主題式數字圖像處理教學與學生創新能力培養的探尋論文
1 引言
數字圖像處理技術發展迅速，且應用范圍極其廣泛，在軍事航天、遙感醫學、通訊工業等等領域都有極其深遠的影響。數字圖像處理課程的開設，目的是使電子、通信、計算機專業等理工科的學生能夠掌握數字圖像的基本概念、理論及處理方法，能切實將生活中的數字圖像處理問題進行抽象建模并動手編程解決，為其今后的科研、研發工作鋪好堅實的基礎。但也正因為該課的應用范圍廣，其涉及的基礎理論知識、算法眾多，屬于一門典型的交叉的學科，因此在教學中存在著需要教授的內容章節多、難度跨度大(本科、碩士、博士均有數字圖像處理課)、理論算法抽象且復雜等難點，學生不容易找著重點，或者很容易出現畏難情緒，對知識的掌握吸收不利，更談不上進一步的創新。以電子、通信專業大三學生為授課主體，筆者針對以上問題，提出了以主題方式開展數字圖像課程教學，通過形象感官地處理實例深入淺出解析課程中的理論算法，并進一步結合一系列不同性質的實驗，讓學生從知道應該怎么做，到為什么這樣做，最終到我要怎么做，培養起學生的學習興趣和創新能力。通過幾個學期的實踐證明，這種方法在教學中具有明顯的預期效果，很好地彌補了傳統的數字圖像處理教學方法的不足。
2 數字圖像處理教學難點與分析
數字圖像處理課程屬于信息類專業必修課，在大學開設多年，傳統的數字圖像處理教學以教為主，學生學習起來枯燥、知識掌握困難。隨著該門課程越來越廣泛的應用，其地位與日俱增，各個高校都予以了高度重視，對實踐也逐漸重視，提出了實踐教學改革、實例教學等嘗試，取得了一系列的教學成果[2-3]，通過實踐也使學生更易掌握重要知識點，加強動手能力。但是該門課程仍存在兩個較難克服的教學難點。第一，數字圖像處理涵蓋的章節內容非常多，學生容易混淆，學習易產生疲勞情緒，而在本科有限的學時數中也難以兼顧。內容包括圖像采集、圖像變換、圖像增強、圖像復原、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像描述、圖像識別、數學形態學處理、彩色圖像處理等等，跨度很大，這與該課的應用領域廣泛是息息相關的。第二，課程牽涉的需要前期先修的基礎知識多，比如需要先修復變函數與積分變換、線性代數、信號與系統、數字信號處理、數字電路、專業英語等等。涉及的數學知識內容多，理論公式推導多，導致學生聽課熱情降低。如在圖像的頻域變換一章中涉及了離散余弦變換、K—L變換、離散沃爾什一哈達瑪變換、小波變換等。如果只是片面依靠講授理論公式的推導，把大量的`教學課時用在理論性較深的章節中，而忽略了這些理論知識與實際應用的緊密結合，會導致學生興趣低落，不利于學生應用能力的培養。以上兩個難點的克服以及其克服程度，是關乎“數字圖像處理”課程能否為學生們接受，取得較好的教學效果，并調動學生學習積極性、創新性的關鍵。本文提出了主題式教學方法，結合實例演示、實驗驗證、啟發的方法克服以上難點。
3 主題式教學模式探索主題式
教學模式，是指按教學內容相關性和難易程度，對圖像處理教學內容進行分類，并采用主題式教學方法開展課堂教學。每個主題可以各成一個相對獨立的體系，但又具有一定的前后相關性和相輔相成性。這部分工作將數字圖像處理教學內容分為本科、研究生兩種難度。本科的教學內容相對基礎、容易理解，而研究生階段的教學主要是高層次的圖像理解。兩者劃分還要考慮到前后關聯性，內容相對獨立完整性，以及教學時數的限教改教法72制等因素。對本校 36 學時的本科教學，作者選取了圖像處理的基礎入門內容———數字圖像的基本處理方法進行主題分割。將總體教學內容分成緒論、圖像及其數字化、圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像編碼與壓縮六個主題，并循序漸進。緒論對數字圖像處理技術的由來、當今的廣泛應用以及未來的發展趨勢進行介紹，用過去、現在、未來這樣清晰的時間發展線索，用講故事的方式，讓學生迅速了解該技術的歷史、重點、重要性，激發學生的學習興趣。圖像及其數字化涵括像素、數字圖像的概念，圖像的數字化方法，以及整個數字圖像處理系統的組成。
讓學生對什么是數字圖像，它是怎么構成的，怎么得到、處理數字圖像有一個系統的了解。為后續的各章節做了一個很好的鋪墊。在圖像的變換主題中講述為何要將圖像從我們已了解的時域、空間域變換到別的域來對圖像進行新的表示和處理，通過對 FFT、DCT、小波等基本變換的方法和應用的介紹，讓學生充分了解變換到非時空域處理問題的好處與前提，如何做這種變換，以及這種變換的用途。有了前面幾個主題的鋪墊，圖像增強主題自然引出，該主題內容較多，包括點運算中的灰度變換和直方圖修正法，區域運算中的平滑和銳化。目的是讓學生對空間域的圖像增強處理的必要性、效果與處理的具體方法有感性的了解。圖像分割主題緊跟圖像增強主題中的銳化問題引出，既然邊緣和輪廓已被增強，那檢測邊緣并將目標分割出來就成了順理成章的事。該主題除了介紹分割的兩類方法———區域分割和邊界分割外，主要讓學生理解分割的目的和要達到的效果。還介紹了最后一個主題———圖像壓縮，從壓縮的重要性，壓縮要達到的標準，以及壓縮的具體方法三方面闡述，使學生不僅會壓縮，而且知道什么樣的才是一個好的壓縮。為今后的相關工作打好堅實的基礎。
4 學生的創新思維能力的培養
除了將教學內容以循序漸進主題模式進行合理劃分，為每個主題定下明確的學生學習目標外，在每個主題的講授中還要結合一些技巧，讓學生在思路清晰、目標明確的前提下，進一步對知識的理解、運用了然于胸，并進一步激發學生的創新意識。這方面需要做的工作包括：針對教學中理論性較強、公式推導過多的內容，在講解的過程中，盡量將理論知識與實驗實踐結合，使復雜的問題簡單化，將理論化為容易理解接受的形象圖像展示。通過驗證實驗、設計性實驗、課程設計不同的實踐方式讓學生從逐漸理解、嘗試運用，到能產生自己的創新想法并實現，逐步培養、激發學生的創新思維能力。針對復雜理論的講解，一定要形象化。比如圖像變換中對圖像與其頻域顯示相關性的闡述。采用公式算法或抽象語言很難讓學生理解與消化。可以采用簡單圖像的變換結果的比較形象的展示。如圖1 中，通過對簡單黑底中白條的旋轉了解頻率高低與原圖的關系，通過細節稍有不同的兩幅簡單的十字圖，了解細節對頻譜的影響，從而可推斷出“高頻反應細節，低頻反映輪廓”的結論。又比如在講解圖像增強中直方圖均衡理論時，如果從直方圖均衡化前后的對比效果圖人手，讓學生先直觀地了解直方圖均衡化的作用和應用，再來講均衡化處理的原理和步驟，并且讓學生思考直方圖均衡化在實際生活中的應用，更能夠帶動學生的聽課積極性。在學生創新思維培養方面，針對每個主題設計配套的驗證性、設計型實驗，在收到較好的效果時，進一步提出課程設計內容。讓學生由簡到難，從初步理解到懂得怎么做，再到我想怎么做，一步步把學生的創新能動性調動出來。比如，在講圖像分割專題時，首先請大家參考教材資料，用Roberts 算子、Sobel算子、Prewitt算子、LOG 算子進行圖像分割的算法驗證，了解不同算子進行圖像分割的效果和原理。通過不同算子之間的比較更進一步了解分割效果與算子模板的關系。然后請大家設計一個對顯微鏡下細胞圖像進行分割的實驗，要求尋找或自己設計一個適合細胞圖像的邊緣檢測算子。最后，對學有余力的同學可以讓其完成一個完整的細胞統計系統的課程設計，從算法的編寫、GUI界面的設計等方面發揮自己的主觀能動性，設計一個體現自己鮮明個性與選擇性功能的細胞統計系統，例如可選擇是否進行圖像文件的打開挑選、保存、退出，還是直接采用默認圖像，手動或自動進行細胞分割等等。
這樣，一方面，學生通過驗證型實驗可鞏固每個主題的理論知識，并總結各個實驗，進一步進行比較全面的實驗設計，實現更綜合的圖像處理的功能;另一方面，學生通過代碼的改寫或調試，在已有知識的基礎上能培養自己的創新思維，發揮自己的創新能力，達到將數字圖像處理技術靈活應用的程度。5 總結本文提出了采用主題式教學和分層遞進式實驗設置改革數字圖像處理的教學方式。詳細闡述如何對主題進行劃分，以及確定每個主題的內容、目標及重點。用頻譜圖的具體比對例子，對復雜理論講解難點的解決方法進行說明。又采用圖像分割主題中，不同難易程度及性質的實驗安排對如何激化學生的學習熱情與創新能力進行舉例解釋。清晰闡述了一個新的教改觀點。實踐結果也表明，本文所提的方法是切實可行的，在本校本科專業的學生教學中取得了良好的效果，對數字圖像處理教學的進一步改進具有一定的參考意義。
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