“数字图像处理”课程教学改革

陈颖频，喻 飞，王灵芝，林 凡，陈育群

（闽南师范大学 物理与信息工程学院，福建 漳州，363000）

0 引言

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》。闽南师范大学深入贯彻落实教育部指示，于2017年申请环境工程、电子信息工程、食品科学与工程三个专业的IEET（Institute of Engineering Education Taiwan）工程教育认证。闽南师范大学的电子信息工程专业于2018年12月16-18日接受工程认证专家实地访评，并于2019年获工程教育认证。工程教育认证秉承三大核心理念，即以学生为中心、学习产出的教育模式OBE（Outcomes-based Education）［1］、持续改进［2］。

本文通过工程教育背景下的“数字图像处理”课程改革反映工程教育认证对教学效果带来的正面影响，重点围绕以学生为中心、毕业要求与课程目标的关系、成果导向理念的应用、持续改进等方面论述工程教育背景下的工科课程教学改革［3］。在后文中将详细阐述如何根据人才培养方案的核心目标确定课程目标，如何有效在理论教学和实验教学中贯穿工程教育认证的三大核心理念，同时展示了课程教学改革一年来取得的成效。

本文在工程教育方面的主要贡献有：

（1）归纳出工程教育认证中三大核心理念的意义和价值；

（2）实践和探索了工程教育认证三大核心教学理念；

（3）总结了本次教学改革以来取得的教学成果，对工科其他课程具有一定的参考价值。

本文余下内容组织如下：第二部分从理论教学方法和实验教学方法阐述工程教育背景下的课程教学改革具体措施。第三部分展示了教学改革一年来取得的教学成效。第四部分总结全文。

1 “数字图像处理”课程教学改革

1.1 课程目标的制定过程

工程教育认证要求受认证专业制定专业毕业要求和课程目标，并在课程目标中支撑毕业要求。闽南师范大学电子信息工程系的教师充分与企业专家、外校同行、毕业校友、在校本科生进行沟通，制定出本科人才培养计划中的毕业要求与课程目标。在确定了人才培养毕业要求之后，课程教研组组织专任教师根据毕业要求确定相应的课程目标，确保开设的课程能够有效支撑学生毕业要求的培养。

图1展示了课程目标的制定过程。从图中可以看到，工程教育认证背景下，对课程目标制定以及课程内容的制定是非常严格的，需要考虑到学生的就业和深造，同时要关注企业需求以及外校同行的开展情况。通过科学的课程目标制定机制，有利于课程组对课程开发的全局进行把握。

图1 课程目标制定过程示意图

经过上述过程，课程组制定了如下课程目标：课程目标1：能通过数学理论和信号处理理论理解、建模图像处理问题；课程目标2：能利用高级编程语言求解图像处理领域复杂工程问题（体现“成果导向”的教学理念）；课程目标3：能通过设计实验及实验数据得到合理有效的结论（体现“以学生为中心”的教学理念）；课程目标4：能通过搜索和阅读中外文文献获得解决图像处理领域复杂工程问题的方案（体现“持续改进”的教学理念）。不同于传统课程目标，本次课程目标的制定，充分体现了工程教育认证中的三大教学理念，明确了课程目标和人才培养方案毕业要求的支撑关系。

1.2 理论教学方法改革

1）“以学生为中心”理念的理论教学设计

“以学生为中心”的教学理念包括如下几层含义：①.把学习的主体地位还给学生，促进学生自主学习，激发其自学能力；②.尊重学生的个体差异，形成循序渐进的教学体系，充分引导学生进入自主学习的主体地位；③.教学过程中的所有教学设计、讲解，都应以服务课程目标，最终达到服务学生的功能。

课程组在贯彻“以学生为中心”的教学理念时，主要有下列几个举措：课程目标的制定，翻转式教学，层次化教学，以及结合毕业设计的课程开发模式。课程目标的制定本质上也是贯彻“以学生为中心”的理念，在图2中有详细介绍，这里不再赘述。下面重点介绍“翻转式教学”、“层次化教学”以及“课程与毕业设计融合教学模式”的教学举措。

图2 “以学生为中心”教学理念的课程教学举措

（1）翻转式教学：工程教育认证背景下，笔者采取翻转式课堂充分调动本科生的参与度，改变了教师课上“一堂灌”的教学模式，让学生带着问题讨论，然后由教师点评，真正做到“以学生为中心”的转变。在教学内容的把关上，课程组引入国际权威期刊论文和业界顶级会议论文作为专题研讨的对象，将这些论文中涉及的课程重要知识点加以总结，呈现在课堂中，引导本科生思考课程知识在工程中如何应用。表1记录了“数字图像处理”课程中的“翻转式教学”讨论内容。从表1中可以看到，课程安排的讨论问题都是具有一定挑战度的，本科生在进行翻转式讨论之前，需要查阅大量的文献资料，有利于本科生提高文献搜索能力、问题分析和解决能力。

表1 “数字图像处理”翻转式教学专题讨论课

（2）层次化教学：层次化教学是课程组在课程教学改革中的一个重要组成部分。课程组在充分考虑课程目标之后，将课程知识点进行分解，并根据难易程度将知识点进行层次化教学，循序渐进，既照顾到基础一般的同学，让这部分同学能获得基本概念，形成基本能力，又充分考虑到基础较好的同学，为他们设计了具有一定挑战度的教学内容。进一步地，课程组还设计了与理论教学相配套的层次化实验，通过实验教学反过来理解理论知识，同时提高编程能力，形成教学良性循环。表2总结了经过知识点梳理后的层次化教学体系，课程开展从易到难，逐步推进，环环相扣。例如，在“图像高斯噪声去除数学建模”专题，课程组遵循从一阶全变分建模到高阶全变分建模的体系讲解；又如，“图像解模糊技术”安排在数学基础和图像去噪专题之后，有利于学生顺利理解稀疏正则化技术起到的重要作用，从简单到复杂，逐步推进。

表2 “数字图像处理”层次化教学知识点安排

（3）课程与毕业设计融合教学模式：在课程案例设计中，笔者充分将本科毕业设计引入课程教学中。笔者在为学生选题的时候，有意让题目有所拔高，同时课题之间又要有些联系，这样做的好处非常明显，由于研究方向比较相近，非常有利于学生在课题研究过程中进行充分的讨论，教学指导会更加顺畅，从以往的单方向的教师指导学生模式中跳出，形成学生之间的讨论和互助的模式。经过本科生消化的专题，再经过指导教师进一步总结凝练，有助于新课的开发和实验设计的进一步完善。这种从毕业设计升华到课程开发的过程是一种典型的从点到面课程开发模式，这种教学模式有助于教师不断积淀一个领域的专业性知识，为进一步形成课程奠定良好基础，具有较强的推广价值。表3展示了2019年部分本科毕业设计题目与对应的课程知识点。从表中可以看到，课程组出的毕业设计题目是课程知识点的综合和推广，有利于课程案例的积累和深化，为本科生进一步提高自学能力、动手能力奠定良好的基础。这些毕业设计对于课程案例的开发意义重大，它们能让课程教学内容变得更加丰富。图2总结了课程组在“以学生为中心”的教学理念指导下实施的措施。

表3 2019年部分本科毕业设计题目与对应的课程知识点

2）“持续改进”理念的理论教学设计

“持续改进”教学理念有如下几层含义：①.教师的在教学上的“持续改进”；②.学生在学习过程中的“持续改进”。为此，需要在教学过程中充分了解学生在学习过程中存在什么样的困惑，教学上可以如何进一步降低这些难点。

工程教育认证背景下，笔者根据认证要求设计了课程指导记录表，记录学生在授课过程中提出的问题，并一一进行详解。课程结束后，向本科生发出问卷，了解本科生对课程的评价和建议，以期在未来的教学中进一步改进。持续改进的教学理念渗透于平时的授课，笔者在了解到本科生学习过程中的困难后，会在课堂上讲评多数同学感到困惑的问题。通过这种机制，将课程教学过程中的难点逐个扫除。在课程中期，课程组还要根据学生反馈的问题进行教研讨论。实践证明，这种教学反馈机制对提高教学质量具有不可替代的作用。

图3总结了课程组在“持续改进”理念实施的教学举措。

图3 “持续改进”教学理念的课程教学举措

3）“成果导向”理念的理论教学设计

“成果导向”教学理念有下列几层含义：①.教学评价必须考虑学生在学习过程中产生的阶段性标志性成果，这就要求将教学进一步层次化划分，建立阶段性评价体系；②.工程教育的最终目标，是让受教的本科生能够解决复杂工程问题。从这个层面上看，“成果”的另一层含义是解决复杂工程问题的标志性代表作品。工程教育认证的第三个重要核心理念是OBE教学模式，为此，笔者要求学生完成若干次的基础作业和一次综合性大作业。其中基础性作业属于课程讲授过程中重要知识点的应用和强化。表4展示了本门课程布置的基础性作业。综合性实验为开放性课题，不限定作业题目，由学生自由发挥，形成代表性成果。表5展示了部分同学完成的综合性大作业。从表4和表5可以看到，基础作业一般以课程基础知识点为强化训练对象，而综合性大作业则要求同学充分运用多方面知识解决复杂工程问题。前者为后者奠定了坚实的基础。图4总结了课程组在“成果导向”理念实施的教学举措。

表4 基础性作业与对应的课程知识点

表5 部分综合性大作业题目

图4 “成果导向”教学理念的课程教学举措

1.3 实验教学方法改革

1）基于“以学生为中心”理念的实验教学

“以学生为中心”的关键是促进学生自主学习，激发其自学能力。这就对教师的教学能力提出非常高的挑战。为了有效提高学生的自学能力，并形成解决复杂工程问题的能力，笔者在教学过程中有意识地设计了大量“层进式”实验。

我们在参考文献［4］中详细阐述了“层进式”实验教学方法的实施方法。通过有目的的分层逐级训练，可以让本科生在基础性实验中反复对核心知识点进行理解和应用，真正做到“以学生为中心”。

通过这种“庖丁解牛”式的实验教学，配合理论课程讲解，学生能够从中得到极大的锻炼，形成良好的自学能力，并逐步形成解决复杂工程问题的基本素质。

2）基于“持续改进”理念的实验教学

在“持续改进”方面，笔者坚持记录“课业指导记录表”，记录学生在学习过程中提出的问题，并收集了电子信息工程专业2015级的“好”、“中”、“差”三种实验报告样本，分析学生在消化知识点过程中存在的问题和教学中需要强化的地方，实践证明，这种过程性的“反思”和“反馈”教学活动，非常有益于提高教师的授课质量和学生的学习质量［4］。

3）基于“成果导向”理念的实验教学

在“成果导向”方面，笔者将研究课题与教学相互结合，引导本科生阅读图像处理领域的顶级刊物论文，并帮助他们实现论文中的算法。在学生在真正吸收论文思想后，笔者则引导本科生在毕业设计中继续挖掘，帮助他们设计新算法，提出新思想。经过近年来的教学实践，获得较好的教学成效。目前已有多名本科生以第一作者身份在北大核心期刊、中文科技核心期刊、SCI收录刊物发表学术论文。

1.4 教学评价改革

工程教育认证背景下，不再以“考试论英雄”，而是以复杂工程问题的解决能力为主要评价依据，以成果为导向评价学生的课业完成质量。在课程评价中，采取“综合性大作业答辩”的方式结合平时的基础实验对本科生课程知识点的掌握情况加以考核。综合性大作业选题开放，但要与课程目标契合，要求学生能在做作业过程中综合应用课程中涉及的知识点。

2 教学成效

笔者以本科生毕业设计作为突破口，促进课程案例开发，并进一步将其发表于各类学术刊物。我校培养的本科生所撰写的学术论文得到来自全国高水平同行的严格评审，而这些外部评审意见正是对课程组本科课程教学质量的一种“持续改进”。

在整个教学改革过程中，本科生在理论修养和实验设计能力方面都有了显著提高，对本门课程的满意度也很高。表6总结了“数字图像处理”课程改革一年来取得的成果。从表6中可以看到，以工程教育认证三大教学理念为指导的课程教学改革取得了较好的效果，真正做到了“以学生为中心”和“成果导向”。

表6 “数字图像处理”教改成效

3 结语

本文总结了工程教育认证以来，我校电子信息工程专业“数字图像处理”课程教学方式、课程评价体系的教学改革，初步探索了工程教育认证三大核心理念在课程教学中的应用，并展示了教学改革以来取得的成果。通过全文的讨论可以得到几点认识：

（1）课程目标的确定应紧紧围绕专业人才培养方案中的核心目标开展，真正做到以“学生为中心”。

（2）课程开展过程中就应该做到“持续改进”，要根据学生提出的问题思考教学过程中存在的不足。

（3）通过阶段性的成果逐级提高难度，能够有效激发学生的潜力，因此，践行“成果导向”的理念有助于提高本科生的综合能力。

相信工程教育认证教学理念指导下的新型教学管理模式能够为学生达到专业毕业要求、就业和深造起到正面的作用，也为打造“金课”奠定良好基础。