《数字图像处理》课程教学困境及应对策略

摘要：对民办高校《数字图像处理》课程教学现状、学生学习状况和数字图像处理工程师的社会就业需求展开深入分析，指出传统教学内容和方式存在的问题，以及人才培养方案和社会就业需求之间存在的差距，并且针对性地提出解决方案，提出引入案例法、项目法和线上线下混合式教学方法，并且结合职业规划，引导学生进行目的明确的自主学习，能更好地实现人才培养和社会需求的对接。

关键词：《数字图像处理》;教学改革;职业规划

中圖分类号：G4文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.14.079

0引言

随着科学技术的迅速发展，数字图像处理技术不仅在常见的人脸识别、指纹识别、智慧城市、电子通信等诸多领域有着广泛应用，在国防建设、航天科技、医疗电子等高科技方面也得到了进一步应用推广。作为一门与新兴科技紧密结合的课程，《数字图像处理》已经成为高等院校电子信息类专业一门重要的专业课。传统的课堂教学主要讲授数字图像处理的基本原理和方法，偏重于以理论讲授为主，实践动手为辅的教学方式。这样的教学内容和方式与社会对应用型人才的需求还有相当的距离。“新工科”应用型人才培养要求要形成“创新型、综合化、全周期”的教育新理念，完善专业结构，更新教学观念。在该背景下，以理论讲授为主、辅以简单课程实验的数字图像处理课程传统的教学内容和教学方式，迫切需要实施改革，以应对社会经济发展和应用型人才的需求。

1现状分析

1.1教学现状分析

与《电路分析》《模拟电子技术》和《数字电子技术》等课程构建起学生的硬件电路知识体系不同，《数字图像处理》及其前继课程《C语言程序设计》《信号与系统》《数字信号处理》和《Matlab仿真》等建立起学生对于一维二维信号和信号处理系统的理论知识和软件处理方法的知识体系。主要讲授图像的运算、变换、增强、平滑、复原、压缩编码、分割、描述分析和识别等内容。学时数为32至48。受限于学时和图像处理基本知识的繁杂，按照教材内容按部就班的讲授，课堂教学中不可能安排太多的学时用于综合性案例的教学实践和指导。因此几轮教学下来，学生的普遍反映是知道这门课程很有用，但只学了个皮毛，距离能动手实践解决实际图像处理问题，能力上还有很大的提升空间。

1.2学生学习状况分析

笔者所在学校为民办高校，生源质量明显弱于211、985院校。主要体现在以下方面：

（1）学习内驱力不足，由于高考失利，学生失去选择心仪学校和专业的机会，对目前所学习的专业缺少真正的兴趣，在学习《数字信号处理》《数字图像处理》这类理论性较强、对数理要求高的课程时，一旦遇到困难，很容易打退堂鼓，产生放弃的心理。

（2）学习自律意识不强，学生缺少对自己学习过程的有效监视和控制。紧张的高中三年过去了，不少学生进入大学后热衷于游戏或者社交，对学习的重视程度不够。没有有效的学习计划，对目前学习进程、方法和效果也不能做到有意识的监视和调节，放任结果的产生。

（3）学习方法不当。教育心理学认为理解和保持知识的认知策略包括复述策略、精加工策略和组织策略。很多大学生对专业课程的学习过程仅仅满足于课堂听讲，课后没有有效的复习和预习，更没有对知识进行复述、精加工和有效的组织编码，因而不能有效地构建起自己的知识体系和认知结构。前继课程掌握的不牢靠，在学习新知识时，在其认知结构中，缺少对新知识进行同化的适当观点，因此阻碍了学习的进程。比如在《数字图像处理》的图像变换章节，关于二维傅里叶变换、离散余弦变换、沃尔什—哈达玛变换和K-L变换等知识点均以《数字信号处理》课程中的傅里叶变换为基础，如果前面的知识掌握不扎实，上述内容无论在理论还是动手编程实践上都会有一定的困难。

1.3社会就业需求分析

应用型人才培养的目的在于适应社会发展的需求，对学校和学生而言，最为实际的就是提高就业率。在各大招聘网站上，对电子信息类专业的本科毕业生的需求主要以硬件设计为主，比如电路设计工程师、单片机和嵌入式应用工程师，对于软件类人才的需求，数字图像处理工程师和语音信号处理工程师，除了对算法语言（比如C、C++、Matlab、OpenCV、Python）的要求外，还要求对机器学习、深度学习框架的掌握和实践经历，在学历方面的要求一般是硕士。比对社会需求可以发现，本科阶段在信号处理理论和软件编程方面的学习事实上是为学生在更高层次（硕博士）阶段的学习打下基础，而民办高校的学生毕业后大部分是直接进入社会工作的，那这是否意味着这方面的学习在学生求职就业中不能发挥太大的作用？或者说，重要性不大？这也是笔者在教学过程中经常被学生问到的问题。

2教学应对策略

对上述存在的问题进行深入的分析发现，教学内容的组织、教学方法的设计和学生的学习积极性、学习效果之间是相互制约、相互影响的关系。常规传统的教学方式侧重于数字图像处理原理和算法的教学，没有充分的案例教学和项目教学方法的支撑，难以激发学生的学习兴趣、调动学习积极性，难以引导他们在课堂知识之外去自主探索学习，构建起自己的认知结构，从而导致学习效果不好。教学内容的组织如果不能紧贴社会对人才的实际需求，过分强调简单基础原理的教学，不仅不能有效利用课堂教学的时间，也会让学生对课程学习目的产生困惑，产生为什么学和学了有什么用等问题。

因此《数字图像处理》课程的教学内容在原有教材的基础上需要针对图像处理技术的发展和社会经济发展对人才的需求，做进一步地更新;教学方法也要针对该课程理论和实践性强的特点，结合民办高校生源实际情况，进行改革。

2.1教学方法的设计

2.1.1案例法的引入

在该课程的主要内容中，图像的运算、增强、压缩编码和描述分析章节内容不涉及复杂的数学计算，主要以概念讲授为主，为每一个知识点设计案例，让学生进行课堂练习、动手实践。课堂编程练习可以结合简单的案例进行。比如图像的平移、镜像、旋转和缩放等，可以利用几幅图片现场编程演示，让学生理论联系实际，加深对知识的理解和记忆。图像增强包括空间域和频率域增强两部分，基于灰度和基于直方图处理的图像增强也可以在概念讲述的基础上调用Matlab的函数进行编程练习;频率域的图像增强、平滑以及锐化处理需要用滤波器来实现，知识点的强化和巩固也可以采用编程练习的方式进行。课堂上的案例讲解和动手实践能较好地调动学生的学习积极性，提高学习效果。

2.1.2项目法的引入

图像变换、复原、分割和识别等内容涉及比较复杂的算法和数学理论知识，讲授时在教学内容组织方面应该突出重点，针对需要解决的问题引入相应的算法，而不能泛泛地介绍算法理论。由于大部分学生的基础不牢，易让学生产生畏难心理。维果斯基的“最近发展区思想”指出，最理想的教学要求，是既要高于学生现有的知识水平，又要是学生經过努力能够达到的。因而，这部分知识在讲授时宜采用项目式教学方法，采用自上而下的教学策略，引入项目要求后，教师进行项目需求分析、相关知识的讲授、任务布置，并实时跟踪项目进展，进行及时指导。学生在项目目标的牵引下，通过听课、自己查资料、动手编程实践，对知识进行消化吸收，在分析和解决问题的过程中，能力得到加强。

例如在图像变换这一节讲授Hough变换时，可引入车道线预警的项目任务：在车辆行驶过程中偏离车道线时，行车记录仪如何实现自动报警？K-L变换可以识别图像中的直线，原理是什么？如何实现？如何编程和调试？如何提高预警性能？一系列的任务布置下去，让学生自己探索钻研，可以采用分组的方式进行，可采用报告讲述或者小论文的形式提交结果。

在讲授图像分割和识别时，可引入车牌识别、人脸识别和手写数字识别等项目任务，将学生分成若干组，每一组单独完成，而后组织组间的交流和学习。车牌识别项目主要涉及的知识点包括图像预处理、车牌定位、图像分割和模式匹配识别，在理论知识学习完后，重要的是如何编程实现;人脸识别可以采用主成分分析法，算法原理和编程实现都需要学生自主学习;手写数字识别在实现预处理、特征提取后，可以采用模板匹配、神经网络或者深度学习的方法实现识别。因而这部分的知识是需要学生利用较多的课后时间进行深入拓展的。在此过程中，教师一定要发挥积极的监督、指导作用，及时控制进度、答疑解惑，有效推动项目的发展。

项目教学法很好地贯彻了“最近发展区思想”，体现了以学生为中心的理念，将较难的知识点分解成一步一步学生容易达到的小目标、小任务，教学效果较好。

2.1.3线上线下混合式教学方法

新冠疫情促进了线上教学、网络课程的发展。在阶段性疫情结束后，线上资源仍然可以有效利用，形成线上线下混合式教学方法。线上资源包括参考书籍、PPT、讲授视频、练习题、例程等，可借助于学习通和MOOC平台。线上教学主要应用于如下几种场景：对课堂知识的预习和复习、翻转式课堂的自学、项目式教学方法理论知识部分的自学等。线上资源增加了学生在学习内容、学时时间、学习方式等方面进行学习调节的可能性，拓展了学生的学习深度和广度，是对课堂教学的有益补充。

2.2结合职业规划，引导学生自学，对接就业需求

在大学一年级学生刚进校时，会学习《职业生涯规划》《创新创业基础》课程。进入高年级学习了专业课之后，学生会对自己的兴趣爱好志向和职业倾向性有了更为清晰的认识，这时结合专业特点和未来可能的就业方向，对学生进行职业规划的辅导，确定职业目标后，针对社会发展对特定岗位人才的需求，做好学习计划和实习计划，更有效地利用课外时间和毕业设计，引导学生自学，利用一切机会，拓展自己的专业技能，对于缩小学校人才培养目标和社会需求、对于应用型人才的培养，有着重要意义。例如在本校电子系的人才培养方案中，C++、Python语言、OpenCV库以及深度学习的框架没有设置专门的课程学习，但社会上岗位需求强烈，因此及时修订人才培养方案，并且引导有志向从事软件和算法设计的学生利用课余时间自学相关课程，能更好地实现人才培养和社会需求的对接。

3结束语

本文从教学现状、学生学习状况、社会就业需求等三个方面分析了民办高校《数字图像处理》课程实际面临的困境，并提出了应对策略。首先结合具体的教学内容，对难易不同的知识点分别采用案例法和项目教学法进行教学设计，充分利用线上教学资源，拓展学生进行自我学习调节的空间;并在高年级，结合职业规划，引导学生进一步明晰自己的兴趣爱好和职业倾向性，根据社会就业需求和岗位职能要求，进行有针对性的自学，为未来就业做好准备。本文梳理的教学困境和应对策略同样适用于本专业的其它专业基础课程。

参考文献

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基金项目：2018年度湖北省教育厅人文社会科学研究项目（18G097）。

作者简介：游波（1976 -），女，博士，武昌工学院副教授，中国职业规划师，主要从事电子信息工程专业教学、生涯辅导和就业指导。