与专业相融合的《数字图像处理》教学方法的探讨与实践

郑静 王腾

摘要：数字图像处理作为一门发展迅速的综合性学科，被广泛应用于多个领域。该学科涉及的知识门类众多，比本科教学中的其他理工科类学科所涉及的知识门类都要多。如何让数字图像处理的教学更加贴合不同专业学生的实际知识储备情况和未来就业需求，显得尤为迫切。教学实践表明，与学生专业背景相融合的教学方法，能够因材施教，提高学生的学习兴趣，找到与其他学科的结合点，更加明确学习目标，进一步激发学生的学习动力。

关键词：数字图像处理；融合专业背景

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）06-0158-02

Discussion and Practice of the Teaching Method of Digital Image Processing， Which is Integrated with Professional

ZHENG Jing，WANG Teng

（Yangtze University College of Arts and Sciences，Jingzhou， 434020，China ）

Abstract： digital image processing， as a comprehensive subject， is widely used in many fields. The discipline involved in the knowledge of many， than the undergraduate teaching in other science and engineering disciplines involved in the knowledge of more than. How to make the teaching of digital image processing more fit to the actual knowledge of different professional students and future employment needs， it is particularly urgent. Teaching practice shows that combined with the students' professional background of teaching methods to teach students in accordance with their aptitude， improve the students' interest in learning， find link with other disciplines， more specific learning goals， to further stimulate the students' learning motivation.

Key words： digital image processing； fusion professional background

1 概述

《数字图像处理》是一门理论和实践相结合的综合性专业课程。当前，本科阶段的《数字图像处理》课程大多在电信、控制和通信、计算机等相关专业作为专业核心课程开设，也是很多专业的选修课程。其教学大多以理论教学和实验教学相结合的形式进行。

其中理论教学大多采用讲授基础理论、分析原理的方式，使学生对本学科的通用理论和基本算法有所了解。实验教学主要是对经典算法和常用的成熟算法的编程实践，使学生具有应用的能力，同时还要培养学生面向实际应用，设计解决方法的能力。

2 现状分析

传统的理论教学和实验教学的内容均过于刻板，不但无法适应图像处理技术的快速发展和技术实现上五花八门的图像处理问题，其形式也过于刻板，不利于学生创新思维的培养，对学生未来的就業、工作、学习也没有很大的实际意义，即使学生将来从事相关工作，也需要很长一段时间来适应现实工作的需求。

理论教学长期以来采用讲授方式，教师按照原理分析、算法推导、处理效果分析等顺序按部就班地进行讲述，学生可以掌握基本的原理和算法，但面对现实中复杂多变的应用需求，往往需要多种算法相结合或对已有算法的改进才能解决问题。而习惯了单一讲授模式的学生，在面对这些实际问题时，缺乏分析问题、设计解决方案、多角度解决问题的能力。

实验教学也存在内容和模式单一化的问题，大多由教师提出实验要求，设计好实验步骤，甚至提供示例代码，而学生要做的工作则过于简单，因此，学生没有机会去思考、研究问题的解决方案，没有将学到的基本理论和算法融入实际问题，而只是将实验环节作为加强理论教学效果的一个工具。

随着人工智能技术的快速普及和应用，数字图像处理中的大多数算法都是为人工智能和机器识别做图像预处理环节的工作，除此之外，是诸如遥感图像的处理、医学图像的处理等。这与相关专业学生的其他课程的目标截然不同，也正是数字图像处理课程的特殊性，使很多学生，在学习该课程之初，就没有将课程与未来的就业相联系，认为该课程算法理论较多，内容艰涩难懂，从事相关工作的门槛较高，且与以后的工作没有相关性。因此，很多学生认为此门课程是脱离实际的一门课程，也就不会投入过多的精力去学习它。

另外，在数字图像处理课程的理论讲授中，很多时候不可避免地会涉及数学、生理学、心理学、信号处理甚至医学等专业的相关知识，而现实的状况通常是，理工科学生对于心理学、生理学、数学等知识的储备是不够的，且理工科中，由于所在专业不同，学生的背景知识也不同。例如，计算机专业的学生有较强就编程和算法的实现能力，但是对于信号和时频变换的相关知识相对就比较欠缺，所以，对于算法的理解有时会存在一定障碍；电信专业的学生对于数字化过程、信号处理和时频变换相关知识的掌握较好，但是缺乏较好的编程和实现能力，虽然能够较好地理解算法，但瓶颈往往在于算法的实现。

如果在教学中，能够根据学生专业背景知识的差异性，采用与专业背景相融合的教学方法，摒弃单一化的教学内容和教学模式，因材施教，针对不同专业学生设计不同的理论和实验内容，就能够更加充分地激发学生的学习兴趣，使学生更加明确数字图像处理课程与本学科的联系，也能够为学生未来的工作和进一步的学习深造提供帮助。

3 在理论教学中如何实践

与专业背景相融合的教学方法，在理论教学环节的实践上，具体过程和内容如下。

理论教学在讲授基础知识、原理分析、推导算法、分析算法效果的基础上，因材施教，为不同专业设计适合本专业应用领域的内容，并将这些内容融入到基础知识、基本算法原理等的讲授中。在理论教学中，每次讲授完一个算法原理和该算法的基本常用应用后，再在此基础上，提出新的具体问题，让学生思考怎样利用已有的多种算法的结合或改进来实现新的问题。

在理论教学中，将时间划分为几个模块，分别有讲授、讨论、思考等。在内容的设置上，完成教材内容的同时，融合专业特点，对教材内容进行加工处理，并扩充和设计不同的内容进行讲授、讨论和课后研究。

在对计算机专业学生进行理论教学时，将计算机专业不具备的信号相关知识和时频变换相关知识，尽量深入浅出，精简至该专业的学生能够理解的程度，再结合计算机专业擅长编程和代码实现的特点，多将算法与代码相结合，在算法的表述上，可以使用某种学生已学过的编程语言来表述，并通过代码分析算法流程和算法实现的复杂度问题，进一步引导学生优化算法，减小算法的时间和空间复杂度。在讲授基础内容和算法后，提出一个本次课算法相关的实际应用示例，进行算法分析并组织学生讨论算法是否有优化的可能性和方法。最后，提出一个研究性问题供学生课后思考和上机实现，学生可以利用课后时间查阅相关参考资料，提出初步解决方案，设计问题的详细解决方案，进而实现，并可在实验课时间进行测试和讨论。

在对电信专业学生进行理论教学时，则要结合该专业的先修课程已讲授的内容，适当调整教材中各部分内容的处理方式和时间分配。在讲授内容的设计中，对于其他课程中已讲授过的知识点，例如，时频变换部分的变换公式及快速算法的原理分析等，不再进行详细讲解，做简单回顾即可。数字图像处理中的很多概念、术语及算法，都与数字信号学科中的相关概念、术语和算法相类似，且数字图像可以看成是特殊的一种二维信号，进而可以分解为一维信号。在讲授相关知识点时，可以跟数字信号处理中的相关内容相关联，使学生更加容易理解数字图像处理领域中算法的設计缘由和原理。但是，对于算法的实现方面，针对电信专业学生的欠缺，降低算法实现环节的难度。在进行算法实现的展示时，采用仿真脚本来代替源代码对程序进行书写，并根据仿真脚本的运行效果，来调整算法的相应参数设置，使学生掌握用仿真软件描述算法、调试脚本以及观察对比运行效果等。相应地，给电信专业学生分析讨论的开发示例也采用仿真语言描述，用于思考和课后解决的研究性问题，也要求学生用仿真软件实现即可。

在理论教学中，要始终贯彻开放思维的重要性，强调算法的灵活性和开放性，启发学生如何改进算法，如何融合不同算法的优点，如何设计新算法。通过融合专业应用、开放性教学和思维方式，让学生不仅能够掌握已有算法知识，还知道怎样利用已有知识解决新问题。

4 在实验教学环节如何实践

与专业背景相融合的教学方法，在实验教学环节的实践上，具体过程和内容如下。

实验教学中，首先要解决实现算法的工具及平台的问题。在工具和平台的选择上，也要融合专业特点，根据不同专业的知识背景选择不同的工具来实现算法。

对计算机专业，选择学生学过的高级语言以及使用过的开发工具和平台来进行实验，例如C语言、C#或JAVA等。因为本课程要求能够较快地实现算法及算法的结合和改进，更会要求解决新的应用型问题，这样，就需要熟练的代码编写能力，所以不适合采用新的语言和开发工具。

对电信专业，首先排除仿真软件以外的其他高级软件及其配套的开发平台，因为大多数的学生，并不具备除C语言外的其他语言的代码编写能力，如果选择某一种高级语言来做实验的话，学生需要将较长的时间花费在语言和开发工具的掌握上。所以，与电信专业其他课程的实验教学相匹配，由于学生已经掌握了多种仿真工具，本门课程的实验环节采用仿真软件来实现，例如MATLAB等仿真软件。

鉴于不同专业的背景知识和优势不同，在实验目标和内容的设置上，也应有所区别。

计算机专业善于编程、实现算法，但对于部分算法，如时频变换、采样量化等算法的原理掌握不深，所以在实验内容的设置上，尽量偏向于空域数字图像处理算法的实现，较少涉及频域。

电信专业则相反，虽然不擅长编程和实现，但由于仿真脚本的编写较源代码要简单得多，所以，可以在实验内容的设置上，适当提高难度，对于常用算法，重点掌握这些算法在实际问题中的用法，而不是实现算法流程本身。

对于研究性课题的设置也相应地融合专业特点，设置不同难度和领域的实际问题，供学生自我学习和讨论。

实验教学应采用开放式的教学方式，进行研究性教学，不是简单地设计好实验内容和步骤给学生，而是在此基础上，提出更高的要求，让学生参与进来，共同解决问题，提高学生参与度，锻炼学生用已有背景知识解决实际问题的能力。

5 在融合专业的教学方法的实践中，教师的作用如何发挥

首先，教师应坚持自我学习，不断更新知识储备，适时更换教材、扩充知识点；其次，应向学生提供完整的教学资料，包括教学演示文稿、源代码、脚本等，还应督促学生课后自己查阅相关文献；最后，转变教育观念，贯彻开放式的教学方式，注重启发性教学，并增加开放性教学环节，让学生充分参与到理论和实验教学中来。

6 结束语

本文结合自身多年教学实际经验，通过对不同专业具体知识背景和特点的分析，提出在教学中，应充分考虑学生自身因素，融合专业特点，为不同专业设计不同的教学内容和方法。经初步尝试取得了较好的效果。该教学方法适合数字图像处理课程在不同专业的教学，因此开展比较顺利。但实施中也遇到了一些困难，比如，教学学时的问题，教材选择的问题等。因此，在该教学方法的具体实施上，要解决的问题还很多。

参考文献：

[1] 杨泽平.基于计算思维的实验教学方法[J].实验技术与管理，2014，31（10）：182-184.

[2] 吴冬梅.融入研究性教学模式的《数字图像处理》课程教学改革[J].武汉大学学报：理学版，2012， 58（S2）：160-162.