鄭靜 王騰

摘要：數(shù)字圖像處理作為一門發(fā)展迅速的綜合性學(xué)科，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。該學(xué)科涉及的知識門類眾多，比本科教學(xué)中的其他理工科類學(xué)科所涉及的知識門類都要多。如何讓數(shù)字圖像處理的教學(xué)更加貼合不同專業(yè)學(xué)生的實(shí)際知識儲(chǔ)備情況和未來就業(yè)需求，顯得尤為迫切。教學(xué)實(shí)踐表明，與學(xué)生專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法，能夠因材施教，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，找到與其他學(xué)科的結(jié)合點(diǎn)，更加明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；融合專業(yè)背景

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）06-0158-02

Discussion and Practice of the Teaching Method of Digital Image Processing， Which is Integrated with Professional

ZHENG Jing，WANG Teng

（Yangtze University College of Arts and Sciences，Jingzhou， 434020，China ）

Abstract： digital image processing， as a comprehensive subject， is widely used in many fields. The discipline involved in the knowledge of many， than the undergraduate teaching in other science and engineering disciplines involved in the knowledge of more than. How to make the teaching of digital image processing more fit to the actual knowledge of different professional students and future employment needs， it is particularly urgent. Teaching practice shows that combined with the students' professional background of teaching methods to teach students in accordance with their aptitude， improve the students' interest in learning， find link with other disciplines， more specific learning goals， to further stimulate the students' learning motivation.

Key words： digital image processing； fusion professional background

1 概述

《數(shù)字圖像處理》是一門理論和實(shí)踐相結(jié)合的綜合性專業(yè)課程。當(dāng)前，本科階段的《數(shù)字圖像處理》課程大多在電信、控制和通信、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)作為專業(yè)核心課程開設(shè)，也是很多專業(yè)的選修課程。其教學(xué)大多以理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的形式進(jìn)行。

其中理論教學(xué)大多采用講授基礎(chǔ)理論、分析原理的方式，使學(xué)生對本學(xué)科的通用理論和基本算法有所了解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是對經(jīng)典算法和常用的成熟算法的編程實(shí)踐，使學(xué)生具有應(yīng)用的能力，同時(shí)還要培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)嶋H應(yīng)用，設(shè)計(jì)解決方法的能力。

2 現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容均過于刻板，不但無法適應(yīng)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上五花八門的圖像處理問題，其形式也過于刻板，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，對學(xué)生未來的就業(yè)、工作、學(xué)習(xí)也沒有很大的實(shí)際意義，即使學(xué)生將來從事相關(guān)工作，也需要很長一段時(shí)間來適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工作的需求。

理論教學(xué)長期以來采用講授方式，教師按照原理分析、算法推導(dǎo)、處理效果分析等順序按部就班地進(jìn)行講述，學(xué)生可以掌握基本的原理和算法，但面對現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜多變的應(yīng)用需求，往往需要多種算法相結(jié)合或?qū)σ延兴惴ǖ母倪M(jìn)才能解決問題。而習(xí)慣了單一講授模式的學(xué)生，在面對這些實(shí)際問題時(shí)，缺乏分析問題、設(shè)計(jì)解決方案、多角度解決問題的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在內(nèi)容和模式單一化的問題，大多由教師提出實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟，甚至提供示例代碼，而學(xué)生要做的工作則過于簡單，因此，學(xué)生沒有機(jī)會(huì)去思考、研究問題的解決方案，沒有將學(xué)到的基本理論和算法融入實(shí)際問題，而只是將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)作為加強(qiáng)理論教學(xué)效果的一個(gè)工具。

隨著人工智能技術(shù)的快速普及和應(yīng)用，數(shù)字圖像處理中的大多數(shù)算法都是為人工智能和機(jī)器識別做圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)的工作，除此之外，是諸如遙感圖像的處理、醫(yī)學(xué)圖像的處理等。這與相關(guān)專業(yè)學(xué)生的其他課程的目標(biāo)截然不同，也正是數(shù)字圖像處理課程的特殊性，使很多學(xué)生，在學(xué)習(xí)該課程之初，就沒有將課程與未來的就業(yè)相聯(lián)系，認(rèn)為該課程算法理論較多，內(nèi)容艱澀難懂，從事相關(guān)工作的門檻較高，且與以后的工作沒有相關(guān)性。因此，很多學(xué)生認(rèn)為此門課程是脫離實(shí)際的一門課程，也就不會(huì)投入過多的精力去學(xué)習(xí)它。

另外，在數(shù)字圖像處理課程的理論講授中，很多時(shí)候不可避免地會(huì)涉及數(shù)學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、信號處理甚至醫(yī)學(xué)等專業(yè)的相關(guān)知識，而現(xiàn)實(shí)的狀況通常是，理工科學(xué)生對于心理學(xué)、生理學(xué)、數(shù)學(xué)等知識的儲(chǔ)備是不夠的，且理工科中，由于所在專業(yè)不同，學(xué)生的背景知識也不同。例如，計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生有較強(qiáng)就編程和算法的實(shí)現(xiàn)能力，但是對于信號和時(shí)頻變換的相關(guān)知識相對就比較欠缺，所以，對于算法的理解有時(shí)會(huì)存在一定障礙；電信專業(yè)的學(xué)生對于數(shù)字化過程、信號處理和時(shí)頻變換相關(guān)知識的掌握較好，但是缺乏較好的編程和實(shí)現(xiàn)能力，雖然能夠較好地理解算法，但瓶頸往往在于算法的實(shí)現(xiàn)。

如果在教學(xué)中，能夠根據(jù)學(xué)生專業(yè)背景知識的差異性，采用與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法，摒棄單一化的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，因材施教，針對不同專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)不同的理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，就能夠更加充分地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更加明確數(shù)字圖像處理課程與本學(xué)科的聯(lián)系，也能夠?yàn)閷W(xué)生未來的工作和進(jìn)一步的學(xué)習(xí)深造提供幫助。

3 在理論教學(xué)中如何實(shí)踐

與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐上，具體過程和內(nèi)容如下。

理論教學(xué)在講授基礎(chǔ)知識、原理分析、推導(dǎo)算法、分析算法效果的基礎(chǔ)上，因材施教，為不同專業(yè)設(shè)計(jì)適合本專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的內(nèi)容，并將這些內(nèi)容融入到基礎(chǔ)知識、基本算法原理等的講授中。在理論教學(xué)中，每次講授完一個(gè)算法原理和該算法的基本常用應(yīng)用后，再在此基礎(chǔ)上，提出新的具體問題，讓學(xué)生思考怎樣利用已有的多種算法的結(jié)合或改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)新的問題。

在理論教學(xué)中，將時(shí)間劃分為幾個(gè)模塊，分別有講授、討論、思考等。在內(nèi)容的設(shè)置上，完成教材內(nèi)容的同時(shí)，融合專業(yè)特點(diǎn)，對教材內(nèi)容進(jìn)行加工處理，并擴(kuò)充和設(shè)計(jì)不同的內(nèi)容進(jìn)行講授、討論和課后研究。

在對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)時(shí)，將計(jì)算機(jī)專業(yè)不具備的信號相關(guān)知識和時(shí)頻變換相關(guān)知識，盡量深入淺出，精簡至該專業(yè)的學(xué)生能夠理解的程度，再結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)擅長編程和代碼實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，多將算法與代碼相結(jié)合，在算法的表述上，可以使用某種學(xué)生已學(xué)過的編程語言來表述，并通過代碼分析算法流程和算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度問題，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化算法，減小算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度。在講授基礎(chǔ)內(nèi)容和算法后，提出一個(gè)本次課算法相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用示例，進(jìn)行算法分析并組織學(xué)生討論算法是否有優(yōu)化的可能性和方法。最后，提出一個(gè)研究性問題供學(xué)生課后思考和上機(jī)實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以利用課后時(shí)間查閱相關(guān)參考資料，提出初步解決方案，設(shè)計(jì)問題的詳細(xì)解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)，并可在實(shí)驗(yàn)課時(shí)間進(jìn)行測試和討論。

在對電信專業(yè)學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)時(shí)，則要結(jié)合該專業(yè)的先修課程已講授的內(nèi)容，適當(dāng)調(diào)整教材中各部分內(nèi)容的處理方式和時(shí)間分配。在講授內(nèi)容的設(shè)計(jì)中，對于其他課程中已講授過的知識點(diǎn)，例如，時(shí)頻變換部分的變換公式及快速算法的原理分析等，不再進(jìn)行詳細(xì)講解，做簡單回顧即可。數(shù)字圖像處理中的很多概念、術(shù)語及算法，都與數(shù)字信號學(xué)科中的相關(guān)概念、術(shù)語和算法相類似，且數(shù)字圖像可以看成是特殊的一種二維信號，進(jìn)而可以分解為一維信號。在講授相關(guān)知識點(diǎn)時(shí)，可以跟數(shù)字信號處理中的相關(guān)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，使學(xué)生更加容易理解數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中算法的設(shè)計(jì)緣由和原理。但是，對于算法的實(shí)現(xiàn)方面，針對電信專業(yè)學(xué)生的欠缺，降低算法實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的難度。在進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)的展示時(shí)，采用仿真腳本來代替源代碼對程序進(jìn)行書寫，并根據(jù)仿真腳本的運(yùn)行效果，來調(diào)整算法的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，使學(xué)生掌握用仿真軟件描述算法、調(diào)試腳本以及觀察對比運(yùn)行效果等。相應(yīng)地，給電信專業(yè)學(xué)生分析討論的開發(fā)示例也采用仿真語言描述，用于思考和課后解決的研究性問題，也要求學(xué)生用仿真軟件實(shí)現(xiàn)即可。

在理論教學(xué)中，要始終貫徹開放思維的重要性，強(qiáng)調(diào)算法的靈活性和開放性，啟發(fā)學(xué)生如何改進(jìn)算法，如何融合不同算法的優(yōu)點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)新算法。通過融合專業(yè)應(yīng)用、開放性教學(xué)和思維方式，讓學(xué)生不僅能夠掌握已有算法知識，還知道怎樣利用已有知識解決新問題。

4 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)如何實(shí)踐

與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐上，具體過程和內(nèi)容如下。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先要解決實(shí)現(xiàn)算法的工具及平臺(tái)的問題。在工具和平臺(tái)的選擇上，也要融合專業(yè)特點(diǎn)，根據(jù)不同專業(yè)的知識背景選擇不同的工具來實(shí)現(xiàn)算法。

對計(jì)算機(jī)專業(yè)，選擇學(xué)生學(xué)過的高級語言以及使用過的開發(fā)工具和平臺(tái)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如C語言、C#或JAVA等。因?yàn)楸菊n程要求能夠較快地實(shí)現(xiàn)算法及算法的結(jié)合和改進(jìn)，更會(huì)要求解決新的應(yīng)用型問題，這樣，就需要熟練的代碼編寫能力，所以不適合采用新的語言和開發(fā)工具。

對電信專業(yè)，首先排除仿真軟件以外的其他高級軟件及其配套的開發(fā)平臺(tái)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的學(xué)生，并不具備除C語言外的其他語言的代碼編寫能力，如果選擇某一種高級語言來做實(shí)驗(yàn)的話，學(xué)生需要將較長的時(shí)間花費(fèi)在語言和開發(fā)工具的掌握上。所以，與電信專業(yè)其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相匹配，由于學(xué)生已經(jīng)掌握了多種仿真工具，本門課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用仿真軟件來實(shí)現(xiàn)，例如MATLAB等仿真軟件。

鑒于不同專業(yè)的背景知識和優(yōu)勢不同，在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容的設(shè)置上，也應(yīng)有所區(qū)別。

計(jì)算機(jī)專業(yè)善于編程、實(shí)現(xiàn)算法，但對于部分算法，如時(shí)頻變換、采樣量化等算法的原理掌握不深，所以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上，盡量偏向于空域數(shù)字圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，較少涉及頻域。

電信專業(yè)則相反，雖然不擅長編程和實(shí)現(xiàn)，但由于仿真腳本的編寫較源代碼要簡單得多，所以，可以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上，適當(dāng)提高難度，對于常用算法，重點(diǎn)掌握這些算法在實(shí)際問題中的用法，而不是實(shí)現(xiàn)算法流程本身。

對于研究性課題的設(shè)置也相應(yīng)地融合專業(yè)特點(diǎn)，設(shè)置不同難度和領(lǐng)域的實(shí)際問題，供學(xué)生自我學(xué)習(xí)和討論。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)采用開放式的教學(xué)方式，進(jìn)行研究性教學(xué)，不是簡單地設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟給學(xué)生，而是在此基礎(chǔ)上，提出更高的要求，讓學(xué)生參與進(jìn)來，共同解決問題，提高學(xué)生參與度，鍛煉學(xué)生用已有背景知識解決實(shí)際問題的能力。

5 在融合專業(yè)的教學(xué)方法的實(shí)踐中，教師的作用如何發(fā)揮

首先，教師應(yīng)堅(jiān)持自我學(xué)習(xí)，不斷更新知識儲(chǔ)備，適時(shí)更換教材、擴(kuò)充知識點(diǎn)；其次，應(yīng)向?qū)W生提供完整的教學(xué)資料，包括教學(xué)演示文稿、源代碼、腳本等，還應(yīng)督促學(xué)生課后自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)；最后，轉(zhuǎn)變教育觀念，貫徹開放式的教學(xué)方式，注重啟發(fā)性教學(xué)，并增加開放性教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生充分參與到理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合自身多年教學(xué)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過對不同專業(yè)具體知識背景和特點(diǎn)的分析，提出在教學(xué)中，應(yīng)充分考慮學(xué)生自身因素，融合專業(yè)特點(diǎn)，為不同專業(yè)設(shè)計(jì)不同的教學(xué)內(nèi)容和方法。經(jīng)初步嘗試取得了較好的效果。該教學(xué)方法適合數(shù)字圖像處理課程在不同專業(yè)的教學(xué)，因此開展比較順利。但實(shí)施中也遇到了一些困難，比如，教學(xué)學(xué)時(shí)的問題，教材選擇的問題等。因此，在該教學(xué)方法的具體實(shí)施上，要解決的問題還很多。

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