基于 PBL 模式的《数字图像处理实验》课程的教学改革与实践

徐晨光 张绍泉 邓承志

摘要：新工科建设对南昌工程学院《数字图像处理实验》课程提出了新的要求。作为应用型为主的实验课程，传统的教学模式已不利于培养未来新工科所需的人才。PBL教学模式能够较大的提高学生的学习兴趣，激发学生的学生潜能，增强学生与学生、学生与老师间的协作配合能力。文章把PBL教学模式引入到《数字图像处理实验》课程中，从优化教学方法、考核方式、角色互换等多方面出发，以提高和完善我校该课程目前现有的实践教学方式和教学质量为目的，为应用型为主的实验课程的教学模式提供借鉴。

关键词：PBL;数字图像处理;实验课程;教学改革

一、引言

基于问题的学习（problem-based Leanling，简称 PBL），发端于 20 世纪 60 年代西方医学教育领域内的改革，巴罗斯教授制定的“三年规划”标志着 PBL 的诞生[1]。国外最早使用 PBL 进行教学的是美国的神经病学教授霍尔德·巴罗斯（Howard Barrows） [2]在加拿大的麦克马斯特大学首创，强调学习要围绕着具体而复杂的任务和问题展开，鼓励学生自主学习、反思式学习、培养学生高级思维能力[3-4]。而我国则在 1986 年引入该模式，并在上海第二医科大学和原西安医科大学进行尝试引入[5-6]，近年来教育者们在各个不同的领域中都引入了 PBL 模式。该模式被誉为“多年来专业教育领域最引人注目的革新”[7]。在新时代新工科背景下，培养符合 PBL 的学习模式，能够较大的提高学生的学习兴趣，激发学生的学生潜能，增强学生与学生、学生与老师间的协作配合能力[8]。

《数字图像处理实验》课程是电子信息类专业的必修实验课程，是理论教学的补充，是理论与实践相结合的总要手段之一，也是一门涉及多学科的交叉实践课程[9]。涉及到的相关专业有电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术和自动化专业等。同时也是机器视觉、多媒体通信技术等的必备基础实践课程。

目前，在我校大多数实验环节，往往习惯于“教师讲、学生听”的授课模式，而且在大部分传统的教学方式上，教师和学生对课程的实践部分都不够重视，导致实践与理论相互脱离，学生在课本上所学的知识无法与实践内容结合起来。在新时代新工科背景下，研究如何将 PBL理念引入到《数字图像处理实验》课程教学的改革，对于提升课程教学理念內涵、培养学生工程素养和创新能力、适应社会、行业和相关产业发展需求等方面具有重要意义。

二、《数字图像处理实验》课程的传统教模式

2.1 传统的教学模式

以前，我校《数字图像处理实验》课程和大多数实验课程的教学模式一样，都是老师介绍、讲解、演示后再指导学生操作。当学生进行某一实验时，指导教师会先对该实验的原理和方法、实验目的、要求、注意事项、实验步骤等等内容进行详细的讲解和演示，一直到得到实验结果。然后要求学生重复老师操作过程，对照实验指导书做错相同的结果，最后经过检验合格就算实验通过[10]。

长期以来，指导教师和学生都已经习惯于这种“教师讲、学生听”的授课模式。采用这种教学模式，每个实验的内容都是从基础理论到简单实践，完成的实验都是本实验课程内的最简单的内容，与其他实验、方法、技术基本没有关联性。这样零散的既定的实验很难使学生掌握数字图像处理的整个处理过程，无法培养学生的创新能力，无法从整体上去了解数字图像处理的原理。例如，在图像去噪的实验中，如果按照目前的实验内容，学生很容易通过实验指定的方法完成图像去噪。但是，换成别的图，给定的方法就不一定适用。对其他不确定噪声的图像，如何选取较好的去噪方法，就不是一个简单的问题了。

2.2 传统的考核方式

以前，我校《数字图像处理实验》课程与其他课程一样，都是以分数来体现学生的成绩和名次的。实验课程的分数主要由现场操作、考勤和实验报告完成情况等几部分组成，由于各实验要求完成的实验内容形式单一且简单，所以很难从实验过程上区分出学生的掌握情况。经常出现学生的成绩基本相近的情况。这样的考核评价方式明显暴露出采用传统的教学模式进行实验教学存在的弊端。

三、PBL 模式的《数字图像处理实验》课程的教学改革

3.1 基于PBL的教学模式

基于PBL的教学模式，是先给学生布置“问题”，让学生按小组自己去想办法，通过查资料、试验研究、探索等等一系列工作直至解决“问题”。在解决问题的过程中，学生起主导作用，教师起辅助、协调、保证安全等作用。这种教学模式不仅对学生是一种挑战，对指导教师也是一种考验。因此，对教师和学生而言，这种教学模式的改变不可避免地存在障碍性问题。要解决这一问题，需要对上课学生进行实验前的说明，让学生充分认识实施PBL教学模式的重要意义，了解教学过程，课前做好充分准备，参加并完成学习任务。同时对实验课教师进行一定的技术能力和组织能力的培训，提高PBL教育能力。

在前面应对不确定噪声图像去噪的例子中，解决这一问题，需要学生在实验之前，进行学习、查资料、研究、探讨等大量的准备工作。同样，也要求指导教师不能只有单一实验的技能和知识，还要具有丰富的知识、指导能力、组织能力来帮助或解决教学过程中学生面临的问题。

3.2 基于PBL的考核方式

PBL教学模式注重学生的综合能力，如查阅资料能力、团结合作能力、创新思维能力、发现问题并解决问题的能力[11]等等。所以，对学生成绩的考核方面，与传统的教学方法截然不同。PBL教学模式更注重解决问题的过程，可以解决采用传统教学模式学生成绩拉不开档次的问题。但是，对指导教师的要求更加严格，要求指导教师认真抓好PBL教学过程，掌握学习小组的每位成员的平时表现，根据完成任务（即解决问题）所做的贡献，公平合理给学生评定成绩。

3.3 PBL模式下角色互换

PBL教学模式，师生角色发生了很大的变化。从以教师教为主的“讲授”模式转变成“以学生小组为中心研究讨论解决问题”的模式。在这种模式下，教师需要不断提升个人的能力，培养具备PBL教学模式所需的组织能力、管理能力和创新思维能力。学生需要以小组的形式，针对“问题”去查阅资料、研究讨论、互相合作、回顾反思进而解决问题。要求学生投入大量的课外时间，具有学习主动性、积极性，具有团队意识和合作能力，还要求学生在寻求答案的过程中发挥创新思维能力[12]。学校需要建设PBL专用题库，该题库是针对“问题”的设置和制定多种解决“问题”的方案而设计的。题库中“问题”的设计，不仅要符合《数字图像处理实验》的教学目标要求，还要配合专业的培养目标，遵从知识综合性、真实可用性、趣味性、研究探索性、结果可验证性及答案不唯一性等原则，而且要在内容和格式方面规范化[13]。

四、已有成效

通过三年持续不断的PBL教学模式《数字图像处理实验》课程的改革和实践，学生对PBL教学模式认可度和认同感有很大的提高，课程的分数和学生的学习能力也逐年增加。学生实践和创新能力增强，我校电子信息工程和通信工程专业近三年学生参加国家级、省级、校级的比赛积极程度增加，获奖率也逐年增多。获得省级创新创业项目十余项，国家级项目3项目。

本文将 PBL 理念引入到《数字图像处理实验》课程的教学中，通过优化教学方法、考核方式、角色互换等多方面对本校《数字图像处理实验》课程进行完善和创新，并取得了初步的成效。这些成果也为应用型为主的实验课程教学模式改革提供了较好的经验，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]王金柱，刘艳芳.浅论 PBL 的理论基础[J].考试周刊，2013（28）：170.

[2]吴刚.基于问题式学习模式（PBL）的述评[J].陕西教育（高教版），2012（04）：3-7.

[3]李开竟.小学信息技术“问题式”教学模式探究[J].科学咨询（教育科研），2014（02）：20.

[4]叶月梅.基于問题式学习促进深度学习的实践与思考——以“动物的有性生殖”教学为例[J].文理导航（中旬），2018（04）：80-81.

[5]肖桂华.PBL+LBL双轨教学在大专《妇产科护理学》理论教学中的应用研究[D].成都中医药大学，2016.

[6]任松，周蕊 .基于PBL教学模式的医学教学现状与优化策略研究[J].科教导刊（中旬刊），2016（04）：106-107.

[7]武琴. PBL+LBL双轨教学模式在中职《网页设计》教学中的应用[D].天津职业技术师范大学，2020.

[8]李瑞芹.基于问题的教学模式（PBL）在中职信息技术课中的应用研究[D].首都师范大学，2008.

[9]陈丽芳，刘渊，詹千熠，潘祥.《数字图像处理技术》课程实践教学改革研究[J].数码世界，2020（08）：150-151.

[10]刘春城，李爽，刘杨，杨军，赵月.工程训练课程对PBL教学模式的障碍性研究[J].实验科学与技术，2021，19（03）：51-55.

[11] PRATIWI S N， CARI C， AMINAH N S， et al. Problem-based  learning  with  argumentation  skills  to  improve students’ concept understanding[J]. Journal of Physics：Conference Series， 2019（1155）： 1−7.

[12]梁燕，汪青，钱睿哲，等.从学生的视角看PBL教学实践的效果和努力方向[J].复日教育论坛，2009， 7（4）： 92-96

[13]刘春城，张树军，张国斌，等.采用PBL教学模式进行工程训练时“问题”的设置[J].实验技术与管理，2012， 29（6）： 143-145.

作者简介

徐晨光（1985-），男，南昌工程学院信息工程学院，中级。（江西 南昌330099）

基金项目

本文系南昌工程学院教学改革研究课题 （项目编号： 2020JG028）;江西省教育科学规划课题（项目编号：21YB218）;江西省学位与研究生教育教学改革课题（项目编号：JXYJG-2016-162）