数字图像处理课程CDIO模式教学法实践

唐超++檀明

摘要：根据应用型高校的办学定位和CDIO工程教育理念，对数字图像处理课程的教学内容和教学方法进行了研究。探索了以工程项目实践、课程教学和网络课程自学三位一体的教学改革。实践表明该教学方法极大地激发了学生主动学习的兴趣，提升了工程实践与创新能力，使学生综合的能力与素养得到了提高。

关键词：CDIO；数字图像处理；工程项目实践；教学方法

中图分类号：G424 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）06-0154-02

Practice of CDIO Teaching Method of Digital Image Processing in Application Oriented University

TANG Chao， TANG Min

（Hefei University，Department of Computer Science and Technology， Hefei 230601， China）

Abstract：The teaching contents and teaching methods of the digital image processing course are discussed and explored according to school-running orientation of applied university of and CDIO engineering education concept.Engineering project practice， classroom teaching and online courses self-study are applied in teaching. Practice shows that this teaching method greatly stimulated the students' interest in active learning； promote the innovation ability and scientific research ability. Meanwhile students team work and engineering practice are improved in the process of project design implementer and practicing.

Key words：CDIO；digital image processing；engineering project practice；teaching method

《数字图像处理》这门课程主要介绍数字图像的基本概念、相关理论和实现算法[1]。随着信息及电子技术的快速发展，数字图像处理技术在航空和卫星遥感、生物医学、工业和军事等各个领域中的应用越来越广泛。数字图像处理是一门数学理论要求比较多的课程，它需要学习者有一定的高等数学基础，较强的分析能力，较强的算法设计与实现能力。作为应用型本科高校的合肥学院（以下简称“我校”）为了优化人才培养方案，全面提升学生综合能力，在计算机科学与技术专业（嵌入式方向）开设了数字图像处理选修课程。数字图像处理课程对于本科生来说理论性，工程实践性，学习难度都比较高。因此从历年的教学效果及考试情况来看，学生对本课程往往心存畏惧，教学效果有待提高。为了有效地激发学生的兴趣，增强学生的学习信心，我校在该课程教学中引入CDIO工程教学理念，将工程项目实践，课堂讲授和网络课程自学结合起来，强调学生素质的培养应该与行业发展相适应，全面提升学生工程思维与素养。

1 CDIO模式

当代社会需要培养什么样的工科毕业生？工科毕业生应掌握怎样的知识、能力和态度？其水平应达到什么样的程度？这些都是作为应用型本科高校必须面临和解决的问题。现代大学工程教育的目标应使培养的人才具备广泛的个人能力、人际沟通能力以及产品、过程及系统的构建能力，这些能力保证学生在实际的社会和企业背景环境下的团队工作中发挥重要作用。CDIO工程教育模式为我们提供了一种新的教育方法，有助于解决工程教育普遍存在的问题，并可满足学生和社会的需求。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，是由麻省理工学院、瑞典皇家工学院等四所大学自2000年起，经过四年的探索研究后创立的先进工程教育理念[2]。CDIO含义是：构思（Conceive）、设计（Design）、执行（Implement）和运转（Operate）。每个工科毕业生都应具备在团队合作的现代工程环境背景中，能够构思、设计、执行和运转复杂的具有附加值的工程产品、过程及系统。CDIO工程教育模式第一次全面描述了现代工程师所需的知识、能力及态度的完整内容，为应用型本科高校的工程教育改革提供很好的借鉴作。

2 数字图像处理课程特点

数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。通过该课程的学习可以为学生进一步学习“计算机视觉”、“模式识别”等课程及训练一定的工程实践能力和走向工作岗位后的学以致用打下基础。该课程具有以下特点：

1）数字图像处理课程学习内容一般是按照图像处理的需要的“数学基础”、“算法理论”、“编程实现”及“应用分析”等过程来进行的，其中涉及的数学基础要求较高，算法理论性较强，编程实现难度较大。

2）该课程是理论性与实践性并重的课程。课程内容的每一块都与实际的工程应用密切相关。在整个教学过程中，强调对概念和原理的理解而不是死记硬背，培养的是独立思考和独立解决相关工程问题的能力。

3 课程教学改革实践

工程教育有其本身的要求，作为大学的教育工作者，我们有责任向学生传授广泛的学科知识。CDIO全面描述了现代工程师所需的知识、能力及态度的完整内容，即我们希望获得的教学效果。教学大纲是工程教育所需的重要文件，也是对教学效果的全面描述。CDIO教学大纲建立在对人才培养目标综合分析的基础之上，主要包括技术知识与推理、个人与职业技能、人际交往技能、 CDIO 4 个方面的内容[3]（见图1）。

CDIO能力培养教学大纲为我校的数字图像处理课程教学改革提供了理论指导。为此我们探索了以项目工程实践为主线，教师课程讲授和学生网络课程自学三位一体的教学模式（见图2）。整个课程的教学活动是通过实现若干个项目工程来整合课程的知识点。这些项目都来源于实际工程应用问题。例如：“基于五帧差分法的运动目标检测算法”可应用于公共场所视频监控中，该项目工程问题涉及若干个数字图像处理知识点：“图像滤波”、“图像边缘检测”、“图像的代数运算”，“数学形态学”等。教师的课程讲授则主要则重于图像处理中涉及数学原理讲解与推导，帮助学生克服自学过程中遇到的数学障碍。网络课程自学则是学生利用优质的在线学习资源进行自主学习提升学习能力和知识探索能力。

1）项目工程实践：为了配合本课程的教学活动，我们成立了“数字图像处理与计算机视觉”大学生创新创业实验室，给学生学习、创新，创业提供平台。并将班级学生组织成若干个专项科研小组，如：“图像分割小组”、“运动目标检测小组”，数字图像分析小组等。同时将教师的科研工作和安徽省大学生创新创业训练计划融合到兴趣小组的实践活动中，例如：邹乐老师指导的“基于水平集的图像分割算法”；高玲玲老师指导的“大学生机器人足球竞赛”和唐超老师指导的“基于机器视觉的汽车流量检测算法研究”等。为尽快提高学生的科研能力与自学能力，定期（一周或几周）组织专项组内成员开展交流活动，每期一个专题，由学生将自己的专题调研报告向大家作汇报，交流活动后再进行项目的实际开发。实践证明，这种方式对于学生的自学能力、科研能力和实践能力有很强的促进作用。

2）课程讲授：采用了“需求分析、理论推导与验证、流程设计、编程实现、应用实例、优化总结、前沿展望”的授课主线，采用边讲边示范的方式进行，使理论学习与工程实践在同一时空环境下完成。具体如下：（a）需求分析：图像处理的实际处理需求，了解处理的必要性。（b）理论推导与验证：贯彻 “少而精”原则，学生可以见到理论应用到实际的效果，增加认识，易于掌握实践技术。（c）流程设计：通过有效的算法流程设计，优化算法的时间复杂度与空间复杂度，加深对理论实现方法的理解。（d）编程实现：通过两种不同的编程语言MATLAB和OpenCV向学生展示例子程序，加深学生对于知识点的理解，并解读代码编写过程中需要注意的技巧与问题。（e）应用实例：给出与知识点密切相关的应用案例，通过案例来加深理论理解。（f）优化总结：在实际应用的背景下，对现有方法进行优化，以满足实际应用需求。（g）前沿展望：对本知识点的最新学术发展进行介绍，开拓学生的思维空间，进一步激发学生的求知与学习热情。

3） 网络课程自学：为了进一步扩展学生知识，调动学生自主学习，自主研究热情。为此课程组要求学生必须在课后完成与课程相关的自主学习内容与研究性学习内容的搜集、整理和汇报工作，并有效地将工程项目实践融入到自主学习当中来。主要通过四个方面来进行扩展训练：（a）教学内容补充扩展：引导学生通过查阅学习网上指定参考教材及中外文参考资料，促进学生主动学习，扩充知识面。（b）图像处理软件开发工具自学扩展：学生在学习了MATLAB语言、C语言和面向对象程序设计C++等课程后，通过进一步学习OpenCV机器视觉库，VLIB软件库来实现图像处理的应用开发。（c）专题知识扩展：由于图像处理与模式识别技术密切相关，引导学生在网上自学相关模式识别与机器学习技术来拓展图像处理应用能力。（d）丰富的在线精品教学资源扩展：让学生通过网络上提供精品课程资源进行在线学习，进一步完善学生的自主学习。

4 项目的实施效果

采用了CDIO模式的数字图像处理课程具有课程教学与工程实践教学并重特色，充分重视实际应用能力的培养，能过工程项目实践，课程讲授，网络课程自学三位一体的方法，努力使基础理论在实际应用中能得到很好的体现和应用。学生普遍反映，学习这门课收获很大，课程无论从理论到具体实践，都是十分成功的。

5 结论

本文结合数字图像处理课程的特点，在CDIO教育模式基础上，探索了一种新的数字图像处理工程教学方法。教学实践表明，该教学方法提高了学生的学习积极性，促进了其创新能力的提高。

参考文献：

[1] 梁志贞，江海峰，杨小冬. 基于“卓越计划”的《数字图像处理》课程教学改革实践[J].高教学刊，2016（3）：146-147.

[2] 李彤，张璇，王旭，等. SE-CDIO工程教育模式的探索与实践[J].高等工程教育研究，2014（1）：52-57.

[3] 陈旭辉，吴克寿，姜春艳. 基于CDIO理念的计算机工程教育模式[J].计算机教育，2010（18）：141-143.