。

圖2 “數(shù)字圖像處理”課程線上教學活動

圖2（續(xù)）

2.2 線下課堂教學的組織

2.2.1 教學內(nèi)容的選取

通過結(jié)合線上教學，可以有效地解決課時和教學內(nèi)容之間的矛盾。在教材選取方面，可以選取內(nèi)容更深的教材。選用何東健主編的《數(shù)字圖像處理（第三版）》“十二五”本科國家級規(guī)劃教材。雖然所授內(nèi)容涉及到8 章，但是對于一些小節(jié)，學生可以通過教師提前準備好的PPT 和視頻進行自學，對于存在的問題也可以在線上和線下參與互動。在線下的課堂教學中對于部分知識會講解比較快速，主要解決學生自學中常遇到的問題，講授每章節(jié)的重難點內(nèi)容，并對一些結(jié)論性的內(nèi)容讓學生積極參與討論，使其理解更加深刻、透徹。所以，可以使學生學習內(nèi)容不僅有廣度，而且有深度，同時，也能夠提高學生學習自主性。

2.2.2 課堂教學的組織

采用線上線下混合式教學需要教師花費更多的時間進行教學設(shè)計，如果線下內(nèi)容和線上學生預(yù)習的內(nèi)容完全一致，那么線下的課堂將會比較機械、乏味。線下課堂也分為三大部分組織教學：課前、課中和課后。課前教師認真分析教材，篩選知識點，分清重難點，并結(jié)合線上學生學習情況選取線下教學內(nèi)容并進行教學設(shè)計。由于學生在線上已經(jīng)進行自主學習，課堂中對于一些重難點可以采用研討式教學。課前由教師在“學習通”發(fā)布任務(wù)（例如第三章圖像增強設(shè)置研討專題：針對原圖像重要目標區(qū)域偏亮或者偏暗，整幅圖像偏亮或者偏暗，如何在第三章中選取合適的算法進行增強處理？），由學生分組來完成。課中，以學生為主體，充分發(fā)揮其主觀能動性，針對問題分組進行研討，最后教師進行總結(jié)。同時，在此過程中可以結(jié)合“學習通”進行相應(yīng)的一些小測試，現(xiàn)場檢驗學生的學習情況，鞏固學習內(nèi)容。也可以通過投屏的方式，將學生在“學習通”討論區(qū)的發(fā)言和問題在班上進行討論，提高課堂整體的學習氛圍，做到有問題及時解決，知識及時消化吸收。課后，根據(jù)課堂學習情況，及時改進教學策略。

利用線上教學平臺，教師在錄制的學習視頻中會進行相關(guān)算法的編程講解，可以直觀地看出其處理效果，給學生的編程操作打下一定的基礎(chǔ)。所以，在線下的實驗教學中，應(yīng)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標，盡可能多地開設(shè)綜合、設(shè)計和工程類實驗，將所學的知識系統(tǒng)地運用起來，能夠解決實際的圖像處理問題，做到學以致用。例如，第三至五章分別涉及圖像的高低頻濾波和幾何變換。采用混合式教學模式后，在錄制的視頻中已有這三章的基礎(chǔ)實驗案例，所以實驗課中可將此三章實驗內(nèi)容作為一個綜合性的實驗（例如，愛因斯坦一秒變夢露之謎）。其中需要運用和選取合適的高低頻濾波算法，也需要對圖像進行相應(yīng)的幾何變換操作，將第三至五章的知識有效地結(jié)合并運用，提高學生的編程能力。

2.3 課程考核

課程考核以考查形式進行，充分利用“學習通”平臺，采取線上考核方式[3]。具體的考核比例如表1 所示。

表1 考核比例分配（百分制） 單位：%

3 結(jié) 語

本文針對“數(shù)字圖像處理”課程，分析了單一的線上、線下教學模式的利弊，提出一種線上線下混合式教學方案。雖然已對該方案進行深入地研究，但在后續(xù)的教學改革中，仍有許多地方需要改進和完善。例如，教師科研水平的提高以及在線下教學中應(yīng)盡可能地結(jié)合一些項目來進行，這樣更加符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求。