数字图像处理课堂教学研究与探索

蒋斌++张俊松++孟颍辉++张静++张秋闻

摘 要：针对数字图像处理课程在教学中存在的数学公式繁琐、理论性强、学科交叉密集的特点，分析学生和教师两个角度问题存在的原因，从教学内容、教学方法等方面提出相应的改进方案，阐述对数字图像处理课堂教学和实验教学的研究与思考。

关键词：数字图像处理；教学模式；研究与探索

0 引 言

数字图像处理是信息专业的重要必修课程，在本科生就业以及研究生深造方面都起到了重要的指导作用。一方面国内外著名企业腾讯、百度、谷歌、华为等公司都在数字图像处理的研发上投入了大量的精力，另一方面国内众多高校和科研院所也将数字图像处理作为重要的研究方向。因此学生在本科教学阶段掌握的数字图像处理知识，将为毕业生未来的发展提供必要的技术储备和研究基础。然而数字图像处理的课堂与实验教学还存在一些亟待解决的问题，如果能够较好地解决这些问题，就意味着学生能缩短从事数字图像处理领域各个具体方向的入门时间，提高数字图像处理的人才培养效果，减少本科生所学知识与数字图像处理市场需求之间的差异，使得学生毕业后能够尽快胜任大部分实际图像处理工程[1]。

1 数字图像处理课程的教学现状

通过对数字图像处理课程教学的归纳总结，发现学生在数字图像处理的学习过程中存在以下3个主要问题：①缺乏对数学方法的学习兴趣。从对课堂教学的观察中发现学生在绪论等数学公式不多、多媒体实例丰富的教学环境中，具有极大的学习热情；而在数学原理复杂，例如图像复原章节的学习上，课堂注意力明显不够集中，与教师的互动也呈现下降趋势。②缺乏解决问题的思路和方法。在对课程作业的批改中发现学生擅长直接套用定理和计算公式得出答案，对于解题条件改变或没有明显公式暗示的题目，学生的答题情况并不乐观。在对期末试卷的评分中进一步发现学生在对综合题目的分析和解答上，仍存在一定的不足。③缺乏在实际项目中的训练。在课下与学生的交流中，学生普遍反映对数字图像处理的应用非常感兴趣，但是如果面临实际项目，又会产生实践训练不够、工作力不从心的担忧。

2 对存在问题的剖析

以上3个问题是目前制约学生在学习数字图像处理的过程中面临的主要问题，我们分别从学生与教师两个方面，分析上述问题产生的原因。

（1）对学生而言，课程需要的数学概念较多。这里以所用教材[2]为例，通过表1展示了数字图像处理课程所需的数学知识，从中可以看出，数字图像处理涉及的数学知识几乎涵盖了信息专业的全部数学课程。因此学生在学习时需要对以往的数学知识进行有效的梳理和及时的复习，否则就会造成理解力不足的困境，进而拖延学习进程；而且数字图像处理课程还引入了更多的数学知识。例如：仿射变化是对基本坐標变换的深化，图像恢复不但引入了优化理论的概念，还将高等数学中针对实函数的拉格朗日乘子法用于矩阵计算之中。这些新的数学知识都增加了学习难度，极易引起学生的畏难情绪。对多数教师而言，首先默认学生已经掌握了上述基本的数学知识，就会忽略对相关数学概念的复习和重视，师生之间缺乏互动；其次，非数学专业的教师很难深入浅出地对数学公式的原理进行说明，多是按照自己的理解照本宣科，讲述内容不够生动，因此学生在面临复杂的数学公式、定理时，学习起来自然如食鸡肋。

（2）对学生而言，不少人习惯于接受式、被动式的学习，学习了A方法就可以解决A问题，学习了B方法就可以解决B问题，而很少分析方法的本质是什么，某个方法为何适用于某类问题；缺乏主动思考，多数教材介绍的问题和方法都是最典型的问题和最直接的方法，学生所学有限，遇到问题自然技穷。对教师而言，不少数字图像处理教材限于篇幅，仅是罗列了方法的对应公式，并没有提供该方法的详细介绍。还有一些方法直接引用了某篇文献，使得教师需要花费大量时间查找、理解方法的内容，增加了教学工作的准备时间，影响了教学工作的进度。最主要的是一些新方法涉及很多数学概念，学生在现有的知识层面上很难理解。如果详细讲述，容易偏离教学进程，增加了学生的理解难度；若是泛泛而谈，又对学生没有直接的帮助，因此教师也处在一个左右为难的尴尬境地。

（3）对学生而言，担忧体现在两个方面：①实验课程学时不足。学生在有限的时间里，无法将教材中所有的方法都编程实现，进而验证自己对方法的掌握程度[3]；②实验侧重于训练学生对数字图像处理基础知识的掌握，与实际项目相比还存在较大差距，学习到的知识还不足以应对企业的需求。对教师而言，难题有二：①如何设计合理的实验项目，既能巩固学生所学知识，又能使学生掌握新的方法；②企业根据市场的需求在不断变化对数字图像处理人才的具体要求，目前数字图像处理行业对FPGA数字图像处理的需求在逐渐加大，然而非嵌入式专业的学生需要掌握的相关知识超出了数字图像处理所涵盖的范围，这就对教师提出了更高的专业要求，并希望教师能对行业的发展具有较为明确的认识。

3 对策与思考

在分析了上述问题的原因后，需从以下4点着手：

（1）加强与学生的沟通，提升教学质量。数字图像处理是应用数学知识较多的课程，虽然著名科学家霍金认为多写一个公式就会吓跑一半读者，但是我们不能为了减少公式，而缩减授课内容、降低授课质量。开课前期尽快了解学生对数学知识的掌握情况，才能确定教学内容上的关键点，提前准备好数学内容的介绍，使学生更容易接受所学的理论，减少畏难情绪。建立好基础课、专业基础课和专业课之间的联系。例如，2015—2016学年，我们在讲授图像编码章节时，说明了图像编码隶属于通信过程中的信源编码，二者都追求以最少的数据量承载最多的信息。将通信原理、信息论与编码这两门专业基础课程和数字图像处理联系起来。在讲解变长码优点时，又帮助同学们回忆了数据结构课程接触到的汉明码（Hamming Code）概念，进而对比分析了等长码的不足，极大地提高了学生的学习兴趣，促使学生自觉地归纳、思考专业基础知识。

同时教师也要思考如何用生动、形象的授课方式来吸引学生的注意力。我们采用了两种方法：首先，借鉴著名教材的成功经验。例如，周志华教授在《机器学习》一书中形象地采用挑选“西瓜”作为机器学习众多知识点的引例，将基本术语、学习过程以及学习方法娓娓道来，增强了读者的印象，对于数字图像处理的讲课技巧有很大启发。其次，搜集图像处理研究者提供的开源演示视频，进而分析影像背后对应的数字图像处理概念，使学生在巩固图像处理知识的同时拓展了眼界。endprint

（2）加强对课程的认识，增加教学内容。数字图像处理是与其他领域联系较多的课程，信息论与编码、信号与系统、模式识别、机器学习、人工智能、数据挖掘等信息类课程都与数字图像处理在内容、方法和应用领域方面存在着交汇。因此，教师应当介绍数字图像处理知识点与上述课程之间的联系，使学生将本专业的知识融会贯通，有利于拓展分析和解决问题的思路，从横向上提高学生理解问题的能力；另一方面，教师要提前做好功课，在不影响教学进程的前提下，增加对经典方法的引申和扩展，从纵向上提高学生处理问题的能力。

（3）加强和业内的交流，提高实验效率。数字图像处理是实用性较强的课程，不断更新自身的知识储备，增加对该领域就业需求的了解；制定出合理、明确的实验方案，明确其他学科与图像的联系[4]，才能在有限的时间内，完成对学生的实践训练，增强学生解决数字图像处理问题的能力和信心。我们以MATLAB仿真平台为工具，以冈萨雷斯[5]提供的标准图像库为测试数据，配合数字图像处理理论教学，使学生在有限的10个实验学时内，独立完成8学时的验证性实验和2学时的综合性实验（见表2）。

尤其是综合性实验，教师将给出一个模拟项目，要求学生在规定时间内独立地分析问题、解决问题，提高对广大学生的实践锻炼。郑州轻工业学院的数字图像处理团队承担了多项国家自然科学基金课题，内容包括图像分割、图像质量评价和图像视频编码。我们选拔优秀学生，参与到教师的实际项目之中，培养学生的实践能力和经验。

（4）加强考核的难度，侧重综合能力的考核。近5年，我校数字图像处理考题中80%的题目考核的是学生掌握的基础概念。2017年我们将综合分析类题目的比例增加到30%，并根据考核情况以及在教学过程中的调研，不断调整综合分析类问题的内容，使之发挥更好的实战效果。改革后的考核强调学生对知识的理解和运用，更加注重考查学生的知识积累和应变能力。

4 结 语

数字图像处理课程的思考是我们在实际教学过程中发现并逐渐总结的。由于该课程的教学时间尚短，调研样本还不够丰富，所以一些观点难免存在局限性，这就需要教师在今后的教学工作中不断地去发现、思考、总结，找到更好的传授数字图像处理知识的方法，为学生打好就业与深造的基础。同时，在当前大力提倡工程教学的背景下，教学模式改革是一个长期的、任重道远的任务，对教师的要求不断提高，教师不仅要具有深厚的理论功底，还要具备较强的工程实践经验[6]，这也促进教师将教学与科研联系起来，通过科研反哺教学，以此实现二者的良性互动。

参考文献：

[1] 朱旗， 孙涵. 数字图像处理课程教学模式改革研究[J]. 科教导刊， 2016（2）： 107-108.

[2] 章毓晋. 图像工程（上冊）图像处理[M]. 3版. 北京： 清华大学出版社， 2012.

[3] 沈晓晶， 王艳， 赵慧娟. 应用型院校数字图像处理本科教学探索[J]. 计算机教育， 2012（1）： 86-88.

[4] 谭光华， 李仁发. 本科图形图像课程一体化教学模式[J]. 计算机教育，2014（8）： 41-43.

[5] 冈萨雷斯. 数字图像处理[M]. 3版. 阮秋琦， 译. 北京： 电子工业出版社，2011.

[6] 汪军， 强俊. 面向应用的数字图像处理课程教学模式的研究[J].重庆工商大学学报（自然科学版）， 2015， 32（5）： 94-98.

（编辑：郭田珍）endprint