新工科背景下應(yīng)用型本科院校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革探究

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；新工科；應(yīng)用型本科院校；考核方式；教學(xué)改革

0 引言

新工科是一個(gè)以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行交叉融合，并注重繼承與創(chuàng)新、協(xié)調(diào)與共享的工科專業(yè)體系。該體系致力于培養(yǎng)具備競(jìng)爭(zhēng)力的工科人才，使其適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展需求，并有效應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)的挑戰(zhàn)[1]。新工科對(duì)于應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)提出了三個(gè)要求：第一，注重培養(yǎng)創(chuàng)新精神與拓展能力。眾所周知，計(jì)算機(jī)類專業(yè)迭代迅速，學(xué)校傳統(tǒng)教育模式具有滯后性，難以完全契合快速發(fā)展的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)與行業(yè)需求，因此，新工科視域下，應(yīng)用型本科院校需要特別注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與拓展能力，使學(xué)生在面對(duì)新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)時(shí)，具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。同時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極參與學(xué)科競(jìng)賽和企業(yè)實(shí)踐活動(dòng)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。第二，技能與知識(shí)之間的融合。在新工科背景下，對(duì)復(fù)合型人才的需求日益增強(qiáng)。這就要求學(xué)生在知識(shí)體系上實(shí)現(xiàn)復(fù)合，對(duì)于準(zhǔn)備就業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)既需要掌握扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，也要能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)工作中，具備解決實(shí)際問(wèn)題的能力。應(yīng)用型本科院校應(yīng)加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界的合作，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)和平臺(tái)。第三，跨學(xué)科融合。新工科強(qiáng)調(diào)多個(gè)學(xué)科的交叉融合，如機(jī)械工程與電子工程、材料科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的整合。因此，對(duì)于準(zhǔn)備深造的研究型學(xué)生來(lái)說(shuō)，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科的視野和能力，并且要學(xué)會(huì)合作與交流，共同解決問(wèn)題[2]。

數(shù)字圖像處理是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的必修課之一，主要包括數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像空間域和頻率域變換、圖像壓縮編碼等內(nèi)容。隨著計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，該課程延伸至圖像超分辨率重建、圖像分類、圖像檢測(cè)等方向[3]，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)多。同時(shí)該課程被用于醫(yī)學(xué)、遙感和交通等領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域廣，綜合性強(qiáng)。因此，需要通過(guò)改進(jìn)教學(xué)和考核模式來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，使得這類課程能夠滿足新工科對(duì)于應(yīng)用型本科的人才培養(yǎng)要求。

1 數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀

目前的數(shù)字圖像處理課程在實(shí)踐教學(xué)中主要存在以下三個(gè)問(wèn)題：

1） 基礎(chǔ)不扎實(shí)

智科專業(yè)缺乏信號(hào)處理課程，致使學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理中頻率域處理時(shí)理解不夠透徹。同時(shí)圖像處理實(shí)為矩陣運(yùn)算，學(xué)生對(duì)于矩陣論或線性代數(shù)基礎(chǔ)掌握不扎實(shí)，影響其學(xué)習(xí)的深度和廣度[4]，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)缺乏靈活性，難以創(chuàng)新。

2） 教學(xué)過(guò)程非項(xiàng)目導(dǎo)向

數(shù)字圖像處理課程以理論教學(xué)為主，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)在項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。學(xué)生將它當(dāng)作數(shù)學(xué)這類基礎(chǔ)課程來(lái)學(xué)，這與該課程的定位是相悖的。教材內(nèi)容雖涉及知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用，并在章節(jié)內(nèi)提供了小型案例和習(xí)題練習(xí)，但這些內(nèi)容聚焦于單一知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，而非將其置于整個(gè)項(xiàng)目框架中考慮。從專業(yè)角度來(lái)看，這種教學(xué)模式未能有效地將理論知識(shí)與實(shí)際項(xiàng)目需求相結(jié)合，不利于學(xué)生系統(tǒng)性思維和問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)。此教學(xué)模式通常以老師為中心，雖然保證了知識(shí)傳遞的效率和準(zhǔn)確性，卻限制了學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題能力的發(fā)展。

3） 考核方式單一

目前，數(shù)字圖像處理課程的考核方式以傳統(tǒng)閉卷考試為主，這種方式側(cè)重理論知識(shí)的記憶與復(fù)述，無(wú)法全面反映學(xué)生在算法設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析等方面的綜合能力，也無(wú)法有效評(píng)估創(chuàng)新思維和實(shí)踐技能，難以真實(shí)反映學(xué)生對(duì)課程的掌握程度和解決計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域?qū)嶋H問(wèn)題的能力[5]。

2 數(shù)字圖像處理教學(xué)和考核改革措施

針對(duì)以上問(wèn)題，我們對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模型和考核方式進(jìn)行了改革，改革后的教學(xué)模型如圖1所示。該教學(xué)模型主要包含三個(gè)環(huán)節(jié)：線上學(xué)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和課后學(xué)習(xí)。

課前環(huán)節(jié)涵蓋了線上視頻的學(xué)習(xí)及相關(guān)題目的完成，這一環(huán)節(jié)旨在提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，并有效應(yīng)對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊所帶來(lái)的課程進(jìn)度挑戰(zhàn)。同時(shí)，它也有助于解決課程教學(xué)中常見的大量前置知識(shí)需求問(wèn)題，為后續(xù)的課堂教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

課堂學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)是數(shù)字圖像處理課程的重要環(huán)節(jié)，旨在確保學(xué)生線上學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)效果，加深學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解，在此期間引入真實(shí)的項(xiàng)目案例，這類案例通常具有實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，能夠提升學(xué)生的興趣，加強(qiáng)對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用能力和同學(xué)之間的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

課后學(xué)習(xí)則主要是完成拓展作業(yè)，對(duì)前面學(xué)習(xí)的內(nèi)容查缺補(bǔ)漏。最后，進(jìn)行師生互評(píng)，作為一種雙向反饋機(jī)制，對(duì)于提高教學(xué)效果和促進(jìn)師生共同進(jìn)步具有重要意義。通過(guò)互評(píng)，學(xué)生可以了解自己在學(xué)習(xí)中的優(yōu)勢(shì)與不足，進(jìn)而調(diào)整學(xué)習(xí)策略，提高學(xué)習(xí)效率；而教師則能夠根據(jù)學(xué)生的反饋，知道教學(xué)中存在的問(wèn)題，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，提升教學(xué)效果。因此，課后學(xué)習(xí)與師生互評(píng)相結(jié)合，能夠形成一種良性的教學(xué)互動(dòng)，有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)，共同提升教學(xué)質(zhì)量。

在后續(xù)的三個(gè)小節(jié)中將就以上三個(gè)方面展開具體闡述。

2.1 線上線下混合式教學(xué)改革

數(shù)字圖像處理作為一門具有廣泛交叉性的學(xué)科，融合了多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)。為了使學(xué)生能夠更全面地理解并掌握這些跨學(xué)科內(nèi)容，我們將其他相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)精心錄制成線上課程，并上傳至芯位平臺(tái)，如圖2所示。

在線下授課前，要求學(xué)生自主觀看這些線上課程，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)習(xí)進(jìn)程，并完成相應(yīng)的測(cè)試題目，這里的測(cè)試題目分為選擇題、填空題、判斷題等客觀題和計(jì)算題、簡(jiǎn)答題等主觀題。我們可以利用3×3、5×5、7×7這樣的小圖像塊來(lái)模擬完整的圖像，并將一些數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用在這樣的小圖像塊上來(lái)確保學(xué)生能夠充分吸收和理解這些前置知識(shí)。鼓勵(lì)學(xué)生在完成上述任務(wù)的過(guò)程中積極思考，通過(guò)線上討論或線下向老師請(qǐng)教等方式解決疑惑，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通。同時(shí)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄和測(cè)試結(jié)果，如圖3 所示，及時(shí)跟蹤和反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，幫助教師更好地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

對(duì)于上文提及的針對(duì)單獨(dú)知識(shí)點(diǎn)的小型案例，我們分兩個(gè)方向?qū)W習(xí)，一方面是上文提到的主客觀題，另一方面是通過(guò)OJ（在線判題）系統(tǒng)，提高學(xué)生的知識(shí)的應(yīng)用能力和編程能力。在學(xué)校的頭歌平臺(tái)上，課題組為該課程準(zhǔn)備了大量題目資源，并且具備自動(dòng)評(píng)測(cè)和即時(shí)反饋的功能，如圖4所示。

學(xué)生在完成理論學(xué)習(xí)后，可以通過(guò)訪問(wèn)頭歌平臺(tái)選擇相應(yīng)的題目進(jìn)行練習(xí)。該系統(tǒng)支持多種編程語(yǔ)言，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好和課程要求選擇擅長(zhǎng)的語(yǔ)言進(jìn)行編程練習(xí)。完成后提交，平臺(tái)將自動(dòng)運(yùn)行代碼并給出評(píng)測(cè)結(jié)果，包括正確度、執(zhí)行時(shí)間、內(nèi)存使用等關(guān)鍵指標(biāo)。

通過(guò)這種方式，學(xué)生可以及時(shí)了解自己的編程水平和在知識(shí)點(diǎn)掌握上的不足，根據(jù)評(píng)測(cè)結(jié)果調(diào)整和優(yōu)化代碼。同時(shí)，該系統(tǒng)還提供了排名功能，學(xué)生可以查看自己在班級(jí)或全校的排名，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力。此外，學(xué)生可以在平臺(tái)上分享自己的解題經(jīng)驗(yàn)、答題思路，或者向其他同學(xué)或老師求助。這種互動(dòng)式的學(xué)習(xí)方式有助于拓寬學(xué)生的思路，提升問(wèn)題解決能力。綜上所述，通過(guò)頭歌平臺(tái)進(jìn)行單獨(dú)知識(shí)點(diǎn)的小型案例練習(xí)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，還能夠培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決能力，為未來(lái)的學(xué)習(xí)和工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法改變了傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)模式，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，強(qiáng)調(diào)實(shí)際操作和實(shí)踐應(yīng)用[6-7]。在這種教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生以小組協(xié)作方式制訂計(jì)劃并共同完成項(xiàng)目，教師只起到引導(dǎo)和指導(dǎo)的作用。學(xué)生需要在實(shí)踐中系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)知識(shí)，在討論中互相糾錯(cuò)，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，同時(shí)提升團(tuán)隊(duì)分工以及彼此交流合作的能力。在具體實(shí)施項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法時(shí)，需要明確課程教學(xué)目標(biāo)，挑選出恰當(dāng)?shù)捻?xiàng)目問(wèn)題，構(gòu)建具體的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的訓(xùn)練載體，如圖5所示，并設(shè)定相應(yīng)的組織方式和時(shí)間安排。同時(shí)，還需要建立與之相適應(yīng)的課程考核標(biāo)準(zhǔn)，以全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

2.3 過(guò)程化教學(xué)和考核改革措施

根據(jù)前面的教學(xué)模型，我們的過(guò)程化考核方式主要包含以下兩個(gè)部分，過(guò)程性考核成績(jī)和期末組卷考試成績(jī)，分別占比70%和30%，如表1所示。

過(guò)程性考核成績(jī)中的線上學(xué)習(xí)由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判，其中主觀題目由教師在平臺(tái)上手動(dòng)評(píng)判；課堂學(xué)習(xí)中的課堂測(cè)驗(yàn)是紙筆考試，由教師給出成績(jī)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)完成質(zhì)量及項(xiàng)目報(bào)告評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)給出成績(jī)；課后作業(yè)根據(jù)完成情況給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)；最后，教師根據(jù)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)情況給出分?jǐn)?shù)。

同時(shí)，學(xué)生也會(huì)給予教師評(píng)價(jià)和反饋，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的反饋信息作出積極回應(yīng)以及必要的改進(jìn)[8]。

3 總結(jié)

時(shí)代的發(fā)展催生了新的課程，也提出了新的要求，根據(jù)課程的不同特點(diǎn)和新工科對(duì)于應(yīng)用型大學(xué)的要求，本文以數(shù)字圖像處理為例，對(duì)其課程體系及教學(xué)方法進(jìn)行了優(yōu)化與革新。在這一過(guò)程中，成功實(shí)施了線上線下混合式教學(xué)模式的改革，探索了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)方法，并推進(jìn)了過(guò)程化考核體系的建立。然而，值得注意的是，由于這些改進(jìn)措施仍處于試行階段，雖然在教學(xué)效果方面已經(jīng)取得了明顯進(jìn)展，但是也可能存在未被發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。此外，為了進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)踐性與應(yīng)用性，應(yīng)當(dāng)更加積極地引入校企合作機(jī)制，通過(guò)與企業(yè)合作引入更貼近實(shí)際、更具真實(shí)性的教學(xué)案例。這將有助于提升學(xué)生的實(shí)際操作能力，使其更好地適應(yīng)未來(lái)職業(yè)發(fā)展的需求。