梁志貞，江海峰，楊小冬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州　22116）

具有行業(yè)特色的《數(shù)字圖像處理》教學(xué)改革

梁志貞，江海峰，楊小冬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州22116）

0　引言

“卓越計(jì)劃”是由教育部2010年推出的一項(xiàng)重要的教育改革試點(diǎn)項(xiàng)目［1-2］，目的在于培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的高級(jí)工程技術(shù)人才，從而提高我國(guó)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量?！白吭接?jì)劃”有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是增強(qiáng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力；二是按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)現(xiàn)代化的工程人才；三是相關(guān)企業(yè)參與培養(yǎng)學(xué)生。這些特點(diǎn)決定了高校在課程教學(xué)中應(yīng)實(shí)施學(xué)校和企業(yè)協(xié)同合作，同時(shí)注重結(jié)合理論知識(shí)與工程應(yīng)用，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，為企業(yè)輸送優(yōu)秀工程師。

數(shù)字礦山是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，具有明顯的行業(yè)特色和學(xué)科特點(diǎn)。礦山數(shù)字化教育部工程研究中心依賴(lài)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、通信與信息系統(tǒng)、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置、控制理論與控制工程等博士點(diǎn)學(xué)科進(jìn)行建設(shè)。該工程中心以礦山數(shù)字化和礦山智能生產(chǎn)為主要目標(biāo)，建立三個(gè)重要方向的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)：（1）基于智能傳感器的礦山信息的獲??；（2）礦山數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；（3）礦山智能信息處理技術(shù)。建立工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中心、軟件分析測(cè)試中心以及成果轉(zhuǎn)化基地，且與國(guó)內(nèi)知名礦山企業(yè)聯(lián)合建立4-6個(gè)試驗(yàn)基地。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)、電子信息專(zhuān)業(yè)、測(cè)繪專(zhuān)業(yè)等學(xué)院開(kāi)設(shè)了《數(shù)字圖像處理》及相關(guān)課程。但是各個(gè)學(xué)院開(kāi)設(shè)這門(mén)課側(cè)重點(diǎn)不同，這由于各專(zhuān)業(yè)所強(qiáng)調(diào)的知識(shí)點(diǎn)所決定的。針對(duì)我院學(xué)科的特點(diǎn)和行業(yè)背景，借助卓越工程計(jì)劃的進(jìn)行，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)工程知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，確保提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生一般具有較強(qiáng)的編程能力，《數(shù)字圖像處理》作為培養(yǎng)體系中的一門(mén)重要課程，其教學(xué)改革也應(yīng)依據(jù)“卓越計(jì)劃”的目標(biāo)及要求來(lái)進(jìn)行。

為適應(yīng) “卓越計(jì)劃”對(duì)培養(yǎng)實(shí)踐型和創(chuàng)新型工程人才的要求，擬從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容等方面上對(duì)該課程進(jìn)行改革，結(jié)合本院實(shí)際情況，在課程教學(xué)中，對(duì)課程的相關(guān)理論進(jìn)行實(shí)踐性轉(zhuǎn)化，對(duì)每個(gè)章節(jié)涉及到的實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)礦井下獲得的一些圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理的一些算法，結(jié)合VC++、OpenCV進(jìn)行講解，使學(xué)生能更好地掌握新知識(shí)，滿(mǎn)足目前社會(huì)的需求，使學(xué)生具有更好的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1　《數(shù)字圖像處理》課程特點(diǎn)

《數(shù)字圖像處理》課程［3-5］內(nèi)容非常多，難度不小，大多數(shù)章節(jié)都能夠單獨(dú)作為一個(gè)重要的研究方向。這門(mén)課程不僅與其他課程（模式識(shí)別、電視技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)物理）聯(lián)系緊密，而且與實(shí)際聯(lián)系緊密，如礦井下視頻圖像處理等。因此《數(shù)字圖像處理》課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。然而，在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生非常難以理解復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式所表示的物理意義，不能很好地將其它相關(guān)課程所學(xué)知識(shí)融入到該課程的學(xué)習(xí)中。另外，大多數(shù)學(xué)生不了解圖像處理技術(shù)的最新發(fā)展，不能很好地掌握煤礦行業(yè)中圖像處理技術(shù)的最新前沿知識(shí)和最新動(dòng)態(tài)。傳統(tǒng)的《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)內(nèi)容有三個(gè)主要顯著特點(diǎn)：（1）課程內(nèi)容涉及面過(guò)于廣泛。該課程研究?jī)?nèi)容涉及圖像的獲取和存儲(chǔ)、時(shí)域和頻域圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像壓縮、彩色圖像變換、圖像分割以及圖像識(shí)別等。但是在目前我院教學(xué)中，該課程的教學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)，所以很難在有限的課時(shí)內(nèi)詳細(xì)講解每一個(gè)章節(jié)的內(nèi)容；（2）課程內(nèi)容的理論性偏強(qiáng)。數(shù)字圖像處理的每種方法都依賴(lài)于相關(guān)的數(shù)學(xué)理論，例如傅立葉變換、圖像壓縮等。這些數(shù)學(xué)概念和知識(shí)對(duì)一些我院校的卓越班學(xué)生，可能存在理解不透徹或者從未學(xué)習(xí)的情況；（3）課程內(nèi)容更新快。數(shù)字圖像處理是一門(mén)融和多學(xué)科的課程，其涉及的理論和知識(shí)點(diǎn)不斷得到更新，所以如何將最新圖像處理方法融入到我們當(dāng)前教學(xué)中是該課程改革的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2　教學(xué)改革措施

2.1課程內(nèi)容的優(yōu)化

我院信息科學(xué)系卓越班的學(xué)生是原班級(jí)中學(xué)習(xí)成績(jī)相對(duì)比較好的學(xué)生，有較好的基礎(chǔ)。而且他們畢業(yè)后樂(lè)意選擇從事工程技術(shù)工作。學(xué)生自身特點(diǎn)對(duì)教師優(yōu)化課堂教學(xué)大有好處。針對(duì)我院的特色和卓越班的特點(diǎn)，我們對(duì)《數(shù)字圖像處理》課程［6-7］部分教學(xué)內(nèi)容需進(jìn)行了調(diào)整。既然礦井下獲得的圖像一般是模糊不清的，我們重點(diǎn)講解了圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原這部分內(nèi)容，并介紹了最近幾圖像增強(qiáng)算法和圖像復(fù)原算法和選擇一些內(nèi)容新穎的相關(guān)書(shū)籍、專(zhuān)題性的資料作為輔助性教材。在教學(xué)改革過(guò)程中，結(jié)合本專(zhuān)業(yè)和學(xué)生的特點(diǎn)，強(qiáng)化知識(shí)的運(yùn)用情況和知識(shí)結(jié)構(gòu)的完整性講解，把教學(xué)的重點(diǎn)放在對(duì)知識(shí)理解和實(shí)踐能力的培養(yǎng)上。

2.2教學(xué)方法的改進(jìn)

數(shù)字圖像處理課程涉及的知識(shí)點(diǎn)非常多，把所有書(shū)本的知識(shí)點(diǎn)都講解清楚是不可能的，而且從我院學(xué)生的學(xué)習(xí)效果來(lái)看，學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)知識(shí)不牢固和自學(xué)能力較差等問(wèn)題。因此對(duì)教學(xué)方法的改革必須進(jìn)行。如何提高學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)這門(mén)課能力，以及改善教學(xué)效果是非常關(guān)鍵的。針對(duì)卓越班的學(xué)生的實(shí)際情況，我們對(duì)重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解，且讓學(xué)生自學(xué)一些章節(jié)，同時(shí)將具有礦業(yè)相關(guān)圖像的前沿性和交叉性的內(nèi)容聯(lián)系到各個(gè)章節(jié)中進(jìn)行講解，這不僅鍛煉了學(xué)生的自學(xué)能力，同時(shí)也讓學(xué)生了解了煤礦下數(shù)字圖像處理技術(shù)的當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。課堂上，也充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生了解如何運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)要?jiǎng)龠^(guò)講述理論本身。在課堂上主要以啟發(fā)式教學(xué)法為主，多提問(wèn)一些數(shù)字圖像處理問(wèn)題，多引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，參與互動(dòng)過(guò)程。學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)過(guò)程才能有效提高教學(xué)質(zhì)量和效果。由于多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，充分利用圖像、動(dòng)畫(huà)、聲音、視頻等多媒體手段進(jìn)行輔助教學(xué)，從而提高教學(xué)效果。為幫助學(xué)生充分理解圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合C++、OpenCV等工具，以直觀的方式向?qū)W生展示數(shù)字圖像處理一般的過(guò)程和結(jié)果。這不僅加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和相關(guān)算法的理解，也讓學(xué)生了解到算法的在實(shí)際情況下的具體應(yīng)用。

2.3課程教學(xué)中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)

由于我院卓越班的學(xué)生畢業(yè)后大多數(shù)從事工程技術(shù)工作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)是相當(dāng)關(guān)鍵的。學(xué)院信科系的學(xué)生有30人，在實(shí)際教學(xué)中將學(xué)生分成6個(gè)學(xué)習(xí)小組，每個(gè)小組完成一個(gè)數(shù)字圖像處理的相關(guān)的課題。每位組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組內(nèi)成員的課題的分工。他們自由選擇課題的題目。但是最后要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的算法。每個(gè)小組課后網(wǎng)上和圖書(shū)館查閱相關(guān)的算法的資料。小組組長(zhǎng)可以根據(jù)學(xué)生的能力安排組內(nèi)成員分別負(fù)責(zé)一種圖像處理算法，寫(xiě)出具體算法詳細(xì)報(bào)告，并在小組內(nèi)進(jìn)行充分的討論。根據(jù)交流討論的結(jié)果和報(bào)告內(nèi)容，各個(gè)小組設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)方案，并驗(yàn)證和比較多種算法。小組成員完成算法設(shè)計(jì)流程及算法驗(yàn)證等，最后做PPT。由小組長(zhǎng)在課堂上根據(jù)PPT匯報(bào)結(jié)果。匯報(bào)完完畢后，由教師和其他組同學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終評(píng)價(jià)結(jié)果作為該組成員的項(xiàng)目成績(jī)。

2.4考核評(píng)價(jià)體系改革

我院的原有學(xué)生這門(mén)課學(xué)習(xí)成績(jī)通常由兩部分組成：平時(shí)成績(jī)和期末考試，一般期末考試在總成績(jī)中占的比重達(dá)70%，很顯然這種評(píng)價(jià)方法已經(jīng)不適合卓越班的學(xué)生。卓越班的學(xué)生重點(diǎn)培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力，因此我們?cè)黾恿隧?xiàng)目完成情況作為成績(jī)的一個(gè)重要組成部分，它所占的比重達(dá)到30%，其他的比重占70%。項(xiàng)目成績(jī)是這樣的得到的：在項(xiàng)目匯報(bào)時(shí)由各小組之間相互評(píng)分，作為小組學(xué)生的項(xiàng)目成績(jī)，最后綜合得到各位學(xué)生的成績(jī)。期末考試雖然采用筆試閉卷方式，但是考卷中增加了應(yīng)用題的比重，重點(diǎn)放在學(xué)生分析和解決煤礦環(huán)境下數(shù)字圖像問(wèn)題的能力。

3　結(jié)語(yǔ)

根據(jù)卓越計(jì)劃的具體要求，充分考慮到我院專(zhuān)業(yè)具有較強(qiáng)的煤礦背景且課程的建設(shè)依托國(guó)家級(jí)工程中心來(lái)進(jìn)行，讓學(xué)生直接參與到項(xiàng)目實(shí)施中。把項(xiàng)目模式等引入《數(shù)字圖像處理》課程的教學(xué)過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，強(qiáng)化學(xué)生的煤礦背景下工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，才能夠把握未來(lái)煤礦人才市場(chǎng)的實(shí)際需求，真正解決學(xué)生就業(yè)的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高校、煤礦企業(yè)和學(xué)生共贏的局面。以“緊跟學(xué)科發(fā)展、適應(yīng)社會(huì)需求、增強(qiáng)實(shí)踐能力、發(fā)揮工程技能、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神、提高創(chuàng)新能力”為卓越工程師培養(yǎng)的教學(xué)理念為基礎(chǔ)，積極開(kāi)展數(shù)字圖像處理教學(xué)改革研究與實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出針對(duì)礦業(yè)行業(yè)的數(shù)字圖像處理軟件，充分發(fā)揮煤礦行業(yè)背景和相應(yīng)的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，在煤礦下工程應(yīng)用的背景下，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等多方面進(jìn)行該門(mén)課程改革落實(shí)，為培養(yǎng)優(yōu)秀的卓越工程師打下基礎(chǔ)。

［1］林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革［J］.高等工程教育研究，2011:1-9.

［2］中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的若干意見(jiàn)［Z］.教高［2011］1號(hào)，2011.

［3］魏晗，陳剛，唐永旺等.《數(shù)字圖像處理》的教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.中國(guó)信息技術(shù)教育，2014:12-13.

［4］寧紀(jì)鋒.數(shù)字圖像處理教學(xué)改革研究與探索［J］.中國(guó)電力教育.2013:122-123.

［5］阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué)（第二版）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［6］楊淑瑩，張樺.《數(shù)字圖像處理》理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式［J］.計(jì)算機(jī)教育，2009:84-86.

［7］潘建軍，李紅蓮，周金和.數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2007（15）：102-104.

Talented Engineers；Curriculum Reform；Innovative Ability；Digital Image Processing

Teaching Reformation of Digital Image Processing with Industry Characteristics

LIANG Zhi-zheng，JIANG Hai-feng，YANG Xiao-dong

（China University of Mining and Technology，Jiangsu 221116）

1007-1423（2015）34-0022-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.34.006

梁志貞（1976-），男，山東莒縣人，博士，副教授，研究方向?yàn)?數(shù)字圖像處理和模式識(shí)別

江海峰（1978-）男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

楊小東（1972-）男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)

2015-11-03

2015-11-30

根據(jù)卓越計(jì)劃下人才培養(yǎng)的目標(biāo)，修改原有數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)目標(biāo)，在新的課程建設(shè)中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)、考核方面等方面論述煤礦行業(yè)下計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的數(shù)字圖像處理教學(xué)改革過(guò)程。實(shí)踐表明這一系列的教學(xué)改革對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果有明顯作用，為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力打下較好的基礎(chǔ)。

卓越工程師；課程改革；創(chuàng)新能力；數(shù)字圖像處理

2015年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目（No.2015YB25）

According to the goal of talent cultivation，modifies the teaching objectives of the original Digital Image Processing course，and discusses the teaching reformation process of Digital Image Processing in terms of teaching contents，teaching methods，cultivating team sprits and evaluating grades in the coal mining industry.It has proved that this series of teaching reformation programs can improve students'learning interest and obtain remarkable learning effects so that it provides a good foundation for cultivating students'practical ability and innovative ability.