“数字图像处理”课程教学改进与研究

彭响华，彭 玲，刘 舸，林宏翔

（惠州学院电子信息与电气工程学院，广东 惠州 516000）

0 引言

图像处理技术的诞生可以追溯到20 世纪初，其迅猛的发展速度、广泛的应用领域以及与其他学科的密切交叉使其备受瞩目。作为一门多学科交叉的应用型课程，“数字图像处理”在电子信息工程、自动化等专业中属于专业课，是一个承上启下的核心基础课。该课程以“高等数学”“线性代数”“概率论与数理统计”“信号与系统”“数字信息处理”等课程为基础，为后续的“模式识别”“机器视觉”“人工智能”等专业课程提供了扎实的基础。

1 课程教学存在的不足之处

“数字图像处理”课程作为专业课，课程内容多，承接先修课程的概念较多，新概念也较多，但学时相对较少[1]。通过调研与教学实践发现，目前该课程教学存在以下不足之处。

课程内容繁多，概念抽象，数学公式推导多。在授课过程中，由于大多数学生先修课程基础薄弱和知识遗忘，对课程产生畏难、抵触等情绪。因此要将繁多抽象的理论一一讲透、融会贯通，需要花费大量的时间。在这有限的课时范围内，按照传统的教学方法很难达到令人满意的教学效果。

教学内容陈旧。新兴的人工智能技术在不断发展，但当前教材内容严重滞后于当前主流技术的发展，由于教材的审核和出版周期较长，教材内容不能很好地与当前新兴的人工智能技术相衔接。因此，在课时紧张和教材内容滞后的情况下，教师很难对理论应用展开充分的讨论，也很难对前沿技术进行详细的介绍，这使得当前的教学难以实现理论与实际的有机结合，导致学生学习缺乏目标，学习兴趣逐渐减退，不利于培养学生的创新能力。

教学方式单一。在传统的面授课堂环境中，由于受到课时限制，教师课堂时间通常较少用于练习，教学方式主要以在黑板上板书和进行PPT 演示为主，通过这些手段向学生传递知识。这种方式会导致学生所获取的知识量有限，而且学习途径受到一定的限制。师生之间仅能进行浅层次的沟通，教师难以获得学生的准确反馈信息。而要加强教学过程的管理，如学生考勤、随堂练习、教学效果调查统计等等，这在传统的面授课堂中都很难实现。

注重理论而忽略实践。为了确保教学内容的严密性，教师通常在课堂上注重理论推导，但对学生在解决实际应用和工程问题方面的能力培养关注不足，实验设计内容也偏向于Matlab 编程的验证性实验。在实验教学中，教师仅简要说明实验中使用的算法，学生则按照实验指导书的示例进行机械的模仿，使学生陷入完全被动的复制中，缺乏对实验原理的深刻理解，难以主动思考和解决实际问题。这与课程强调学生实践能力培养的目标不太相符。

教学考核偏重理论。“数字图像处理”课程传统的考核方式以期末理论考试为主，占70%，过程性考核数据如学生出勤、课堂师生互动、实验练习，课后作业等占30%，过程性考核数据不被重视，导致学生重视理论轻视思考。学生只要在期末做足够的习题，即能取得不错的考核成绩，并不能反映出学生平时的学习态度和和思考问题解决问题的能力，不符合应用型人才的培养目标[2]。

2 课程教学的改进方案

根据该课程的实践能力的培养要求和应用型人才的培养目标，迫切需要在知识学习与能力培养之间实现有机的结合，同时加强理论知识与实际工程应用能力之间的紧密联系，对“数字图像处理”课程进行教学改革，对应用型人才的培养具有重要而深远的意义[3]。针对课程教学中存在的一些问题，为了在现有教学的基础上更好地顺应人工智能技术热潮，改善课程的教学效果，充分提高学生的学习兴趣和工程实践能力，使得学生能够掌握数字图像处理的传统方法和相关的人工智能技术，同时具备了解国际前沿动态的能力，本文借助超星学习通网络学习平台，提出了适合本课程的混合式[4]教学模式的教学改革方案[5]，该课程教学整体改进方案如下所述。

2.1 课前阶段

在超星学习通平台的支持下，教师积极发布相关前沿理论技术资料、中国大学MOOC 精品课程资源，以及与本课程相关的先导课程学习资料，如信号处理、线性代数、微积分等内容。通过设定任务点，教师引导学生在课前完成预习，深入复习先导课程知识，并深入研读前沿技术资料、观看MOOC 精品课程资源，以便更好地把握重难点知识。目的在于克服教材内容滞后的问题，同时激发学生的学习兴趣和学习的主动性。学生完成预习后，带着思考和问题进入线下课堂，为更深层次的讨论奠定基础。同时，教师根据学习通的统计数据对学生的学习情况进行分析，了解学生的预习情况，查看学生对思考题的讨论，明确学生对重难点问题存在的疑点。这种精细化的分析为线下课程中的重点讨论提供了有力的支持，确保课堂时间得以更有效地利用。

2.2 课中阶段

2.2.1 考勤与互动

在线下课堂中，教师跟学生可以面对面交流学习。除了传统的线下授课，教师开始重视学生的考勤数据和与学生之间的交流互动。通过超星学习通进行考勤数据统计，一方面考勤数据更加准确，另一方面教师通过统计考勤带给学生的心理震慑，可以降低学生的旷课率。同时在线下课堂中，教师针对课堂知识点，在超星学习通设置部分抢答题和主题讨论题目，学生可以抢答题目增加互动积分，在主题讨论时，教师可以随机选人互动交流，增强了课堂的趣味性，进一步调动了学生的学习兴趣，提高了学生的课堂参与度，加强了师生互动，进而增强了教学效果。

2.2.2 工程案例讲解

在线下课堂中，除了对图像处理方法的理论讲解，还增加了图像处理实际工程案例的讲解[6]。例如在讲解教学内容为图像的代数运算中的加法运算时，首先介绍加法运算的基本原理，然后讲解图像水印的基本概念，最后结合加法运算与图像水印的联系，讲解图像水印的具体算法实现过程，将生活中的水印技术在课堂上呈现出来，更利于调动学生的学习兴趣，加深了学生对算法的理解和实际工程应用的掌握。根据课程大纲的教学内容，设计工程实际案例。教学内容与工程案例对照如表1 所示。按照每次课堂内容，选择1～2 个工程案例讲解其具体的实现过程。

表1 教学内容与工程案例对照

2.2.3 随堂练习与答疑解惑

在传统的线下授课中，教师完成了对本次教学内容的讲解后，会在超星学习通平台上发布与本次课程相关的随堂练习，以便帮助教师更全面地了解学生对课堂知识的掌握情况。在超星学习通随堂练习页面，教师可以实时查看学生的答题情况，统计出学生的答题正确率。教师可根据学生在答题过程中出现的普遍问题，有针对性地进行答疑，提高了答疑效率，也增进了教师对学生知识掌握的了解。

2.3 课后阶段

古人云温故而知新，为更好地促使学生熟练掌握线下授课的知识，教师在超星学习通平台上设置了相应作业，涵盖了课程每个章节的知识点。同时，我们将线下授课所使用的课件上传至平台，并设定了任务点，以引导学生进行有效的课后复习。根据学生在课堂和课后练习中的表现，教师将对掌握不牢的内容进行有针对性的线下复习和提高。学生需要按照任务点的要求完成由教师布置的任务。教师则通过平台对学生的学习情况进行统计，包括考勤数据、随堂得分、课堂抢答与互动，以及课后任务点的完成情况等。通过对这些数据的分析，教师能够合理而有效地评估每位学生的平时表现。

除了日常的教学工作，教师的职责还包括培养学生的综合素养。通过学习通的考核数据，教师能够及时提醒那些有旷课记录的学生，并对多次旷课的学生进行深入的思想沟通。教师关心学生的近况，通过面对面的交流促进学生的全面健康发展。

2.4 实验阶段

为了有效提升学生的编程实践水平，教师在传统的验证性实验课程框架上引入了一个综合性实验项目。该综合性实验的执行流程包括教师提供必要的知识，学生选择并确定项目题目，展开项目实施，最终演示成果并进行成绩评定。教师鼓励学生不局限于满足给定选题的要求，而是积极探索对所选项目的功能进行创新改进。学生在完成项目开发后，对其项目进行详细的演示和讲解。这既培养了学生在公众面前表达的能力，同时也预防了一些学生直接复制粘贴他人项目提交的不当行为。详细实验项目如表2 所示。

表2 实验项目

2.5 综合考核

“数字图像处理”课程属于具有实践性和应用性的学科，传统的评估方式主要依赖于期末理论考试，难以充分反映学生的学习态度和实际应用能力。在优化后的课程评估中，更注重过程性评估，综合采用各类形成性评估方式，以全面评价学生的学业成果。评估分为四个主要类别，权重分别为：平时考核15%、网络课程考核25%、实验考核10%，期末考核50%。期末考试采用闭卷形式，内容包含基础知识、综合知识、延伸与应用三个部分，结合多样化的题型设置，有助于教师在整个教学周期中客观、公正地评估每位学生的学业情况。具体课程考核的详细评价准则如表3 所示。

表3 课程考核详细评价准则

3 结语

随着图像处理技术的不断发展，传统的教学模式难以满足应用型人才培养的目标。鉴于这一背景，为了激发学生的学习兴趣和提高学生的学习主动性，本文以“数字图像处理”课程为例，首先分析了该课程的教学现状和教学模式中存在的不足，其次提出了基于超星学习通的线上线下相结合的一体化教学模式。该改进方案从课前、课中、课后、实验和综合考核5 个方面进行探讨，分别给出了具体的改进内容。

为了对比传统教学与改进后的教学成效，将采用改进后的教学方案的学生期末成绩（2022 年和2023年）与采用传统教学的学生期末成绩（2020 年和2021 年）进行对比分析，近4 年“数字图像处理”课程的考核分数分布占比如表4 所示。这4 届考试试卷题目难度一致，题型一致，从表4 可以看出，自2022 年开始采用改进后的教学方案和综合考核方式后，学生的平均成绩明显提高，90～100 分数段内人数比例明显增多，70 分以上人数比例呈逐年递增趋势。

表4 近4 年“数字图像处理”课程的考核分数分布占比

实践表明，改进后的教学方式激发了学生的学习兴趣，促进了学生从被动学习到主动学习的转变，提升了该课程的教学效果，教学质量明显提高。本次教学改革对新工科背景下的应用型人才培养具有一定的指导作用和借鉴意义，值得推广应用。