明德烈等

摘 要： 研究了“圖像分析”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，提出理論教學(xué)、實驗教學(xué)和相關(guān)科研三級聯(lián)合，層層推進的教學(xué)改革措施。同時提出采用課程項目驅(qū)動的教學(xué)方法，通過強化實驗教學(xué)，將科研引入教學(xué)環(huán)節(jié)，達到培養(yǎng)創(chuàng)新型實踐型人才的目的。

關(guān)鍵詞： 圖像分析； 教學(xué)模式； 教學(xué)改革； 項目驅(qū)動

中圖分類號：TP3-0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）05-59-03

Abstract： The teaching content and teaching mode for course of digital image analysis are researched in the paper， education reform measures is implemented from three aspects， the theory teaching， the practice teaching and the related scientific research. Project driven teaching is proposed to cultivate innovative and practice talents， the practice teaching is strengthened and the scientific research is introduced into the teaching process.

Key words： image analysis； teaching mode； teaching reform； project driven

0 引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，圖像分析日益廣泛地應(yīng)用于軍事目標(biāo)識別控制、智能交通、醫(yī)學(xué)圖像重建、社會事務(wù)管理、生物特征識別，以及互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域，越來越多的研究者更加關(guān)注圖像分析領(lǐng)域的研究工作[1-2]。而高等教育要與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，“圖像分析”這門課程在高校電子信息類專業(yè)也有了越來越重要的地位。

圖像分析是用模式識別和人工智能方法對景物進行分析、描述、分類和解釋的技術(shù)，又稱景物分析或圖像理解。一般利用數(shù)學(xué)模型并結(jié)合圖像處理的技術(shù)來分析底層特征和上層結(jié)構(gòu)，從而提取具有一定智能性的信息。圖像分析側(cè)重于研究圖像的內(nèi)容，包括但不局限于使用圖像處理的各種技術(shù)，它更傾向于對圖像內(nèi)容的分析、解釋和識別。

“圖像分析”的教學(xué)目的是使學(xué)生了解和掌握數(shù)字圖像分析的基本概念與主要內(nèi)容，為今后的深入研究和開發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。其基本教學(xué)內(nèi)容包括圖像增強、圖像分割、圖像復(fù)原、圖像描述、圖像識別等理論和方法。該課程主要闡述數(shù)字圖像分析中的基本概念、基礎(chǔ)理論和常用算法，介紹數(shù)字圖像分析研究中的基本問題以及解決這些問題的原理和實現(xiàn)方法，使學(xué)生能夠編程實現(xiàn)簡單的圖像處理算法，能夠逐漸解決數(shù)字圖像分析領(lǐng)域的實際問題。

“圖像分析”課程屬交叉學(xué)科，其起點高、難度大，既有較強的理論性，又與實踐緊密結(jié)合，目前的教學(xué)現(xiàn)狀表明，學(xué)生對本課程往往入門時就心存畏懼，深入學(xué)習(xí)困難，不管是考試成績還是實踐動手能力都不理想，教學(xué)上存在許多問題。如何引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的、轉(zhuǎn)變思想觀念，如何在教學(xué)過程中合理利用多重教學(xué)手段、靈活采用教學(xué)相長的方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成為教學(xué)中必須解決的難題。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

經(jīng)過對國內(nèi)多所高校的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的教學(xué)模式存在嚴重的弊端。在目前的圖像分析課程教學(xué)中，教師只是按部就班地按照教學(xué)大綱進行講授，而對于程序運行實現(xiàn)及實際應(yīng)用部分大綱中并沒有嚴格的要求，所以多數(shù)教師也就只講解理論，對程序?qū)崿F(xiàn)則省略掉或是一帶而過。而學(xué)生也只是按部就班地對理論知識進行學(xué)習(xí)，沒有結(jié)合相關(guān)的應(yīng)用，所以隨著課程內(nèi)容的深人，學(xué)生會感覺到枯燥乏味，對該課程逐漸失去了興趣。即便是認真學(xué)習(xí)的學(xué)生，也是一直處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。至于考試，只需要按照教師的授課內(nèi)容認真復(fù)習(xí)就可以拿到優(yōu)異的成績。很多學(xué)生直到他們學(xué)完了該門課程，也沒弄清楚這些圖像處理的方法該如何具體實現(xiàn)，而且對于如何應(yīng)用到實際生活和研究當(dāng)中，也是一無所知，更談不上創(chuàng)新能力、實踐能力和綜合能力了。該課程目前的教學(xué)方法大大影響了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。長此以往，高分低能的現(xiàn)象將會日趨嚴重。因此，圖像分析課程教學(xué)改革迫在眉睫。

2 課程教學(xué)改革措施

2.1 教學(xué)內(nèi)容和方法的改革

圖像分析本身為交叉學(xué)科，與圖像處理、模式識別、信號分析多領(lǐng)域存在密切聯(lián)系，而課程內(nèi)在耦合性并不強，目前還沒有一個完備的課程體系，許多教學(xué)實踐難以組織。一般除了圖像分析課程的基本內(nèi)容，根據(jù)教材豐富程度的不同，可能還包括圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖像重建、圖像識別、圖像的小波分析，以及圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)分析。其內(nèi)容龐雜，難度也偏大，在有限的教學(xué)時間內(nèi)往往難以將全部內(nèi)容講透，傳統(tǒng)的教學(xué)模式只能以理論介紹為主，忽視實現(xiàn)步驟，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)時普遍感到過于抽象。故有必要優(yōu)化教學(xué)課程設(shè)置，精簡課程教學(xué)內(nèi)容。課堂講授中，要抓住重點難點進行講解，鼓勵學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，有疑問主動討論求教，以此來提高教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)內(nèi)容中不能只有理論知識，還要與圖像分析相關(guān)應(yīng)用軟件結(jié)合起來，如Matlab、Opencv、Image Analyzer等，必要的時候也可以用目前較流行的Photoshop軟件舉例。這樣和軟件結(jié)合起來講解，學(xué)生可以看到實實在在的圖像變化過程，學(xué)習(xí)興趣自然就提高了。而且學(xué)生也比較容易理解圖像分析的基本原理，聽起來也不會覺得枯燥，無形中提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時學(xué)生學(xué)會了一門語言，用以實現(xiàn)各種圖像處理過程，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)教學(xué)中理論學(xué)時與實驗學(xué)時的分配比例一般為3：1，高校普遍偏重理論教學(xué)，而忽視了實驗教學(xué)。理論教學(xué)是一種被動的單向的學(xué)習(xí)模式；而主動性的、互動式的實驗教學(xué)更能調(diào)動學(xué)生的積極性，有利于學(xué)生自主的去發(fā)現(xiàn)問題分析解決問題。因此，要優(yōu)化理論教學(xué)與實驗教學(xué)的課時比例，加大實驗教學(xué)的課時，通過實驗加深對理論基礎(chǔ)的理解。

2.2 強化實驗教學(xué)

選擇圖像分析中最重要的算法作為實驗課教學(xué)的主要內(nèi)容，覆蓋圖像分析中圖像增強、圖像壓縮、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理、圖像特征描述等各個重要部分。圖像的讀取和顯示、圖像的直方圖均衡化、圖像的平滑濾波和銳化濾波、快速傅里葉變換、頻域上的高通和低通濾波、Hough 變換、圖像的閾值化、圖像的膨脹、腐蝕和開閉操作、細化算法等實驗完全能包含圖像分析領(lǐng)域理論。

實驗教學(xué)[3]要求學(xué)生提前閱讀課程實驗指導(dǎo)書，了解實驗內(nèi)容，進行初步的設(shè)計分析，自己編寫核心代碼，自行設(shè)計實驗測試用例，預(yù)測實驗結(jié)果。實驗課上認真演示圖像處理的效果，將實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相比較，對出現(xiàn)的問題耐心分析和總結(jié)，按要求撰寫實驗報告，從而加深對數(shù)字圖像分析概念和方法的理解。引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)到的知識，來解決圖像分析領(lǐng)域簡單的實際應(yīng)用問題，要把課堂上講授的理論知識和現(xiàn)實生活中應(yīng)用的具體例子相結(jié)合，將最新的科研前沿動態(tài)和信息反饋給學(xué)生。

2.3 將科研引入教學(xué)

科研中的圖像分析相關(guān)部分要進人到教學(xué)中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上，了解該方向的前沿技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，這對以后的工作有重要的引導(dǎo)作用，也能夠激發(fā)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新靈感，達到真正的學(xué)以致用。同時形成科研帶動教學(xué)，教學(xué)促進科研的良性循環(huán)[4]。

將科研引入教學(xué)，開展項目驅(qū)動教學(xué)，讓學(xué)生接觸一些具體的項目，在做這些項目時要用到哪些知識點，如何綜合運用它們，都是項目中必須解決的問題。通過項目驅(qū)動教學(xué)的方式，學(xué)生的綜合實踐能力將得到進一步提高。

項目驅(qū)動教學(xué)的關(guān)鍵是項目的選擇和設(shè)計，它的好壞直接影響到教學(xué)的開展。圖像分析項目驅(qū)動教學(xué)的示意圖如圖1所示。由圖1可知，這一互動式的教學(xué)模式重點在于師生的交流反饋，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，是項目的承擔(dān)者 、實施者，老師在項目中主要起組織引導(dǎo)的作用。在項目驅(qū)動教學(xué)實施中，教師不是直接把知識技能傳遞給學(xué)生，而是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下去選擇“項目”，分析“項目”，并最終完成“項目”。學(xué)生不再盲目的把學(xué)習(xí)當(dāng)任務(wù)，而是以項目需求驅(qū)動，有目的、有針對性的學(xué)習(xí)，變被動地接受知識為主動地尋求知識。學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新意識在項目實施的過程中不斷強化。

根據(jù)課程的知識層次和內(nèi)容體系把理論學(xué)習(xí)與科研項目相結(jié)合。譬如設(shè)計“車牌識別系統(tǒng)研究[5]”來展開課堂教學(xué)，如圖2所示。由圖2可知，“圖像分析”的大部分教學(xué)內(nèi)容都可通過“車牌識別系統(tǒng)研究”這一項目組織起來。以“實施項目”的方式引入有關(guān)概念和主題，展開教學(xué)內(nèi)容深入學(xué)習(xí)，將學(xué)生的“被動學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)換為“興趣驅(qū)動”，從而提高教學(xué)效率。

另外，根據(jù)學(xué)校的實驗條件，還可設(shè)計“腦部CT圖像處理”、“運動目標(biāo)檢測研究”、“人臉識別系統(tǒng)”等項目，從而融合圖像分析各方面的知識點。

整個項目的實施分為兩個階段：理論學(xué)習(xí)和項目實施。在理論學(xué)習(xí)階段，可以引入大量應(yīng)用實例，授課時重點闡述諸如醫(yī)學(xué)圖像處理、運動目標(biāo)特征提取、智能視頻監(jiān)控、基于圖像的工業(yè)檢測、圖像壓縮在3G通信技術(shù)中的應(yīng)用等實例。通過對具體項目的講解，讓學(xué)生對項目的理論基礎(chǔ)有初步的了解，而這種將深奧的理論實例化，使學(xué)生易于接受，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對項目的探索激情。在第二階段的項目實施中，將項目分成若干個小組，在教師的指導(dǎo)下，各小組召開會議，分析項目需求，明確項目任務(wù)，進行成員分工，確定各分工的職責(zé)及項目實施計劃，在此階段，教師扮演項目顧問的角色，解答小組成員項目實施中遇到的各種問題。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成對項目的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、編碼實現(xiàn)、測試部署的整個過程，達到學(xué)生在完成項目的過程中理解學(xué)科知識、掌握綜合技能的目的。

項目完成之后，需要對項目進行總結(jié)和反饋。各小組提交項目結(jié)題材料，以論文答辯的形式在班上演示各小組項目成果，介紹項目實施過程、成果、優(yōu)勢及不足，總結(jié)項目實施階段的經(jīng)驗教訓(xùn)，回答現(xiàn)場提問。在聽取其他小組報告的基礎(chǔ)上自我總結(jié)，找出自己的不足，查缺補漏，提高專業(yè)理論基礎(chǔ)及定向分析解決問題的能力。最后，以學(xué)生自評、組內(nèi)成員互評、教師點評的方式來確定每位學(xué)生的最終成績。

3 結(jié)束語

高校素質(zhì)教育的重點在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，以適應(yīng)新形勢的要求[6]，所以專業(yè)課程需要根據(jù)不斷變化的發(fā)展形勢進行合理的改革。而教學(xué)改革是一個長期的、多方位的、不斷探索的逐步完善的過程，需要教學(xué)工作者打破固定傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限，科學(xué)地改善教學(xué)方法，并合理運用到教學(xué)課程中，真正培養(yǎng)出具有綜合實踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才。實踐表明，本文提出的教學(xué)改革方法是可行的、有效的，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性及動手能力，從而鍛煉學(xué)生解決專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，提高教學(xué)水平，同時增強了學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)競爭力，有利于擴大學(xué)生的就業(yè)率。

參考文獻：

[1] 笪邦友.“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013.

[2] 孫先達.圖像分析處理技術(shù)研究及應(yīng)用[D].四川大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.

[3] 李金萍，陸玲，劉自強等.數(shù)字圖像處理課程實驗教學(xué)改革探索[J].科技視界，2012.7.

[4] 唐佳林.探討“數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)對策與方法[J].中國西部科技，2011.10（19）.

[5] 邵玉芹.圖像處理技術(shù)在車牌識別中的應(yīng)用研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[6] 曾怡.信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)實踐探討[J].中國林業(yè)教育，2011.1.