科研成果转化为课堂教学案例的探索与实践

刘文萍，王忠芝，宋以宁

（北京林业大学 信息学院，北京 100083）

0 引 言

2016年《教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》指出，提高人才培养质量是高等教育的核心任务，深化教育教学改革是新时期高等教育发展的强大动力。大学教育是培养适应社会、能够为社会服务的建设型人才。教育的目的不仅仅停留在知识的传授上，在学生获得知识、技能的同时，还应培养学生的创新能力、实践能力和自我学习能力[1]。传统教学方法主要是老师讲、学生听，学生是否听课或听懂多少内容，教师只能通过期末考试才能了解，且学生通过“听”学到的只是知识而非能力的提升。作为数字媒体技术专业的教师，如何在本科专业课教学过程中既传授枯燥抽象的理论知识，又能培养学生的创新能力，是我们在教学中认真思考并不断探索的问题。高校教师除了教书育人外，也是一名科研工作者。如何将丰硕的研究成果反哺课堂教学，使得科研与教学有机结合、相辅相成，是专业课教师关注的另一个问题。

数字媒体技术专业课程理论性较强，涉及的概念和算法也很多。如果在课堂教学中照本宣科，势必会令学生感到单调、乏味，教学效果欠佳。由美国哈佛法学院院长Langdell首创的案例教学是一种具有启发性、实践性，能提高学生创新能力和综合素质的教学方法，通过对一个具体教育情景（案例）的描述，引导学生对此特殊情景进行讨论的一种教学方法。在分析过程中，学生根据教师提出的问题，自己寻找解决问题的途径和手段，以加深学生对基本原理和概念的理解，激发学生的学习兴趣，从而培养学生独立分析问题和处理问题的能力[2]。因此，将科研成果转化为教学案例，在理论知识教学环节引入相关的科研成果编写成案例，并在课堂上以启发式和讨论的方式与学生一起分析案例，能够帮助学生理解并掌握课程的理论难点。此外，学生在课程理论内容全部讲授结束后，还可以将每一章节的理论知识与对应案例相结合，达到理论知识融会贯通的学习目的，使学生扎实掌握课程内容，又培养解决实际问题的能力。

1 科研成果转化为教学案例的意义

本科教学是大学教育的基础，科研工作反映了专业理论知识的实际应用及学科发展前沿。从教学及科研活动的实质看，“教”与“研”本身是相辅相成、相互促进的关系。中科院院士钱伟长说过，“你不教课，就不是教师；你不搞科研，就不是好老师。大学必须拆除教学与科研之间的高墙，教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育”[3]。科研转化成课堂教学案例的意义主要有以下几点。

1.1 丰富课程教学内容，拓展教育资源

数字媒体技术专业属于工科类专业，专业课程基本是按教材授课，课程内容理论性比较强，如果用灌输式教学方法讲授，学生感觉会很抽象乏味，课堂教学效果欠佳。将科研成果转化为课堂教学案例，可丰富更新教学内容，增强教学内容的学术性和前沿性，从而增强教学内容的深度和广度。

1.2 激发学生的学习兴趣，提高教学质量

在以往的课程教学过程中，学生经常会问学这门课有什么实用价值。我们将科研成果中与专业课程相关的内容提炼成教学案例作为教学内容的补充，并在撰写教学案例时会充分考虑学生的能力和专业基础，案例中的理论知识由浅入深编排，能引起学生对专业的学习和科研兴趣。此外，案例教学主要采用的启发式和互动讨论的形式代替了传统灌输式的教学模式，让学生由知识的接收者转化为知识的探索者，引导学生的学习主动性，进而提高了教学效果。

1.3 锻炼学生的科研思维，培养具有创新意识的应用型人才

科学研究主要是重视思考或讨论，这些方法对于本科学生来说都是不可或缺的。大学生较早地了解专业的科研方向及科研前沿，甚至参与到教师的科研工作中，能够极大限度地激发学生的科研兴趣，拓展学生的思维，激发学生的创新欲望，不断提高学生的自主学习能力、创新思维与实践能力，为步入社会打下坚实的基础[4]。

2 科研成果转化为理论教学案例实践

将科研成果撰写为教学案例是将抽象深奥的专业理论知识以应用实例的形式展现出来，让学生直接感受到所学理论知识的功用，可提高学生对专业课程的学习兴趣。案例教学师生互动的讨论模式能极大限度地激发学生的学习兴趣，帮助学生理解抽象晦涩的专业知识。笔者在数字媒体技术专业本科生的专业基础课“数字媒体技术基础”和专业必修课“数字视频技术及应用”的教学实践中，积极探索将科研成果转化为理论教学案例的案例式教学模式，取得了较好的教学效果。

在“数字媒体技术基础”课程教学过程中，数字图像的纹理特征及其应用是最难理解的内容之一，但它又是图像处理、分析、识别等后续内容的理论基础。在以往课堂教学中，教师先介绍图像纹理及纹理特征的定义（图像纹理是指在图像中反复出现的局部模式和它们的排列规则；纹理特征是对区域内部灰度级变化的特征进行量化），然后介绍两种常用的图像纹理特征——分形维数和缝隙量（分形维数FD通常表征纹理的粗糙程度，图像纹理越粗糙，FD值越大；缝隙量Lacu则表示了纹理的疏密程度，纹理密（疏）时Lacu值小（大））。由于这些概念较为抽象，在课堂讲授这部分内容时，教学双方都感到很困难。为了帮助学生理解和掌握图像纹理特征及其应用，笔者将国家林业局林业公益性行业科研专项“重大森林虫灾监测预警的关键技术研究”（201404401）中与图像纹理特征相关的科研成果及应用转化为教学案例“图像纹理特征及其在林业病虫害监测中的应用”。首先，展示几种不同的纹理图像及其FD、Lacu值，让学生对图像纹理及纹理特征有感性认识，然后再展示受灾油松和健康油松图像，并对比它们之间的差异和特征值大小（如图1、2所示），帮助学生理解图像纹理及纹理特征值的概念和应用。由于在案例中首先展示了不同飞行高度无人机拍摄的林区鸟瞰和正射图像及视频，吸引了学生的注意力，然后再介绍利用纹理特征对受灾油松图像进行分析，并结合地面失叶率调查结果，最终得出单株油松图像的分形维数可有效判定其受灾等级的结论，让学生理解抽象的图像纹理概念及其应用，同时了解到本课程学习的实用性，增强学生的学习兴趣。

在对“数字视频技术及应用”第3章视频结构分析及视频分割技术的教学过程中，笔者将北京市教委面上项目“基于高层语义的新闻视频检索技术应用研究”（KM200710009005）的部分科研成果分解成“新闻视频结构分析”和“新闻字幕定位及分割”2个教学案例。在讲授完视频结构分析中的镜头边缘检测算法后，给出了“新闻视频结构分析”案例，其中使用的“字幕事件检测”帮助学生理解和掌握该章的重点和难点——镜头边缘检测技术。新闻结构分析后如何检测用户需要的新闻？提出一个问题，答案在下次课“视频帧内分割”的教学内容中。此次课主要采用案例“新闻字幕定位及分割”进行教学，将上次课的“新闻视频结构分析”案例中检测到的字幕帧经过灰度化、边缘检测、连通区域标记等定位出字幕区，然后利用图像阈值分割方法提取字幕并识别，最后用户只需输入关键词即可对新闻进行检索。这一系列处理都与视频帧内分割技术相关，通过这个案例教学，可以夯实学生这部分的理论知识，并能将课程内容与“数字图像处理技术”的相关内容联系起来，增强学生对数字媒体技术专业学习的兴趣。

图2 图像纹理及其缝隙量Lacu

讲授“数字视频技术及应用”第5章运动目标检测技术时，首先播放一段用于安防的视频监控系统录像，并向学生提出“该系统是如何自动检测出非法入侵者的？”，以启发学生积极思考并带着问题听课，通过讲授基于图像帧间差的运动目标检测的思想和常用方法后，学生就能基本掌握非法入侵检测技术，最后以某公司委托笔者研发的油田抽油机异常运行状态检测系统为案例，与学生一起结合本节课学习的“运动目标检测算法”分析应该如何对抽油机异常运行（停机、速度异常）状态进行检测，学生主动思考并积极发言，提出各自的技术方案，结合技术应用的具体场景，给出项目所采用的具体方法和技术路线。通过这个案例教学，加深了学生对本课堂教学内容的理解。同时，通过挖掘一些方案存在的可行性及实用性等问题，引导学生要注重理论联系实际，培养他们分析问题和解决实际问题的能力。课程的教学评价结果（见表1）表明：在课堂教学中实施基于科研成果转化为教学案例的案例式教学模式，在一定程度上提高了教学效果。

表1 “数字视频技术及应用”课程教学评价

3 结 语

针对数字媒体技术本科生专业课程实践性强、时效性强的特点，结合科研中的实际问题，将科研成果转化为教学案例，更新教学内容，突出课程内容的专业性和实用性，这种教学方式对“教”“学”双方都起到了一定的促进作用。一方面，学生了解了专业知识的实用性，引起其课堂学习的兴趣，又培养了本科生的创新能力及科学素养，引导学生求真学问、练真本领。由于案例中是基于应用场景提出问题，学生必须首先理解所学的理论知识，经过缜密地思考，融会贯通才能提出可行有效的解决方案，这应视为能力上的升华。另一方面，学生提出的方案要求教师对其中存在的问题予以校正，这也促使教师深入思考，并根据不同学生提出的解决方案了解他们对课堂知识掌握的程度及存在的问题，补充完善教学内容，对教师教学也提出了更高的要求，促使教师热爱教学、倾心教学、研究教学。

国以才立、业以才兴，高教大计、本科为本。教师在开展科研工作取得高水平研究成果的同时，应注重及时将研究成果、国内外研究动向以及科学方法融入本科专业课课堂教学，不断丰富、充实和提升教学资源。同时，在将科研成果转化为教学案例的过程中，教师会无形中将科学精神、人文素质、创新意识等传授给学生，学生不但学到了理论知识、扩大了知识面、改善了知识结构，而且还能促进学生主动学习、思考、探索与创新，从而有利于培养出具有一定竞争力的综合性应用人才，为我国高等教育强基固本，加快建设高等教育强国。