“圖像處理”課程改革初探

郭立強　劉戀

摘要：在應用型本科人才培養的轉型要求下，為了提高“圖像處理”課程的教學質量，針對該課程在傳統授課方式下所存在理論推導繁瑣、學生難于理解以及學生對課程重視程度不夠等問題，我們對這門課的教學總體目標和要求、教學內容、教學方式和考核方式進行了有針對性的課程改革。通過兩個學期的課程教學實踐，我們的方法取得了良好的教學效果。

關鍵詞：圖像處理；教學改革

一、引言

“圖像處理”是我院計算機科學與技術專業和物聯網工程專業的專業選修課，該課程要求學生能夠掌握基本的圖像處理理論與算法，能夠進行簡單的程序設計來實現特定的圖像處理任務。然而，經過幾年的課程教學，我們發現學生在學習這門課的過程中出現了一些問題，具體如下：

首先，圖像處理這門課是多學科交叉，學習這門課之前要掌握微積分、線性代數、微分方程、計算方法等數學課程，同時還要掌握一種程序設計語言。然而，學生的學習積累較弱，在進行算法講解過程中往往需要結合特定的物理學、仿生學理論進行必要的數學理論推導，使學生在聽課的過程中感到乏味，這給學生的學習上帶來了不小的困難。在課下和學生交流過程中，他們普遍反映對理論推導的理解上存在不小的困難。

其次，作為一門實踐性很強的課程，在學習課程的同時還需要進行相應的編程來驗證算法的有效性，更多的時候是需要學生在吃透算法的基礎上引導學生對已有算法來進行改進。然而，由于許多學生對于這門課的作用、目標不清晰，沒有一個正確的學習方法，導致學生自己編程時普遍存在沒有思路或者無從下手的感覺。

最后，這門課是三年級下學期開設的課程，學生面臨公務員和研究生考試，同時還是選修課，學生重視程度不夠，這些不確定因素給教學帶來了一定的困擾。這樣一來，真正肯下功夫學習的學生并不是很多。

為了破解圖像處理這門課教學過程中所存在的一系列問題，提高學生對這門課的興趣，同時按照學校應用型本科人才培養的要求，我們對這門課的教學總體目標和要求、教學內容、教學方式和考核方式進行了相應的改革。

二、教學總體設計

2014年淮陰師范學院逐步開展了本科教學改革，學院的人才培養目標要逐步向應用型本科人才培養方向進行轉型。結合圖像處理這門課有著非常強的工程實用背景，根據學校的應用型本科人才培養方案要求，我們對課程的教學目標和要求、教學內容、教學方式和考核方式進行了如下改革。

（一）教學目標和要求

按照應用型本科人才培養要求，結合學生的實際情況，教學目標的制定上統籌考慮基礎理論的掌握和實踐能力的提升兩方面要求，使學生初步確立圖像工程的理論思維，具備一定的創新實踐意識，在自己的專業領域靈活應用所學知識解決實際工程問題。

（二）教學內容

盡管圖像處理是一個年輕的學科，但其所涉及的內容卻比較多而且雜。圖像處理所涉及的主要內容包括：圖像的基礎理論、圖像濾波、圖像分割、圖像增強、圖像變換（如傅里葉變換、小波變換等）、圖像形態學處理、圖像復原與重建、圖像壓縮與編碼、圖像數字水印等。同時，圖像處理也是一門不斷發展的學科，文獻[1-3]是圖像處理的經典教材。以文獻[1]為例，已經是第六版了，每一版本都比上一版本在內容上進行了不小的擴充。作為一門只有32課時的選修課，不可能面面俱到講授所有內容，因此在內容上的選擇要慎重。為了突出實踐教學以及避免枯燥的理論學習，我們采用了Matlab版本的數字圖象處理這本教材[4]。使用Matlab軟件可以對圖像處理的中間過程和結果有個直觀的接觸，使學生對課堂教學以及學生自學過程中能夠產生足夠的興趣。同時，利用Matlab自帶的圖像處理工具箱，可以很方便地調用相關函數來實現特定的圖像處理算法，這些函數對于理解書本內容有著很大的幫助作用。此外，Matlab還有非常詳盡的幫助文檔，便于學生自主學習。這里我們并沒有采用vc++作為編程軟件，主要是試驗環境的搭建比較麻煩，調試起來比較困難。但是，在課程簡介過程中，我們針對想深入學習圖像處理，尤其是涉及硬件（DSP、FPGA）編程進行圖像處理算法研究的學生，給他們推薦文獻[5]。

在具體內容的講授上，以工程應用背景為主的知識點進行講解，包括：圖像基礎理論、圖像濾波、圖像分割、圖像的傅立葉變換、圖像壓縮與編碼。在基礎理論的講解上，主要是給學生樹立圖像的數學模型和圖像處理的整體架構：用矩陣的形式來表示圖像，所有圖像處理算法都是圍繞如何使用相關方法來對這個矩陣進行處理，再把處理的結果以圖像的形式顯示。這樣使學生清楚在接下來的課程學習中如何去應對形式多樣的算法。對于圖像濾波、圖像分割等其他內容，重點突出工程應用背景來提高學生的關注度與興趣。

（三）教學方法

除了傳統的多媒體課件和板書外，在教學環節中引入大量的現場演示環節，通過Matlab軟件對圖像處理算法進行仿真與處理，使學生對算法有個直觀的認識。教學過程中的算法講解，主要利用Mat-lab的數字圖像處理工具箱中的對應函數，通過函數調用來教學生算法的使用，避免了復雜的數學推理，使課堂教學更有趣味性。另外，所有的課堂教學全部選擇在計算機機房，講解的過程中隨時讓學生來演練相關的算法，加深對知識點的理解。此外，當學生對圖像處理有了一個基本掌握后，給出部分開放題目供學生選擇，讓學生分組來完成相應的題目，采用小組報告的形式到講臺上來講解本組算法設計的過程，由下面的同學進行提問，凡是提問的學生都會有加分，如果臺上同學回答正確也有加分。這樣增加課堂學生的參與程度，使學生都能夠融入到課堂中來。此外，我們還積極引導學生合理利用網絡資源，選擇與課堂教學內容相關、有針對性的視頻公開課讓學生去學習，同時給學生提出相應的問題，通過這種方式使學生自己解決問題，并把答案以作業的形式遞交。

（四）考核方式

傳統的考核方式比較單一，由平時成績和期末閉卷考試成績構成。這種考核方式的弊端就是學生對于課程學習過程重視不夠，在期末時采取突擊復習的被動方式來應對考核。若是期末用一張試卷進行考核，知識點量大、面廣，學生復習困難，不利于學生對知識的掌握?？己酥皇且环N手段，最終目的是通過考核使學生掌握知識。因此，我們采用過程化考試方法，即取消期末閉卷考試，把期末考試的比重分散到整個學期考核的各個環節。具體方案是：平時成績占總評成績的10%，主要考核學生的出勤及課堂表現情況；作業占30%，批改三次作業，每次滿分10分，批改后直接公布分數；團隊合作項目占60%，期中、期末各進行一次實驗匯報，由學生上講臺講解本組實驗過程并提交實驗報告，每次匯報滿分30分。通過這種考核方式，使學生在整個學期學習的各個階段對自己所獲得的分數有個直觀的把握，一方面能夠調動學生的積極主動性、能夠避免期末復習考試給學生帶來的額外負擔，使他們能夠把注意力集中在課堂上；同時，在教學的各個階段教師都有機會對學生的學習進行督促和總結。

三、課程設計

這里我們以圖像分割這一章的一節課的教學過程為實例，講解我們的課程設計。每節課教學內容的選擇上突出興趣主導，根據學生需求并兼顧題目的難度。以圖像分割中的邊緣檢測為例，首先給學生展示一款安裝在手機上名為“魔漫相機”的小軟件，這款軟件可以自動識別出照片中的人臉，然后嵌入到特定的場景中，如圖1所示。

圖1中，（a）為圖像處理中的標準原始圖像，在講課時，先把這幅圖像顯示給學生，然后利用手機上安裝的魔漫相機軟件對這幅圖像進行處理，得到圖（b）。此時學生的注意力都被吸引到這幅處理后的圖像，學生開始討論。此時，我會講解這個軟件所用的算法，即使用人臉識別技術定位到圖像中的面部區域，利用圖像分割算法提取出面部圖像，再嵌入到特定的場景中，就得到圖（b）。緊接著，我拋出問題，這幅圖像與素描很接近，基本勾勒出場景的線條，如果用算法實現這一處理，就是我們接下來要學習的邊緣檢測算法。通過現場編程，用普魯伊特邊緣檢測算法對（a）圖像進行處理，得到（c）圖像，然后顯示給學生看。然后提出問題，是否還有其他的邊緣檢測算法？邊緣檢測算法的原理是什么？通過對這些問題的講解，使學生掌握了邊緣檢測算法的本質就是設計模板，通過更改模板中的數據可以得到不同的檢測效果，然后讓學生們上機練習來對現有算法進行改進。一些學生直接把編程處理后的邊緣圖像發在自己的個人空間里，互相點贊，使學生們感到學習的趣味性。

四、總結

本文總結了圖像處理這門課程的教學改革方案，在教學目標和要求上凸顯工程應用背景，目的是使學生具備解決實際問題的能力；在教學內容的選擇上，選擇有針對性、難度適中且容易實現的內容來進行講解；授課形式除了傳統的多媒體教學，還引入互動教學、案例教學以及慕課模式，充分調動學生的積極性、主動性，使學生融入到教學過程中；考核方式采取過程化考核，讓學生及時了解自己在各個階段的分數，減輕了學生的課業負擔。通過兩個學期的教學實踐，學生對現在的教學模式滿意度達到97.3%，實現了預期的教學效果。

[責任編輯：韓璐]