“智能科学与技术”专业“数字图像处理”课程教学实践的探讨

王海晖　赵彤洲　鲁统伟

摘要：本文针对“智能科学与技术”专业的特点和要求，提出“数字图像处理”课程的教学内容设计既要重视基础理论，又‘要兼顾专业特点，并将传统教学与现代教学方法和手段相结合，进而提出本课程的教学应该与学生科研创新能力的培养相结合，以达到促进学生学好本门课程，并为后续课程打好基础的目的。

关键词：数字图像处理；教学内容；教学方法；科研创新能力

中图分类号：G642文献标识码：A

1引言

“数字图像处理”课程是“智能科学与技术”专业一门重要的专业主干课，是为了培养本专业学生数字图像处理的基础知识、技术技能以及在实践中的运用能力而设置的专业课程。在“智能科学与技术”专业中，“数字图像处理”课程是该专业一个重要的专业方向——“机器视觉系统”的基础，也是掌握好该专业方向的关键。目前，该课程已经成为本专业信息获取与处理方向的重要课程之一，在学生的专业培养和知识获取中占有重要的地位。

该课程作为专业主干课，具有承前启后的作用，既可作为学生继续学习的研究方向，又是后续相关课程重要的理论基石。随着数字图像处理理论在智能系统的研究不断深入和图像处理技术在国民经济各个领域的广泛应用，我校的“数字图像处理”课程结合课程本身的特点，在教学内容、教学方法、教学手段等方面都进行了一系列的探索，形成了具有我校特色的、能够服务于智能科学与技术专业的课程。

2制定科学、合理的教学目标和教学内容

“智能科学与技术”专业的培养目标是使学生系统地掌握智能科学的基础理论、基础知识以及基本技能与方法，使学生受到良好的科学思维、科学实验和初步科学研究的训练，并具有分析问题和解决问题的能力，以及知识自我更新和不断创新的能力。依据这样的培养目标，我校的“数字图像处理”课程制定了科学、合理的教学目标和循序渐进且兼顾相关学科的教学内容。由于数字图像处理融合了数学、电子、计算机软硬件、智能系统集成等众多先进技术，体现了诸如计算机技术、自动化技术、光学工程等学科相互交叉和融合的综合运用，内容丰富，应用广，因此本课程在教学内容上既要重点介绍数字图像处理的基本理论、方法，又要介绍当今图像处理的重要应用领域以及与其他学科之间的内在衔接与融合，使教学内容具有系统性、完整性、科学性和先进性。

在教学内容的选取上，继续深化重概念、重基础、重实验、重综合的“四重”教学，突出学以致用的观念，使学生通过课程学习掌握解决具体问题的方法。以能让学生较深入地理解数字图像处理的基本概念、基础理论以及解决问题的基本思想方法，熟练地掌握数字图像处理的基本过程为目的，使学生在有限的学时内有最大的收获，并为后续的机器视觉、数字图像分析等课程打下坚实的基础。例如，“图像变换”是“数字图像处理”课程的核心内容，是理解后续的“图像增强”、“图像复原”等内容的基础，因此我们重点讲述了“傅立叶变换”和“小波变换”，将walsh变换作为学生自学内容。这样选择教学内容的目的，是要使学生明白“图像变换”的目的在于使我们所更关心的一些原始图像的特征更加明显，变换手段不同导致了不同的变换结果。此外，以智能科学技术为核心的我校机器人足球项目在国际国内屡获冠军，形成我校智能专业一大特色和优势，并在计算机视觉等方面形成了特色培养方向。因此，“数字图像处理”作为智能机器人重要的支撑课程，在教学内容的选取上，我们也充分考虑到这一点，例如选择讲述有关移动机器人的视觉图像的获取过程，并根据该流程分析了图像预处理、图像分割以及特征提取的要求。将课程内容与实际应用相结合，使学生产生了极大兴趣，提高了学习积极性，更能为我校机器人足球项目进行人才储备。可以说，“数字图像处理”课程的教学内容正是专业培养目标的真实体现。

3根据专业特色和课程特点，采用先进的教学方法和手段

在“数字图像处理”课程的教学过程中，为提高教学质量，在教学中采用了多种教学方法和教学手段，注重采用多种教学方式调动学生学习的主动性和积极性，加强学生获取知识能力和创新精神的培养，这也是深化教学改革的重要内容。“智能科学与技术”专业涉及检测技术、控制技术、计算机技术及网络技术等当代信息技术多个领域，是典型的交叉学科，根据“数字图像处理”课程的特点，我们在教学方法和教学手段方面进行了以下的探讨尝试，并取得了一定的成效。

3.1扬弃传统教学

虽然传统教学采用黑板板书加教师“满堂灌”的教学方式，不利于学生形成主动思维的学习习惯，但在讲述数学公式的推导以及定理证明的过程中，教师在黑板上按步骤推导的过程是非常必要的，而且是必须的。“数字图像处理”课程需要对大量的数学公式进行推导，如果将这些数学公式的推导采用投影方式直接呈现给学生，缺少了在推导过程中与学生的互动环节，不利于学生深刻理解，使学生只是知其然，不知其所以然。此时，传统的书写黑板教学方式在公式推导以及定理证明中是必要的。同时，传统教学中老师在课堂上通过抑扬顿挫的语气以及丰富的肢体语言共同协助传达需要传授的知识，可以加强课堂的感染力，帮助学生理解并掌握知识。因此，在数字图像处理课程的教学中，传统的教学方式既不能完全照搬，也不能完全否定。一方面采用多媒体教学，另一方面也不能完全抛弃传统教学方式。传统教学方式在必要的时候要发挥它的重要作用。

3.2应用现代化教学手段

“数字图像处理”是以图像为处理对象，其输出形式为图像、图形和数字。该课程非常适宜采用多媒体教学方式。如以图像的形式显示教学信息，图像比语言更容易被学生感知；采用动画和视频更能准确地显示事物的空间特性、时间特性和运动特性，提高了信息的表现力，有利于学生详细观察、分析，提高感受性。应用多媒体技术可以实时重现模拟图像处理前后的直观效果，大大增加了课堂的信息量。针对不同的教学内容，辅以声音、图像、视频、动画等多样化手段，化静态为动态，化抽象为直观，化复杂为简洁，既能活跃课堂气氛，又能最大限度地调动学生想象力，激发学生的学习兴趣，从而教学效果大为提高。例如在讲授图像的采样与数字图像的质量关系时，通过不同采样数据的照片的对比，加深了学生对图像的量化与数字图象的质量关系的理解，也激发出他们对本课程的浓厚兴趣。另外，“数字图像处理”课程的具体应用随着计算机技术发展的日新月异也不断变化，这就要求教师自身的知识要不断更新，授课讲义也要不断反映最新内容。通过近年的积累，我校“数字图像处理”课程在参考了其他学校的教学讲义、教学研究成果，尤其是国内外著名大学的教材、讲义的基础上，结合我校“智能科学与技术”专业的培养目标和专业特色，制作了具有最新内容的课堂教学课件和实验教学系统。现代化手段教学的实践表明，

采用现代化教学手段能缩短学时，提高教学效果，优化教学过程，同时提高学生的学习热情和创新意识，有利于多方面开发学生智力，提高学生的综合素质等。

3.3建设网络教学辅助平台

我们已经整合各类课程教学资源，如课程介绍、主讲教师介绍、教学大纲、授课教案、作业习题、实验指导、参考文献目录、课程考试考核办法、授课实况录像等资源全部上网，建成网络化辅助教学系统，应用该系统开展网络化辅助教学。例如在“网络学习”栏目中，我们将“数字图像处理教学模拟系统”放置在这里，学生可以根据课堂讲授，结合该模拟系统在课后对课堂知识进行消化吸收，加深对课堂内容的理解，深入分析试验数据，对实验结果进行论证。如在讲解采用线性变换进行图像增强的原理时，给出了曝光不足情况下，通过线性拉伸增强对比度的演示实例。学生在学习了模拟系统的示例演示后，对其中的数据进行修改，观察到经过不同的数据变换后的图像增强结果，加深了对这部分知识的理解。借助网络，学生的学习和与教师交流可以跨越时空。通过网络教学辅助平台，既能实现以教师为中心向以学生为中心的转变，为增强学生的信息意识、综合素质、创新能力和个性发展奠定坚实的基础，又能获取同行和学生的反馈信息，促进教学经验交流、教学资源共享甚至教学成果推广应用。

3.4加强实践教学

在实验课堂上，一方面，把某些研究成果以图像、图形和数据的方式向学生展示，扩大学生的知识视野，从中抽取与课程相关的内容进行重点描述，加强理论与实际应用的联系；另一方面，要求学生进行实际的数据处理、软件设计和影像处理，以培养学生分析并解决实际问题的能力、方案设计能力、编程实践能力和创新能力。在实践教学中，重视使用Visual c++图像编程技术，使学生更符合社会对“智能科学与技术”专业的人才需求。“数字图像处理”按照课程内容设置了图像变换、图像增强及复原、图像分析、图像编码等4个实验和图像处理系统综合设计。其中前4个为设计性实验，利用基于Visual c++的基本实验平台完成。最后的综合设计是培养学生综合运用所学知识与技能，训练他们分析和解决实际问题的能力的重要手段。综合设计中不仅要编写程序代码并测试，还要撰写综合设计报告，以此来进一步提高学生理论研究、查阅资料等方面的能力。通过综合设计，85％的学生认为动手编程能力得到了加强，92％的学生认为对所学知识有了更深刻的理解，83％的学生认为综合训练后可以比较熟练地利用Visual c++进行图像处理操作，90％的学生认为通过综合设计，激发了学习兴趣，锻炼了图像处理技能，对就业更有信心。

此外，在实践环节中，计算机学院为规范各类实践教学的环节，精心编制了实践教学管理实施细则，并建立了严格的考核制度。该细则包含了任务说明、实施计划、现场检查等多项附表，从各个细节入手进行规范管理，保证了实践教学质量提高。

4结合科研课题教学，促进学生科研创新能力培养

“智能科学与技术”专业依托我校湖北省重点学科一一模式识别与智能系统的学科优势，在教学过程中，结合教师的科研课题讲授，从多方面促进学生的科研创新能力。我校的机器人足球项目是“智能科学技术”专业的特色，以此为平台的计算机视觉也形成了特色培养方向。而“数字图像处理”是计算机视觉的重要理论和技术基础，因此，我们在“数字图像处理”课程中将足球机器人系统中运用的大量数字图像处理前沿的基础知识和技术引入课堂。如讲授了自主移动机器人视觉系统中针对移动机器人的技术要求与视觉导航的特点，运用了图像预处理、图像分割与特征提取等图像处理技术。

课程主讲教师队伍目前承担了一批省(部)级的纵向科研项目(含教育部科学研究计划项目、湖北省教育厅科学研究计划项目、湖北省自然科学基金项目等)和横向科研项目，这些项目都是与数字图像处理密切相关。在这些项目资助的基础上，创建了良好的实验平台。借助该平台，学生结合老师的科研课题，通过参加校内外科技活动，开展了一些与数字图像处理有关的研究与实践工作，培养了他们适应社会的竞争力和工程实践能力，并取得了良好的效果。例如本专业2007级15名学生依托教师的科研项目申请了三项大学生校长基金项目——“基于信息融合的半自主机器人系统研究”、“多源图像信息融合技术的分析及应用研究”、“基于内容和相关反馈的图像检索方法”，占本班级学生总数的54％。学生除了可以获得一定的金额资助外，还能获得学校认定的创新学分。以上措施极大地调动了学生学习本门课程的积极性，从另一个侧面提高了教育教学的质量。

5结束语

随着数字图像处理理论和技术不断发展和完善，数字图像处理越来越多地应用于智能系统领域，因此，“数字图像处理”的课程教学和实践也应不断吸收新知识，丰富教学内容。并应该结合教师的科研项目，不断更新和补充相关的教学内容，吸收学生参与项目研究和开发工作，进而培养学生科研创新能力，提高教学质量和水平，以便更好地为智能科学与技术专业服务。