基于应用型能力培养的数字图像处理教学创新设计

摘要：数字图像处理教学采用“以学生为中心”的翻转课堂形式，精心设计课堂教学，引入学生喜闻乐见的工程实例，自然融入课程思政，能产生较好的教学效果，达到应用型人才培养目标。基于此，文章以灰度形态学为例，课前通过慕课平台进行线上教学，让学生得到初阶认知；课中运用现代信息技术，引入实例和递进式应用实践，实现课程思政教学；课后结合慕课平台，让学生进行实践操作，递进式实现光电专业应用型本科人才育人成效。

关键词：应用型能力培养；课程思政；数字图像处理

一、引言

在课堂教学中，教师不仅要注重学生专业知识的学习，还要注重学生应用实践能力、分析和解决问题能力、表达能力、人文情怀等综合素质的提高，以协同努力来实现课程教学中的知识、能力、思维和素养目标，更要结合线上线下多维度信息化平台，在课前、课中、课后提供全套信息资源体系，确保学生学习的多元化、个性化，增强学习效果。教师将课程内容与生产生活实际联系起来，能使学生意识到课程知识与日常生活密切相关，培养学生综合分析和解决复杂问题的能力。

灰度形态学是数字图像处理课程的重要组成部分，教师采用线上线下混合式教学，可以让学生在学习专业知识的过程中受到潜移默化的教育。

二、递进案例式教学创新设计

在灰度形态学的教学中，教师充分发挥引导作用，加强对知识的梳理。第一，教师以工程中遇到的实际问题为出发点，采用成果导向教学理念，注重引导学生建立理论学习与实际应用之间的桥梁。第二，教师设计课堂互动环节，提高学生的课堂参与度，增强课堂教学效果。第三，教师以解决实际问题为导向，从理论层面的学习巩固到实际应用，培养学生的工学思维与素养。第四，教师着力设计教学案例，启发学生利用理论知识解决实际问题，使学生体会到学以致用的成就感。第五，教师利用智慧教室和教学互动App，合理设置问答、截屏提问、投票、小组讨论、学生投屏分享等环节，通过小组合作的工程实践反哺学生的理论知识学习，在培养学生线上自主学习能力的基础上，在线下课堂提高学生团队协作能力、表达沟通能力和工学思维能力。

数字图像处理课堂教学遵循“发现问题—解决问题—提出新问题—解决新问题—拓展应用”的教学流程。以灰度形态学为例，首先，教师以问题引导式教学为手段，通过图像分割之后的二值图像还存在的问题导出形态学处理的重要性。教师通过展示现实生活中的一些数字图像和图像分割结果，让学生自主发现分割结果存在的问题，引出进行形态学处理的必要性，以生动形象、环环相扣的导入手法，从课程教授的开始便牢牢抓住学生的注意力。其次，教师以“对象、行为、条件、标准”四要素结构明确表述本节课的教学目标，再明晰本节课的教学目标。接着，教师围绕在线慕课平台自学知识点对学生进行前测，调动学生对本节课教学重点的探索热情。围绕教学目标，教师对在线慕课平台视频包含的知识点进行前测，并就实时结果进行数据统计和错误分析。最后，以“图像锐化”“消除真实图片中不均匀背景”“粒度分析”三种现实生活中常见的图像处理问题为例，教师通过头脑风暴、小组讨论等方式引导学生将理论分析的形态学运算与解决实际问题相关联。教师只做引导和总结，使学生成为学习活动的主体，引导学生自主将形态学运算应用于解决真实图片处理的实际难题，让学生能够学以致用，形成在特定约束条件下运用基础理论解决实际问题的工学思维与素养。

三、灰度形态学教学实施流程

图1为灰度形态学教学实施流程。

（一）课前线上教学

在慕课平台发布学习视频与作业，学生可以通过“知到”App或智慧树进行在线学习，完成相关的作业。线上视频经过授课教师挑选和梳理，并辅以详细讲解和演示，学生可以对知识有初阶的认知（记忆和理解）。本章节的线上视频共6个，分别为问题的提出、二值图像集合运算和逻辑运算、膨胀与腐蚀、膨胀与腐蚀的组合、图像的标记预测量、灰度形态学的应用。通过在线学习，学生了解了膨胀与腐蚀的定义，掌握了膨胀和腐蚀运算、开运算、闭运算、击中或击不中变换。

在学习视频知识后，过关测试能让学生了解自己的学习效果，同时给教师的线下授课提供教学方向。同时，学生可以在“知到”App或智慧树的“问答”模块参与课程讨论，提出自己的问题，回答别人的提问。在线讨论可以实现学生间的交流，学生能够相互启发，在解决疑惑的同时，探索出新的问题，获得新的收获，更好地掌握灰度形态学的基本知识。

（二）课中线下教学

1.问题导入、启发思考——明确目标

教师提出问题：“经过图像分割后获得了目标物与非目标物两种不同的对象，但是提取出的目标物存在哪些问题呢？”接着，教师举例“提取的目标存在伪目标物、多个目标中存在粘连或断裂”等情况，设置悬念，引入形态学处理的重要性，吸引学生的注意力。学生发散思维，积极参与互动，思考回答教师的引导性问题，阐述自己所思所想。与学生互动后，教师总结问题，表述灰度形态学课程的学习目标：运用腐蚀、膨胀、开运算和闭运算四种基本的形态学运算，进行形态学典型应用的分析和实现。

2.问题前测——理论分析

教师针对学生线上视频自学和课前作业提交的情况，围绕教学目标对学生进行前测，提出问题：“什么是灰度形态学？请简要解释其基本原理和应用领域。描述一种常见的灰度形态学操作，如灰度腐蚀或灰度膨胀，包括其如何影响图像的方式。为什么在图像处理中使用灰度形态学操作？请举例说明其在实际应用中的价值和重要性。”学生在线作答，然后教师统计学生的提交结果，针对出错较多的知识点着重点评。

前测后，教师进行课前作业点评，学生实时投屏分享解题思路和结果，其他学生进行分析和点评，共同发现和解决作业存在的问题。教师以头脑风暴的方式，让学生互相评价和提出建议，由此引入主题——灰度形态学的应用。

3.应用一：形态学锐化

第一，教师复习空间域图像锐化的各种方法和思路，引出形态学锐化的特点，提出问题：“对于某个具体图像，如何进行锐化？”第二，教师通过提出实例，激发学生的探索欲，引导学生使用腐蚀和膨胀结合的方法解决问题。第三，针对教师提出的问题，学生展开小组讨论，并分享思路和方案。教师给出点评和总结，同时讲解知识点。

膨胀运算是对图像进行扩张和增大的一种操作。它可以使目标物体变得更圆滑，同时去除孔洞和内部噪声，使物体形态更加清晰明了。腐蚀运算是一种对图像进行收缩和缩小的操作。它可以使物体边缘变得更加精细和明显，同时可以消除细小连接和孤立细节。常用的形态学梯度用腐蚀和膨胀之间的算术差来计算。

4.应用二：消除不均匀背

教师复习图像分割的各种方法和思路，全局阈值分割的原理和思路，并提出问题：“对于背景不均匀的图像，进行全局阈值分割，会出现什么样的问题？为什么？”接下来，教师列举实例，提出问题，激发学生对已学知识点的巩固和应用，引导学生使用形态学处理方法来解决因背景不均匀而导致的不完全分割问题。解决这一问题需要消除不均匀背景，而消除不均匀背景，就是要对背景进行合理估计。教师通过小组合作学习的方式，将背景估计问题交给学生进行讨论，学生以抢答的形式到讲台分享。

对图像进行开运算是可以产生对整个图像背景的合理估计的，前提是只要结构元素达到不能完全匹配对象即可。教师进一步引出顶帽变换的概念和定义，介绍顶帽变换的定义，换一种方式实现应用而需要解决的问题。顶帽变换基于图像的开运算和原始图像之间的差异。开运算是先对图像进行腐蚀操作，然后进行膨胀操作，目的是平滑和细化图像中的细小结构。‌知识点的直接堆砌不易让学生与本节课的教学重点相联系，教师从问题出发，再到原因分析，利用前测得到的结论，最终落脚在应用，更易于学生吸收知识点。

5.应用三：颗粒分析

教师介绍颗粒分析的界定和应用。颗粒分析是分析颗粒的大小分布，其基本思想是，当对包含相似尺寸颗粒的图像区域进行开运算时，处理效果最佳。具体实现方法是，通过计算输入图像和输出图像之间的差异，可以估算出相似尺寸颗粒的相对数量。介绍基础知识后，教师讲解实例，并提出问题：“如何对给定的图像进行粒度分析？”学生针对问题分组讨论，实时投屏，教师给每组进行辅导和答疑。最后，教师总结实现过程，进一步分析上述结果存在的问题，引出图像去噪的预处理，分析图像预处理问题，先对图像进行形态学平滑，再进行颗粒分析，会使结果更加直观准确。

（三）课后线下实践与线上指导

理论学习需要与实践相结合。在课堂教学结束后，教师在慕课平台发布学习任务：对印刷图像进行图像分割和形态学处理，提取图片中的时间数字。学生运用数字分析软件MATLAB进行实践操作，提交完成后的结果。教师在线进行指导，通过实践操作让学生更好地掌握课堂知识。

四、结语

数字图像处理课程以提高学生核心能力、解决实际问题的实践应用能力为核心，注重线上线下教学资源的优质性与适用性，运用数字化教学工具，有效开展了线上线下密切衔接的混合式教学活动。

灰度形态学的教学充分体现了学生是课程主体这一教学理念。在教学过程中，课堂气氛活跃、学生参与度高、互动频繁，学生反馈效果佳，圆满完成预期的教学目标。

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基金项目：湖南省教育规划课题“新工科背景下地方高校光电工程专业人才核心能力培养研究”，项目编号：XJK19QGD004。

（作者单位：湖南文理学院数理学院/信息检测与智能处理技术湖南省高校重点实验室）