數(shù)字圖像處理課程的混合式教學方案

姜秀艷，徐迎曉，張 睿

（復旦大學計算機科學技術(shù)學院，上海 200433）

0 引言

傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理課程的講授方法集中在“教”和“受”兩方面，即教師在課堂上“教”，學生被動接“受”與數(shù)字圖像處理相關(guān)的技術(shù)或原理。導致學生在課堂中一直處于被動狀態(tài)，可能無法完全理解教師所講授的內(nèi)容或觀點。此外，教師通常為了保證教學進度，無法顧及每一位學生的學習感受。

由于學生未能真正理解課堂所學知識或缺乏與圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的擴展資料，導致學生深度思考所學內(nèi)容，學習積極性下降。并且，數(shù)字圖像處理課程的重要實驗受教學課時限制，通常依賴于學生課下自主完成，難以保證實驗完成質(zhì)量。

為了解決以上問題，本文通過結(jié)合線上線下教學方式，設計了一個針對數(shù)字圖像處理課程實際情況的混合式教學方案。線上方面，學生利用課外時間自主學習，以“學”為中心取代傳統(tǒng)教學模式，以“教”為中心，充分發(fā)揮學生的自主性和積極性；線下方面，通過討論線上所學內(nèi)容和對當前研究熱點論文進行報告、互評，拓展學生對數(shù)字圖像處理技術(shù)的視野，并通過線下指導學生進行實驗，在保證實驗的質(zhì)量的同時，提升學生對數(shù)字圖像處理領(lǐng)域經(jīng)典算法和技術(shù)的理解及應用能力。

1 相關(guān)工作

目前針對數(shù)字圖像處理課程教學的研究較多。陳芳等提出了面向研究性學習的教學模式，在教學考核中鼓勵學生完成科研課題或參加數(shù)字圖像處理技術(shù)的挑戰(zhàn)賽。崔金榮等提出教學科研一體化式教學，在教學中采用案例化教學。唐曉芬等提出以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標的教學方法，采用問題驅(qū)動、啟發(fā)式思考和項目驅(qū)動的教學方式進行教學。李坤乾等面向工程認證的教學模式，在學習圖像理論過程中，著重于利用所學技術(shù)理論解決實際問題。歐先鋒等提出將理論基礎與實際工程相結(jié)合，在講解理論過程中引入實際工程案例。然而，上述方法均偏向于研究性教學或面向工程教學，都屬于線下教學方式，未能充分利用線上教學優(yōu)勢，還是基于以“教”為主傳統(tǒng)教學模型，未能充分發(fā)揮學生的自主性。

為此，魯明麗等針對數(shù)字圖像處理課程提出了混合式教學方案，通過結(jié)合線上線下教學方式，著重培養(yǎng)學生的工程能力和仿真實驗能力。范春年等設計并實施了一個“以學生為中心”的在線教學方案，該方案通過學生在線學習、在線測試、在線討論等環(huán)節(jié)完成教學工作。劉燕等以數(shù)字圖像處理課程為例，探究了“MOOC+在線翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式，學生在線學習后提出問題，教師根據(jù)問題引導學生對知識進行再次梳理。徐志剛等基于混合式教學進行數(shù)字圖像處理課程。黃朝兵等對數(shù)字圖像處理的混合式教學模式進行設計和實踐，線下部分主要討論數(shù)字圖像處理線上學習部分的一些問題。以上方法均基于線上教學或混合式教學模式，但未強調(diào)教學的各個目標、知識點及考核目標的對應關(guān)系，并未突顯以“學”為主的目的和面向“提出問題—分析問題—解決問題”的基本思路，在教學中強調(diào)學生對當前數(shù)字圖像處理領(lǐng)域研究課題的認識較少。

為此，本文提出線上線下相結(jié)合的以“學”為中心的混合式教學方案。具體地，線上部分以“提出問題—分析問題—解決問題”方式引導學生自主學習數(shù)字圖像技術(shù)內(nèi)容；線下部分，教師引導學生對課程相關(guān)部分進行深入討論、拓展與實驗，并對當前研究熱點論文進行報告交流。以期充分發(fā)揮學生學習的主觀能動力和提升學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決實際工程問題的能力。

2 混合式教學方案

如圖1 所示，數(shù)字圖像處理課程的混合式教學模式包括線上、線下兩部分，始終貫穿以“學”為中心，面向問題解決思想，培養(yǎng)學生“提出問題—分析問題—解決問題”的能力。

Fig.1 Overall composition of digital image processing hybrid teaching scheme圖1 數(shù)字圖像處理混合式教學方案總體構(gòu)成

2.1 線上內(nèi)容設計

線上部分內(nèi)容分為課件內(nèi)容、實驗內(nèi)容和當前數(shù)字圖像處理的研究和應用。

2.1.1 課件內(nèi)容

視頻內(nèi)容通常圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”的思路。例如，在講解圖像壓縮部分時，可將講解內(nèi)容劃分為以下幾個部分：①為何要壓縮圖像；②為何圖像可以壓縮（可以壓縮那些信息）；③如何進行圖像壓縮（有哪些思路）；④每種方法如何實現(xiàn)（圍繞數(shù)學建模、理論堆導、實驗驗證等方面進行展開討論）；⑤每種壓縮方法的優(yōu)、缺點。考慮到長時間觀看視頻容易產(chǎn)生視覺疲勞，將每一章內(nèi)容分開錄制，單個視頻時長控制在10min 內(nèi)，并且在觀看教學視頻前，要求學生先閱讀學習目標和關(guān)鍵知識點，以便于學生帶著問題和目標進行學習。

2.1.2 實驗內(nèi)容

數(shù)字圖像處理技術(shù)是人工智能領(lǐng)域的重要分支，也是一門注重應用的課程。通常會安排實驗，加深學生對數(shù)字圖像處理技術(shù)的理解，促使學生將所學知識應用于實際應用中。本文實驗設置主要分布在圖像壓縮編碼、圖像增強的方法、中值濾波、圖像恢復和圖像重建等章節(jié)。

2.1.3 當前數(shù)字圖像處理的研究和應用內(nèi)容

研究內(nèi)容主要來源于國內(nèi)外期刊、會議、最新的業(yè)界咨詢等。從中提取的內(nèi)容可在一定程度上拓展本科生的視野，激發(fā)學習興趣，促使其通過查詢資料進一步了解最新的數(shù)字圖像處理技術(shù)和應用。

2.2 線下內(nèi)容設計

線下部分的內(nèi)容設計主要分為問題討論和答疑、實驗部分和目前數(shù)字圖像處理技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展的討論。

2.2.1 問題討論和答疑

為進一步加深學生的理解，通過公開討論形式圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”的思路進行問題討論和答疑，這部分內(nèi)容相較于視頻內(nèi)容更注重實際應用。例如，在數(shù)字圖像增強的章節(jié)內(nèi)容中，設計不同類型的圖像，可使用哪些方法進行處理？為何采用該方法？方法的原理？不同方法處理的區(qū)別？通過討論促使學生理解和掌握相關(guān)方法。表1 為數(shù)字圖像處理不同教學內(nèi)容線下討論問題。

Table 1 Problems discussed offline in the hybrid teaching program表1 混合式教學方案線下討論問題

2.2.2 實驗部分

傳統(tǒng)教學模式的實驗部分由學生自主線下完成，教師無法掌握實驗部分的教學效果，但實驗是學生了解數(shù)字圖像處理的重要步驟，是將數(shù)字圖像處理技術(shù)應用于實際的有效演練。因此，本文提出的教學模式通過學生間對實驗結(jié)果的討論及教師的答疑和指導，使學生在實驗環(huán)節(jié)能夠充分得到鍛煉，并使教師能夠?qū)崟r掌握學生的學習情況。

2.2.3 目前數(shù)字圖像處理技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展的討論

學生線下閱讀目前數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的最新熱點論文后進行口頭報告，并在教師的帶領(lǐng)下開展討論，也可選擇多位學生合作精讀一篇論文后開展報告，其他同學提問。該方式可有效擴展學生的視野，并將所學的數(shù)字圖像處理技術(shù)與當下研究領(lǐng)域的進展相關(guān)聯(lián)，通過討論各種圖像技術(shù)的原理、發(fā)展和適用范圍，能進一步加深學生對所學知識和相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的了解。

2.3 線上線下比例及互動設計

本文設定相同的線上、線下課程學習時間。學生可先收集在線上學習過程中產(chǎn)生的問題，集中在線下進行討論。通過線上線下相結(jié)合的方式，一方面能夠加深學生對圖像研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的理解；另一方面可在學生間進行信息共享，促進相互交流。

2.4 教學目標和考核機制一致性設計

由于混合式教學線上內(nèi)容需要明確的教學目標，并需要對應的考核機制進行支撐。因此，將線上測試、線上討論均計入最終成績。具體在分數(shù)層面，根據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)課程的特點，各部分的成績占比如下：觀看視頻占15%，在線測試占15%，在線討論占15%，線下討論占15%，線下口頭報告占10%，線下實驗占15%，期末書面報告占15%。如此，學生的每一個學習過程都具有相應的考核分數(shù)，可充分調(diào)動學生的積極性和自主性。

線上測試一般以選擇題和簡答題為主，全面考察學生學習目標包含的知識點。為了保證學習時間，設定學生在看完視頻后才可進行測試，測試完成后方可進入討論環(huán)節(jié)，討論完成后，整個小節(jié)的內(nèi)容學習才完全結(jié)束。如此安排才能夠讓學生在一個較為寬泛的范圍內(nèi)，自主選取自身感興趣且與課程相關(guān)的研究主題。此外，書面報告可將學生互評與教師評語兩種形式相結(jié)合，進一步提升課程教學質(zhì)量。

3 實踐效果

數(shù)字圖像處理課程的混合式線上教學平臺采用了復旦大學的elearning 平臺，目前平臺已經(jīng)完成初步搭建并正在完善中。平臺學習資源包括視頻、PPT 課件、相關(guān)研究論文等方面的內(nèi)容，支持線上測試及討論。

本文提出的教學方法相較于傳統(tǒng)教學方法，使學生在課堂上的主動性顯著提升，改善了學生在整個學習過程中較為被動的情況，線下超過30%的學生能夠主動提出問題并分享自身觀點，課堂氣氛更加活躍。

通過團隊合作閱讀熱點論文，提升了學生間的團隊合作能力，90%以上的學生在討論和書面報告環(huán)節(jié)，能夠體現(xiàn)自身想法、思路及對研究熱點的理解。

此外，學生在聽取其他同學報告的同時，也能進一步鞏固所學知識點，擴展自身視野，將知識點與自身理解相互串聯(lián)，進一步提升對問題的理解深度。實踐證明，以“學”為中心的教學方案能夠有效提升學生的實際學習效果和積極性。

4 結(jié)語

本文設計了一個數(shù)字圖像處理課程的混合式教學方案，該方案圍繞以“學”為中心，以面向問題的思路，圍繞“提出問題—分析問題—解決問題”設計教學方案。線上學生自主學習、自主測試并在老師引導下進行自主討論；線下教師根據(jù)線上學習問題引導學生展開討論，完成實驗、口頭報告，并且在課程考核方面與教學目標一一對應。通過疫情期間的線上教學實踐證明，該方案線上部分的設計顯著提升了學生的主動性和積極性。