主題式數(shù)字圖像處理教學與學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探尋論文
1 引言
數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，且應用范圍極其廣泛，在軍事航天、遙感醫(yī)學、通訊工業(yè)等等領(lǐng)域都有極其深遠的影響。數(shù)字圖像處理課程的開設，目的是使電子、通信、計算機專業(yè)等理工科的學生能夠掌握數(shù)字圖像的基本概念、理論及處理方法，能切實將生活中的數(shù)字圖像處理問題進行抽象建模并動手編程解決，為其今后的科研、研發(fā)工作鋪好堅實的基礎。但也正因為該課的應用范圍廣，其涉及的基礎理論知識、算法眾多，屬于一門典型的交叉的學科，因此在教學中存在著需要教授的內(nèi)容章節(jié)多、難度跨度大(本科、碩士、博士均有數(shù)字圖像處理課)、理論算法抽象且復雜等難點，學生不容易找著重點，或者很容易出現(xiàn)畏難情緒，對知識的掌握吸收不利，更談不上進一步的創(chuàng)新。以電子、通信專業(yè)大三學生為授課主體，筆者針對以上問題，提出了以主題方式開展數(shù)字圖像課程教學，通過形象感官地處理實例深入淺出解析課程中的理論算法，并進一步結(jié)合一系列不同性質(zhì)的實驗，讓學生從知道應該怎么做，到為什么這樣做，最終到我要怎么做，培養(yǎng)起學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。通過幾個學期的實踐證明，這種方法在教學中具有明顯的預期效果，很好地彌補了傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學方法的不足。
2 數(shù)字圖像處理教學難點與分析
數(shù)字圖像處理課程屬于信息類專業(yè)必修課，在大學開設多年，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學以教為主，學生學習起來枯燥、知識掌握困難。隨著該門課程越來越廣泛的應用，其地位與日俱增，各個高校都予以了高度重視，對實踐也逐漸重視，提出了實踐教學改革、實例教學等嘗試，取得了一系列的教學成果[2-3]，通過實踐也使學生更易掌握重要知識點，加強動手能力。但是該門課程仍存在兩個較難克服的教學難點。第一，數(shù)字圖像處理涵蓋的章節(jié)內(nèi)容非常多，學生容易混淆，學習易產(chǎn)生疲勞情緒，而在本科有限的學時數(shù)中也難以兼顧。內(nèi)容包括圖像采集、圖像變換、圖像增強、圖像復原、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像描述、圖像識別、數(shù)學形態(tài)學處理、彩色圖像處理等等，跨度很大，這與該課的應用領(lǐng)域廣泛是息息相關(guān)的。第二，課程牽涉的需要前期先修的基礎知識多，比如需要先修復變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、數(shù)字電路、專業(yè)英語等等。涉及的數(shù)學知識內(nèi)容多，理論公式推導多，導致學生聽課熱情降低。如在圖像的頻域變換一章中涉及了離散余弦變換、K—L變換、離散沃爾什一哈達瑪變換、小波變換等。如果只是片面依靠講授理論公式的推導，把大量的`教學課時用在理論性較深的章節(jié)中，而忽略了這些理論知識與實際應用的緊密結(jié)合，會導致學生興趣低落，不利于學生應用能力的培養(yǎng)。以上兩個難點的克服以及其克服程度，是關(guān)乎“數(shù)字圖像處理”課程能否為學生們接受，取得較好的教學效果，并調(diào)動學生學習積極性、創(chuàng)新性的關(guān)鍵。本文提出了主題式教學方法，結(jié)合實例演示、實驗驗證、啟發(fā)的方法克服以上難點。
3 主題式教學模式探索主題式
教學模式，是指按教學內(nèi)容相關(guān)性和難易程度，對圖像處理教學內(nèi)容進行分類，并采用主題式教學方法開展課堂教學。每個主題可以各成一個相對獨立的體系，但又具有一定的前后相關(guān)性和相輔相成性。這部分工作將數(shù)字圖像處理教學內(nèi)容分為本科、研究生兩種難度。本科的教學內(nèi)容相對基礎、容易理解，而研究生階段的教學主要是高層次的圖像理解。兩者劃分還要考慮到前后關(guān)聯(lián)性，內(nèi)容相對獨立完整性，以及教學時數(shù)的限教改教法72制等因素。對本校 36 學時的本科教學，作者選取了圖像處理的基礎入門內(nèi)容———數(shù)字圖像的基本處理方法進行主題分割。將總體教學內(nèi)容分成緒論、圖像及其數(shù)字化、圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像編碼與壓縮六個主題，并循序漸進。緒論對數(shù)字圖像處理技術(shù)的由來、當今的廣泛應用以及未來的發(fā)展趨勢進行介紹，用過去、現(xiàn)在、未來這樣清晰的時間發(fā)展線索，用講故事的方式，讓學生迅速了解該技術(shù)的歷史、重點、重要性，激發(fā)學生的學習興趣。圖像及其數(shù)字化涵括像素、數(shù)字圖像的概念，圖像的數(shù)字化方法，以及整個數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成。
讓學生對什么是數(shù)字圖像，它是怎么構(gòu)成的，怎么得到、處理數(shù)字圖像有一個系統(tǒng)的了解。為后續(xù)的各章節(jié)做了一個很好的鋪墊。在圖像的變換主題中講述為何要將圖像從我們已了解的時域、空間域變換到別的域來對圖像進行新的表示和處理，通過對 FFT、DCT、小波等基本變換的方法和應用的介紹，讓學生充分了解變換到非時空域處理問題的好處與前提，如何做這種變換，以及這種變換的用途。有了前面幾個主題的鋪墊，圖像增強主題自然引出，該主題內(nèi)容較多，包括點運算中的灰度變換和直方圖修正法，區(qū)域運算中的平滑和銳化。目的是讓學生對空間域的圖像增強處理的必要性、效果與處理的具體方法有感性的了解。圖像分割主題緊跟圖像增強主題中的銳化問題引出，既然邊緣和輪廓已被增強，那檢測邊緣并將目標分割出來就成了順理成章的事。該主題除了介紹分割的兩類方法———區(qū)域分割和邊界分割外，主要讓學生理解分割的目的和要達到的效果。還介紹了最后一個主題———圖像壓縮，從壓縮的重要性，壓縮要達到的標準，以及壓縮的具體方法三方面闡述，使學生不僅會壓縮，而且知道什么樣的才是一個好的壓縮。為今后的相關(guān)工作打好堅實的基礎。
4 學生的創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)
除了將教學內(nèi)容以循序漸進主題模式進行合理劃分，為每個主題定下明確的學生學習目標外，在每個主題的講授中還要結(jié)合一些技巧，讓學生在思路清晰、目標明確的前提下，進一步對知識的理解、運用了然于胸，并進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。這方面需要做的工作包括：針對教學中理論性較強、公式推導過多的內(nèi)容，在講解的過程中，盡量將理論知識與實驗實踐結(jié)合，使復雜的問題簡單化，將理論化為容易理解接受的形象圖像展示。通過驗證實驗、設計性實驗、課程設計不同的實踐方式讓學生從逐漸理解、嘗試運用，到能產(chǎn)生自己的創(chuàng)新想法并實現(xiàn)，逐步培養(yǎng)、激發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力。針對復雜理論的講解，一定要形象化。比如圖像變換中對圖像與其頻域顯示相關(guān)性的闡述。采用公式算法或抽象語言很難讓學生理解與消化�？梢圆捎煤唵螆D像的變換結(jié)果的比較形象的展示。如圖1 中，通過對簡單黑底中白條的旋轉(zhuǎn)了解頻率高低與原圖的關(guān)系，通過細節(jié)稍有不同的兩幅簡單的十字圖，了解細節(jié)對頻譜的影響，從而可推斷出“高頻反應細節(jié)，低頻反映輪廓”的結(jié)論。又比如在講解圖像增強中直方圖均衡理論時，如果從直方圖均衡化前后的對比效果圖人手，讓學生先直觀地了解直方圖均衡化的作用和應用，再來講均衡化處理的原理和步驟，并且讓學生思考直方圖均衡化在實際生活中的應用，更能夠帶動學生的聽課積極性。在學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)方面，針對每個主題設計配套的驗證性、設計型實驗，在收到較好的效果時，進一步提出課程設計內(nèi)容。讓學生由簡到難，從初步理解到懂得怎么做，再到我想怎么做，一步步把學生的創(chuàng)新能動性調(diào)動出來。比如，在講圖像分割專題時，首先請大家參考教材資料，用Roberts 算子、Sobel算子、Prewitt算子、LOG 算子進行圖像分割的算法驗證，了解不同算子進行圖像分割的效果和原理。通過不同算子之間的比較更進一步了解分割效果與算子模板的關(guān)系。然后請大家設計一個對顯微鏡下細胞圖像進行分割的實驗，要求尋找或自己設計一個適合細胞圖像的邊緣檢測算子。最后，對學有余力的同學可以讓其完成一個完整的細胞統(tǒng)計系統(tǒng)的課程設計，從算法的編寫、GUI界面的設計等方面發(fā)揮自己的主觀能動性，設計一個體現(xiàn)自己鮮明個性與選擇性功能的細胞統(tǒng)計系統(tǒng)，例如可選擇是否進行圖像文件的打開挑選、保存、退出，還是直接采用默認圖像，手動或自動進行細胞分割等等。
這樣，一方面，學生通過驗證型實驗可鞏固每個主題的理論知識，并總結(jié)各個實驗，進一步進行比較全面的實驗設計，實現(xiàn)更綜合的圖像處理的功能;另一方面，學生通過代碼的改寫或調(diào)試，在已有知識的基礎上能培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維，發(fā)揮自己的創(chuàng)新能力，達到將數(shù)字圖像處理技術(shù)靈活應用的程度。5 總結(jié)本文提出了采用主題式教學和分層遞進式實驗設置改革數(shù)字圖像處理的教學方式。詳細闡述如何對主題進行劃分，以及確定每個主題的內(nèi)容、目標及重點。用頻譜圖的具體比對例子，對復雜理論講解難點的解決方法進行說明。又采用圖像分割主題中，不同難易程度及性質(zhì)的實驗安排對如何激化學生的學習熱情與創(chuàng)新能力進行舉例解釋。清晰闡述了一個新的教改觀點。實踐結(jié)果也表明，本文所提的方法是切實可行的，在本校本科專業(yè)的學生教學中取得了良好的效果，對數(shù)字圖像處理教學的進一步改進具有一定的參考意義。
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