基于线上线下混合式教学的“数字图像处理”课程教学改革与研究

胡 蓉 邓雄昌

（1.湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199；2.湖南科技学院 信息与网络中心，湖南 永州 425199）

随着人工智能、机器人、无人驾驶等新一代信息技术的应用和发展，计算机视觉越来越重要。“数字图像处理”课程是计算机视觉的基础课程，该课程是一门专业选修课，其综合性强，对数学和编程方面的要求较高，学习内容较广泛。“数字图像处理”课程是以实际应用为目标，在讲解数字图像处理技术基础理论及算法原理的同时，特别注意如何用MATLAB 软件编程实现一些图像处理的算法，使学生掌握图像处理的理论和方法，运用所学知识解决实际问题。

1 “数字图像处理”课程线下线上教学模式存在的问题

1.1 线下教学模式存在的问题

在以往的教学中主要采取单一的线下教学模式，这样的教学模式有利于教师对课堂纪律的管理，也可以实时关注学生的学习状态，并对其进行督促，“面对面”的教学也能够增进师生之间的情谊，促进交流。但是该传统的教学模式仍存在以下主要问题。

1.1.1 课时与教学内容之间存在矛盾

“数字图像处理”课程在许多高校的专业中属于选修课，一般课时不多，以湖南科技学院通信工程专业为例，理论和实验总学时为48。该门课程所涉及到的内容非常广泛，主要包括人类视觉感知系统、图像获取与数字化、图像基本运算、图像变换、图像增强、图像复原、图像压缩编码、图像分割、彩色图像处理、图像表示与描述等原理和技术方法[1]。一般有7∼8 章的教学内容，同时，相应的实验也需要完成。内容多，课时少，单纯依靠在课堂教学中较好地完成教学存在一定难度。由于课时与内容之间的矛盾，为了完成教学内容，在课堂中给学生讨论和发言的时间相对比较少，个别学生存在一些疑问也只能课后与老师进行交流讨论，而往往学生课后不太愿意主动来找老师解答，所以造成课堂教学效果不佳，学生的课堂积极性也会逐渐下降，忽略了学生的自主性和各方面能力的培养。

1.1.2 课堂学习深度不够

由于课时关系，以往在选取教材时，只能尽量地选取内容涵盖广，但是深度较浅的教材，或者筛选较重要的内容来讲授。这就造成了学生学完后感觉到什么都学了点，但是什么都不会用，特别是一些相关的算法，由于学习和分析不够深入，使得在编程和实际的应用中很是吃力。同时，理论课是在教室完成，在理论课堂中对于一些算法并不能在课堂中通过编程来很好地观察其处理效果，而实验课是在机房进行操作，理论学习后不一定能够立马进行实验，导致学生所学理论课与实验课有所脱节和断层，未能达到很理想的效果[2]。

1.2 线上教学模式存在的问题

由于疫情影响，为了保证学生停课不停学，2020 年上期通信工程专业2017 级的“数字图像处理”课程采用的是单一的线上教学模式。它不仅解决了课时与教学内容之间的矛盾，也能够很好地将理论与实际操作紧密结合起来。但是单纯的线上教学也存在一定的弊端。第一，对学生端听课情况不好把握。虽然进行严格的签到和考勤，但是在线上教学过程中，互动的人数仍然较少，可能存在着挂机现象，对课堂纪律难以把控。第二，少数部分学生对于发布的学习任务存在刷课现象，对学生的知识掌握程度也难以把握。第三，在上课的过程中，部分学生没有电脑，部分学生习惯用手机来听课，导致教师虽然认真备课和进行教学设计，但是学生存在敷衍现象，不愿意一起进行编程操作。所以，单纯的线上教学模式也是有利有弊的。

本文针对“数字图像处理”课程提出一种基于线上线下的混合式教学模式，尽可能地解决单一的教学模式存在的不足，充分利用线上和线下各自的优势。教学中以线下为主，通过“学习通”平台线上资源对线下的课程进行相应的补充。

2 线上线下混合式教学模式的研究与实践

2.1 线上网络平台的搭建及运用

为了能够更好地辅助“数字图像处理”课程线下课堂教学，以“学习通”为平台，搭建好本课程的教学网站，并不断地完善各模块和内容。课程门户主要包括课程介绍、课程章节、教师团队、教学资源、教学文档、参考教材以及教学实验。课程网站如图1 所示。

图1 “数字图像处理”课程网站

网络平台的运用主要包括课前、课中和课后三大部分。课前，教师通过备教材将教学内容碎片化，每个章节根据知识内容分为很多个小节，并强调每个章节的重难点部分，认真做好PPT、录制视频和章节测试等。针对教学内容中的相关图例，教师在视频中会根据相应算法通过MATLAB 编程演示其效果，并将源代码放入资料库，可供学生参考，辅助学生课后自觉进行编程练习。通过发布任务的方式要求学生在课前完成预习，提高学习自主性，也降低了线下课堂教学的难度。对于一些重难点部分设置问题情境发布讨论，让学生积极参与进来，提高学习氛围。课堂教学中，利用线上平台进行考勤，并结合大家课前预习和讨论的情况，对问题作进一步的讨论和总结。同时，还可以通过投屏的方式让大家能够直观地看到讨论区评论，也可以利用“学习通”在课堂中进行测试和答题等，增强课堂互动，让大家踊跃发言，提高学生的学习积极性，对知识学习和理解更加深入。课后，教师利用公告发布相关的学习任务，在讨论模块发布讨论内容，对完成的章节要求进行章节测试，在作业区布置相关作业，学生可以在线上完成。

以第六章“形态学处理”为例，教师会提前在“学习通”中发布通知，要求提前观看线上视频和PPT，初步对形态学的基本运算的原理和应用有所了解。针对形态学运算的应用，在讨论区发布讨论话题（例如，如何去掉两个矩形区域的中间连线，使其变为两个区域？），充分发挥学生的学习自主性。课堂教学中，教师根据学生自学情况，对形态学中的4 种重要运算（腐蚀、膨胀、开运算和闭运算）的原理进行深入讲解，并通过案例进行编程，分析和总结其应用。学生在较好地掌握4 种基本运算原理后结合讨论区问题进行研讨分析，并利用预先录制好的编程视频向学生演示，让学生能够直观地观察其处理效果。课后，教师将教学资源上传并发布下一个通知等。各线上教学活动如图2 所示。

图2 “数字图像处理”课程线上教学活动

图2（续）

2.2 线下课堂教学的组织

2.2.1 教学内容的选取

通过结合线上教学，可以有效地解决课时和教学内容之间的矛盾。在教材选取方面，可以选取内容更深的教材。选用何东健主编的《数字图像处理（第三版）》“十二五”本科国家级规划教材。虽然所授内容涉及到8 章，但是对于一些小节，学生可以通过教师提前准备好的PPT 和视频进行自学，对于存在的问题也可以在线上和线下参与互动。在线下的课堂教学中对于部分知识会讲解比较快速，主要解决学生自学中常遇到的问题，讲授每章节的重难点内容，并对一些结论性的内容让学生积极参与讨论，使其理解更加深刻、透彻。所以，可以使学生学习内容不仅有广度，而且有深度，同时，也能够提高学生学习自主性。

2.2.2 课堂教学的组织

采用线上线下混合式教学需要教师花费更多的时间进行教学设计，如果线下内容和线上学生预习的内容完全一致，那么线下的课堂将会比较机械、乏味。线下课堂也分为三大部分组织教学：课前、课中和课后。课前教师认真分析教材，筛选知识点，分清重难点，并结合线上学生学习情况选取线下教学内容并进行教学设计。由于学生在线上已经进行自主学习，课堂中对于一些重难点可以采用研讨式教学。课前由教师在“学习通”发布任务（例如第三章图像增强设置研讨专题：针对原图像重要目标区域偏亮或者偏暗，整幅图像偏亮或者偏暗，如何在第三章中选取合适的算法进行增强处理？），由学生分组来完成。课中，以学生为主体，充分发挥其主观能动性，针对问题分组进行研讨，最后教师进行总结。同时，在此过程中可以结合“学习通”进行相应的一些小测试，现场检验学生的学习情况，巩固学习内容。也可以通过投屏的方式，将学生在“学习通”讨论区的发言和问题在班上进行讨论，提高课堂整体的学习氛围，做到有问题及时解决，知识及时消化吸收。课后，根据课堂学习情况，及时改进教学策略。

利用线上教学平台，教师在录制的学习视频中会进行相关算法的编程讲解，可以直观地看出其处理效果，给学生的编程操作打下一定的基础。所以，在线下的实验教学中，应以培养应用型人才为目标，尽可能多地开设综合、设计和工程类实验，将所学的知识系统地运用起来，能够解决实际的图像处理问题，做到学以致用。例如，第三至五章分别涉及图像的高低频滤波和几何变换。采用混合式教学模式后，在录制的视频中已有这三章的基础实验案例，所以实验课中可将此三章实验内容作为一个综合性的实验（例如，爱因斯坦一秒变梦露之谜）。其中需要运用和选取合适的高低频滤波算法，也需要对图像进行相应的几何变换操作，将第三至五章的知识有效地结合并运用，提高学生的编程能力。

2.3 课程考核

课程考核以考查形式进行，充分利用“学习通”平台，采取线上考核方式[3]。具体的考核比例如表1 所示。

表1 考核比例分配（百分制） 单位：%

3 结 语

本文针对“数字图像处理”课程，分析了单一的线上、线下教学模式的利弊，提出一种线上线下混合式教学方案。虽然已对该方案进行深入地研究，但在后续的教学改革中，仍有许多地方需要改进和完善。例如，教师科研水平的提高以及在线下教学中应尽可能地结合一些项目来进行，这样更加符合应用型人才的培养要求。