SPOC+PBL混合式教學(xué)模式在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“弱圖像信號物理建模及其復(fù)原算法研究”（61801005）；陜西省《數(shù)字圖像處理》線上線下混合一流課程建設(shè)項目。

作者簡介：余順園，博士，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.092

摘? 要? 為了讓課程優(yōu)起來、學(xué)生忙起來、效果實起來，在數(shù)字圖像處理課程中探索SPOC+PBL的混合式教學(xué)模式。利用豐富的MOOC資源構(gòu)建異步在線SPOC課，基于實際生產(chǎn)實踐需求建立數(shù)字圖像處理項目庫；以項目為抓手，基于PBL學(xué)習(xí)模式，按照課前SPOC在線自學(xué)、課中項目分組實現(xiàn)討論交流、課后測試總結(jié)等環(huán)節(jié)，探索數(shù)字圖像處理課程線上線下混合教學(xué)模式。三個教學(xué)周期教學(xué)效果及教學(xué)評價結(jié)果表明，此種以學(xué)生為主導(dǎo)教師為引導(dǎo)的混合授課模式對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)有著積極的促進作用。

關(guān)鍵詞? SPOC；PBL；數(shù)字圖像處理；混合式教學(xué)

中圖分類號：G642.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）02-0092-04

0? 引言

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央倡導(dǎo)教育應(yīng)該擺在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略位置[1]。在國家政策全方位引導(dǎo)與激勵下，高等教育在體量和質(zhì)量上均取得了飛速的發(fā)展。然而錢學(xué)森之問依然困擾著大家，為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出的人才？教育的本質(zhì)是培養(yǎng)人才，而人才培養(yǎng)的核心要素是課程，因此唯有讓課程優(yōu)起來、學(xué)生忙起來、效果實起來，才能構(gòu)建更高水平的人才培養(yǎng)體系[2]。

數(shù)字圖像處理課程具有一定的理論性，又有較強的實踐性，一般在計算機、數(shù)字媒體技術(shù)、電子信息等專業(yè)均有開設(shè)。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握數(shù)字圖像的獲取方法，能夠熟練地利用計算機編程實現(xiàn)常見的數(shù)字圖像處理算法，并具備一定解決工程實踐問題的研究能力和思維能力，為以后從事自動化、機器視覺、電信通信等領(lǐng)域的工作、深造、研究打下基礎(chǔ)[3]。

數(shù)字圖像處理課程中有較多的概念和公式，比如正交變換等內(nèi)容很抽象，不易理解；此外，該課程在智能安防、自主駕駛等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，算法技術(shù)更新快，需要在授課過程中適時地融入前沿成果。傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，教師講授占主導(dǎo)，學(xué)生被動填鴨式的接受知識，雖有翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合等教學(xué)模式，但是不夠深入，師生之間沒有互動起來，學(xué)生依然處于被動、應(yīng)付考試的狀態(tài)，在有限課時內(nèi)，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。本著以學(xué)生為本的原則，沿著發(fā)現(xiàn)、探索、解決問題的教學(xué)思路，課程團隊構(gòu)建了以專屬在線課程（Specail Private Online Course，SPOC）為基礎(chǔ)[4]，以項目學(xué)習(xí)（Project Based Learning，PBL）為抓手的混合式數(shù)字圖像處理授課模式。學(xué)生主導(dǎo)課堂，教師適時引導(dǎo)，通過任務(wù)驅(qū)動，基于輸出式學(xué)習(xí)原理，使得學(xué)生忙起來，最終幫助學(xué)生實現(xiàn)知識的重構(gòu)及內(nèi)化，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的教學(xué)目的。

1? 數(shù)字圖像處理課程改革及建設(shè)的現(xiàn)狀

早在2000年的時候，蘭州大學(xué)的王勇[5]在教學(xué)內(nèi)容、方法和手段上針對數(shù)字圖像處理課程特點進行了改革；2002年安徽大學(xué)的李曉輝等[6]人通過研制現(xiàn)代數(shù)字圖像處理教學(xué)實驗系統(tǒng)對數(shù)字圖像處理課程實驗進行了改革，這類早期的改革主要是針對教材和教學(xué)內(nèi)容上的調(diào)整，在一定程度上提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。2010年左右，吳冬梅等[7]和李露等[8]提出基于研究性、探索性教學(xué)模式改革，這對學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)有一定的要求，在學(xué)時受限的情況下開展起來比較困難。2012年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄧?yán)^忠等[9]在數(shù)字圖像處理實踐教學(xué)中引入了基于項目教學(xué)的理念，以項目推動課程實踐環(huán)節(jié)展開，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望。PBL教學(xué)模式，從項目出發(fā)解決實際問題，以團隊分組為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)者必須具備一定的主動性和自覺性，能獲得較強的成就感和認(rèn)可度。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)新媒體及信息技術(shù)的高速發(fā)展，MOOC課（Massive Open Online Courses）因其大規(guī)模、開放、共享等特性，獲得認(rèn)可；2018年2月武漢大學(xué)的賈永紅教授團隊制作的數(shù)字圖像處理MOOC正式發(fā)布，大受歡迎，取得了令人鼓舞的效果[3]，但是單純的基于MOOC展開教學(xué)，缺乏面對面交流，難以培養(yǎng)學(xué)生的人格與道德，自我管理能力比較差的學(xué)生容易掉隊。于是，SPOC應(yīng)運而生[10]，它是MOOC課后發(fā)展的新型教學(xué)模式，教師借助于MOOC平臺，根據(jù)需求對資源進行優(yōu)化，構(gòu)建適合本校學(xué)生的SPOC，能夠掌握學(xué)生在線學(xué)習(xí)的動態(tài)，根據(jù)其在線學(xué)習(xí)反饋情況調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，于是胡曉霞等[11]提出MOOC+SPOC的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革。安康學(xué)院數(shù)字圖像處理課程團隊在綜合分析了學(xué)者們課程改革的思路和成效，結(jié)合筆者所在學(xué)校學(xué)生的具體情況，契合OBE（成果導(dǎo)向教育）教學(xué)理念[12]，從培養(yǎng)學(xué)生主動探索之習(xí)慣及獨立思考之能力出發(fā)，圍繞項目進行知識架構(gòu)，構(gòu)建基于SPOC+PBL數(shù)字圖像處理課程線上線下混合式教學(xué)模式。

2? SPOC+PBL數(shù)字圖像處理課程教學(xué)的實施

2.1? 混合教學(xué)模式介紹

SPOC是教師在學(xué)校云平臺，建立一門面向校內(nèi)授課班級學(xué)生的小規(guī)模在線課程，教師可根據(jù)本校學(xué)情設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)進度。根據(jù)建課時所利用的線上MOOC資源情況，可構(gòu)建同步SPOC、異步SPOC及獨立SPOC。本課程團隊構(gòu)建的是異步SPOC課程，即在MOOC上精選一門同科目的課程，在拷貝該課程資源的同時，教師可以靈活地對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，也可以自主地組織班級學(xué)生進行在線答疑、討論、考試等。

PBL（Project Based Learning）是基于項目學(xué)習(xí)，指的是讓學(xué)生融入能解決實際問題的項目，強調(diào)以學(xué)生為中心，以小組分工合作、項目的調(diào)研、算法設(shè)計及項目匯報展示等實際環(huán)節(jié)為線索幫助學(xué)生進行知識架構(gòu)。該教學(xué)模式契合OBE教學(xué)理念，能夠讓學(xué)生有足夠的獲得感和榮譽感，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，有效提升學(xué)生的綜合能力。

為了充分利用線上線下資源，本數(shù)字圖像處理課程團隊構(gòu)建了以SPOC+PBL混合教學(xué)模式。SPOC+PBL混合教學(xué)模式的授課效果在其他課程中已經(jīng)得到了廣泛探索和驗證[13-14]，數(shù)字圖像處理作為一門實用性極強的課程，利用該模式極大地提升了授課效果。本課程團隊在教學(xué)實施的過程中，首先是基于大學(xué)生MOOC資源構(gòu)建了數(shù)字圖像處理的異步SPOC課，基于PBL實施教學(xué)的全過程，實現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，主要包括教學(xué)設(shè)計、教學(xué)實施及課程考核三部分。

2.2? 混合式教學(xué)設(shè)計

教學(xué)設(shè)計是教學(xué)過程有效合理展開的基石，是保證教學(xué)質(zhì)量的最為關(guān)鍵的因素。本課程是依托MOOC上武漢理工大學(xué)黃朝兵教授的國家級精品課程數(shù)字圖像處理資源，構(gòu)建異步SPOC。所以在課前會提前告知學(xué)生重難點，發(fā)布主體的教學(xué)資源和拓展學(xué)習(xí)資源，拋出相關(guān)的討論主題，布置項目任務(wù)；最后學(xué)生需要在線下課堂完成匯報、討論，實現(xiàn)知識的重構(gòu)與內(nèi)化。

課程的主體資源來自MOOC，結(jié)合具體學(xué)情分析，增加適當(dāng)?shù)耐卣官Y源兩大部分。主體資源有包括：課程簡介，教案和學(xué)習(xí)指導(dǎo)，授課錄像，課程作業(yè)，項目任務(wù)書；擴展資源包括開發(fā)環(huán)境工具，演示仿真，在VC++或者MATLAB開發(fā)工具下的數(shù)字圖像處理，應(yīng)用開發(fā)案例，研究發(fā)展前沿的介紹。

2.3? 混合式教學(xué)實施框架

SPOC+PBL的教學(xué)實施過程，以學(xué)生為中心，提供豐富的SPOC學(xué)習(xí)資源，同時安排線上引導(dǎo)，線下匯報、交流、總結(jié)，主要分課前、課中、課后三個步驟，如圖1所示。

課前，在SPOC平臺發(fā)布課程的全套資源，包括教學(xué)目標(biāo)及重難點，教學(xué)PPT課件、重難點講解的視頻和拓展學(xué)習(xí)資源，發(fā)布與課程相匹配的項目任務(wù)書及討論主題，布置課前小作業(yè)檢測學(xué)生課前自學(xué)情況。鼓勵學(xué)生合理安排自己的時間，自學(xué)基本理論，要求學(xué)生根據(jù)項目任務(wù)書，提前完成組隊及項目規(guī)劃等工作。

課中，以學(xué)生為主體，以項目的推進為載體，學(xué)生通過完成項目實現(xiàn)知識的內(nèi)化。學(xué)生通過抽簽形式構(gòu)建項目小組，以小組合作形式完成項目，并隨機抽選人員上臺匯報；與此同時教師和其他小組同學(xué)在認(rèn)真聽的基礎(chǔ)上要思辨性地進行評價；隨后教師引導(dǎo)全班同學(xué)探討存在的共性問題，對重難點進行補充講解，幫助學(xué)生拓展和深化知識。在課堂學(xué)習(xí)的最后環(huán)節(jié)，學(xué)生利用所理解的知識在SPOC平臺完成隨堂測驗，測試結(jié)果可在SPOC平臺上即時呈現(xiàn)，教師可據(jù)此開展適度的個性化指導(dǎo)。

課后，教師在SPOC平臺上呈現(xiàn)學(xué)生完成的優(yōu)秀項目，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固和總結(jié)反思。針對共性問題創(chuàng)建討論主題，在互動交流中引導(dǎo)學(xué)生完成探究式協(xié)作學(xué)習(xí)。

2.4? 混合式教學(xué)實踐應(yīng)用

SPOC+PBL數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)在實踐過程中，課程團隊構(gòu)建了數(shù)字圖像處理項目庫，包含數(shù)字圖像處理增強、濾波、變換、編碼等八類共50多個綜合項目，如“磨皮美白系統(tǒng)”“道路裂縫識別”“水果分類識別”“魔芋病害識別”“印章鑒別”及“霧天圖像清晰化處理”等項目，這些項目主要來源于實際的生產(chǎn)生活，項目基本上是與章節(jié)內(nèi)容對應(yīng)，按章節(jié)發(fā)布，由簡單到復(fù)雜，每學(xué)期都會根據(jù)學(xué)生的完成情況進行適當(dāng)?shù)母隆?/p>

下面以數(shù)字圖像處理課程中的“霧天圖像清晰化處理”項目為例，對SPOC+PBL授課模式進行說明，項目任務(wù)書如表1所示。

表1所示的“霧天圖像清晰化處理”項目的開展按照課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)展開，每個環(huán)節(jié)任務(wù)明確，有測試有反饋，學(xué)生可以根據(jù)自己的實際情況開展學(xué)習(xí)，教師結(jié)合學(xué)生的線上線下的表現(xiàn)，及時跟進學(xué)生，并適時地提醒和督促，整個學(xué)習(xí)過程以學(xué)生為主導(dǎo)，教師為引導(dǎo)。每組學(xué)生進行資料查閱和分享，既能夠拓寬知識面，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的一種探究精神；各組之間線上線下交叉點評，培養(yǎng)了學(xué)生批判性思維習(xí)慣；每次隨機抽取組員進行演示講解，規(guī)避部分學(xué)生偷懶、渾水摸魚；線下當(dāng)眾講解匯報，幫助學(xué)生把理解的知識講出來，這恰好契合著名的費曼學(xué)習(xí)法[15]，讓學(xué)生無比清楚自己的內(nèi)在思維，實現(xiàn)知識的重構(gòu)與內(nèi)化。

2.5? 混合式教學(xué)課程考核

在課程考核的過程中，關(guān)注學(xué)生的過程性表現(xiàn)，因此總評成績由期末考試、項目完成情況、課堂表現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)在線互動等部分組成。成績的分布比例為：期末考試卷面成績占50%，項目完成情況占30%，課堂匯報及點評表現(xiàn)占10%，在線學(xué)習(xí)時長、測試、討論、互動占10%。每班安排學(xué)委對每節(jié)課每個學(xué)生各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進行記錄，教師隨堂簽字確認(rèn)，對所有的得分項都量化并在班內(nèi)公示。總體思路是激勵差生，鼓勵先進，引導(dǎo)學(xué)生多參與課堂，完成知識的內(nèi)化，而非應(yīng)付考試。

3? SPOC+PBL數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)實施

效果

SPOC+PBL數(shù)字圖像處理混合式教學(xué)主要在筆者所在學(xué)校2017級至2019級計算機及數(shù)字媒體專業(yè)各班級開展并持續(xù)改進，學(xué)生普遍反映良好。每次授課到學(xué)期中時，筆者所在學(xué)校教務(wù)處都會讓學(xué)生對課程進行評價，本門課次的評教分?jǐn)?shù)基本在90分以上，學(xué)生評教成績排在筆者所在學(xué)校前10%。本課程于2021年獲批陜西省線上線下混合一流課程建設(shè)。

從學(xué)生對課程的理解和學(xué)生的完成度情況來看，各個項目的完成率基本上在100%，在線測試和線下集中交流中，圍繞全書前后共凝練出20多個問題，這些問題涵蓋了本門課程主要知識點，從理論原理推導(dǎo)到算法結(jié)構(gòu)分析，學(xué)生都能予以恰當(dāng)理解，與所實現(xiàn)的項目對應(yīng)起來。從課堂演示、互相點評及討論的情況看，學(xué)生都能從原理、編程實現(xiàn)到實驗結(jié)果分析等多方面對問題進行全面透徹的解析。

從課程考核情況看，開展SPOC+PBL混合教學(xué)班的成績?yōu)椋簝?yōu)秀率為19.1%，良好率為53.2%，中等及以下的比例為27.7%，成績基本符合正態(tài)分布，這表明絕大部分的同學(xué)能按要求完成項目、參與互動，對知識點掌握較好，總體情況優(yōu)于未開展混合式教學(xué)班級。

4? 結(jié)論

在數(shù)字圖像處理課程中引入SPOC+PBL的混合式教學(xué)模式，利用豐富的MOOC資源構(gòu)建異步SPOC課，基于PBL推動學(xué)生自主探究，鍛煉核心技能，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力。在課程具體實施過程中，以高質(zhì)量的項目實現(xiàn)為抓手，充分發(fā)揮課前自學(xué)、課中完成項目討論互評、課后測試總結(jié)等環(huán)節(jié)的作用，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，小組合作使得學(xué)生能夠互相幫助互相激勵，增強學(xué)生的獲得感和榮譽感，最終提升學(xué)生的綜合能力。三個完整教學(xué)周期的教學(xué)效果及教學(xué)評價表明，此種以學(xué)生為主導(dǎo)、教師為引導(dǎo)的混合授課模式對數(shù)字圖像處理課程教學(xué)有著積極的促進作用。教學(xué)改革從未止步，今后，筆者將在完善教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)揮混合式教學(xué)的作用，提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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