陳曉冬 汪毅 田慶國 蔡懷宇

[關(guān)鍵詞]主導(dǎo)一主體式;教學(xué)模式改革;光電圖像處理課程;工程實例;邏輯主線式;漸進式實踐;教學(xué)評價

本科教育是高等教育人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)與核心。2018年8月，教育部印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函[2018]8號），要求各高校“打造‘金課”“切實提高課程教學(xué)質(zhì)量”?！敖鹫n”即具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的課程，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階思維為目標(biāo)，課程內(nèi)容具有前沿性，教學(xué)形式具有先進性和互動性，評價機制能夠客觀反映每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

光電圖像處理課程是《電子信息類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》（2014年版）列出的光電信息科學(xué)與工程專業(yè)課程。近年來隨著人工智能的興起，光電圖像處理技術(shù)因?qū)儆谌斯ぶ悄塬@取信息的重要渠道而成為研究熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)開設(shè)光電圖像處理課程或同類課程的學(xué)校超過200所。

天津大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)于20世紀(jì)80年代初開設(shè)光電圖像處理專業(yè)必修課程，至今已完成2次教材升級，并于2019年完成了在線開放課程建設(shè)。課程教研組在授課及課程建設(shè)中發(fā)現(xiàn)課程存在“內(nèi)容與工程實際脫節(jié)”“注重教師講解，缺乏與學(xué)生互動”“評價機制不能體現(xiàn)學(xué)生綜合能力”等問題，難以達到“金課”的要求及專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

為了了解決上述問題，課程教研組以“培養(yǎng)勝任光電信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、設(shè)計開發(fā)和項目管理等工作的卓越人才”的目標(biāo)為導(dǎo)向，著重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合工程實踐能力。課程教研組打破傳統(tǒng)以教師為主體的教學(xué)模式，探索了主導(dǎo)一主體式教學(xué)模式，通過精選具有前沿性、工程性的教學(xué)內(nèi)容，采用教師引導(dǎo)性教學(xué)方式，以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，利用多次漸進式實踐訓(xùn)練內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及高階思維，提升光電圖像處理課程教學(xué)質(zhì)量，打造光電圖像處理“金課”。

一、精選前沿性、工程性的教學(xué)案例

光電圖像處理作為一門工科的專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)可應(yīng)用于解決工程實際問題。但原來的光電圖像處理課程的教學(xué)內(nèi)容理論性強、缺乏與實際應(yīng)用的聯(lián)系，學(xué)生難以將所學(xué)模型、理論與實際成像系統(tǒng)及其相關(guān)問題聯(lián)系起來。為了解決該問題，需要將光電成像系統(tǒng)教學(xué)案例引入教學(xué)。

教師在教學(xué)中引入光電成像系統(tǒng)實例需注意處理好以下問題：①案例要具有常見性。教學(xué)案例應(yīng)為日常生產(chǎn)生活中常見的成像設(shè)備，確保學(xué)生無需額外學(xué)習(xí)也能理解該案例的功能。②案例要具有簡單性。教學(xué)案例的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，避免在教學(xué)中出現(xiàn)由與成像無關(guān)的功能或結(jié)構(gòu)所帶來的影響。③案例要具有吸引力。教學(xué)案例應(yīng)具有一定時代前沿性，能引起學(xué)生的興趣。④案例要具有統(tǒng)一性。在一定的教學(xué)階段（比如一章內(nèi)容）內(nèi)，所使用的教學(xué)實例應(yīng)統(tǒng)一，以保證學(xué)生學(xué)習(xí)與思考的連貫性。

在光電圖像處理課程的改革中，課程教研組選擇智能手機攝像系統(tǒng)作為教學(xué)案例。近年來新型智能手機層出不窮，其中很多以拍攝能力作為賣點，學(xué)生對智能手機攝像系統(tǒng)如何實現(xiàn)廣告中的強大功能感興趣，因此該實例既可滿足熟悉、簡單的要求，又對學(xué)生有較強的吸引力。

選定教學(xué)案例后，教師需從特定的角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考，進而提出問題，最終解決問題。下面以2個教學(xué)案例為例進行說明。

（一）案例一：光電圖像處理系統(tǒng)

該案例旨在使學(xué)生掌握光電圖像處理系統(tǒng)的組成及原理，其教學(xué)思路如圖1所示。教師首先提出問題：為什么使用多攝像頭？針對該問題，引導(dǎo)學(xué)生從光電圖像處理系統(tǒng)的各組成模塊及其作用人手，分析單攝像頭的局限性，再通過對多攝像頭中各攝像頭的作用、多攝像頭協(xié)同工作原理、布局要求、鏡頭防抖等技術(shù)細(xì)節(jié)的分析，使學(xué)生深入理解光電圖像處理系統(tǒng)的組成、原理、相互關(guān)系及性能制約因素，進而能夠針對具體工程要求，掌握分析、設(shè)計以及構(gòu)建光電圖像處理系統(tǒng)的能力。

（二）案例二：彩色圖像的獲取

該案例旨在使學(xué)生掌握光電成像系統(tǒng)獲取彩色圖像的原理，其教學(xué)思路如圖2所示。教師首先展示手機攝像頭中與色彩信息相關(guān)的器件、位置及其作用;接著在灰度圖像獲取系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析常用彩色器件即濾光片和濾鏡層提取色彩信息的原理、應(yīng)用特點以及與之相應(yīng)的彩色圖像合成方法;然后針對使用濾光片和濾鏡層會出現(xiàn)分辨率下降的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考解決思路，繼而以黑白+彩色雙攝手機為例提出高分辨率彩色圖像獲取方法。

在上述2個教學(xué)案例中，教師以講解與引導(dǎo)為主，以問題引導(dǎo)學(xué)生思考，使學(xué)生在逐步深入思考中掌握知識。在此過程中，為保證學(xué)生學(xué)習(xí)注意力集中，教師要求學(xué)生每次思考的時間不超過1分鐘，接著互相討論1分鐘，進一步加深對所思考問題的理解，發(fā)現(xiàn)其中的不足，進而能夠提出問題，增強對教師下一步講解的關(guān)注度和理解力。

二、教師引導(dǎo)邏輯主線式教學(xué)

以工程實際案例為核心的教學(xué)方式可有效提升學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的興趣和學(xué)習(xí)積極性，并使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)與實際應(yīng)用聯(lián)系起來。但光電圖像處理課程的部分教學(xué)內(nèi)容具有較強的理論性，難以僅僅使用工程案例來開展教學(xué)。因此在教學(xué)改革中，課程教研組采用了教師引導(dǎo)邏輯主線式教學(xué)，通過教師講解基礎(chǔ)知識一提出圖像處理需求一學(xué)生思考并提出解決方法一教師講解理論模型一學(xué)生思考并提出優(yōu)化方法一教師提出工程問題一學(xué)生利用所學(xué)知識解決問題等一系列步驟，使學(xué)生在教師的引導(dǎo)下一步步理解、掌握枯燥的理論知識，建立數(shù)學(xué)理論模型與光電圖像物理表現(xiàn)間的聯(lián)系，進而掌握對已有圖像處理方法進行改進、融合以解決實際工程問題的能力。下面以4個案例說明邏輯主線式教學(xué)的思路。

（一）案例一：線性空域濾波

本教學(xué)案例旨在使學(xué)生理解線性空域濾波為什么采用數(shù)學(xué)卷積模型，其教學(xué)思路如圖3所示。教師首先講解一維信號的低通與高通濾波，并將其擴展，獲得二維圖像空域濾波的特性;接著從空域濾波的過程人手，引導(dǎo)學(xué)生對比該過程與數(shù)學(xué)卷積過程的對應(yīng)性;最后通過卷積運算中常見的數(shù)據(jù)擴展現(xiàn)象啟發(fā)學(xué)生思考空域濾波中二維圖像邊緣保留問題。

（二）案例二：線性空域平滑濾波器的設(shè)計

本教學(xué)案例旨在使學(xué)生理解并掌握不同的空域平滑濾波器的特性以及內(nèi)在聯(lián)系，其教學(xué)思路如圖4所示。教師從BOX均值模板數(shù)學(xué)模型人手，講解該模板對圖像的平滑作用，并引導(dǎo)學(xué)生思考目標(biāo)周邊的像素對目標(biāo)的影響是否相同，進而提出對BOX均值模板的改進思路。在此基礎(chǔ)上，教師講解雙邊濾波模板的保邊平滑原理，使學(xué)生建立濾波核變化這一數(shù)學(xué)模型與物理圖像濾波結(jié)果問的聯(lián)系。接下來教師提出工程問題即橋梁裂縫檢測，在講解現(xiàn)有的Frangi裂縫提取算法的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生思考該算法的不足之處及改進思路，最終提出利用雙邊濾波代替原Frangi算法中高斯濾波的改進算法。

（三）案例三：空域銳化濾波器的設(shè)計

本教學(xué)案例旨在使學(xué)生理解并掌握不同的空域銳化濾波器的區(qū)別及聯(lián)系，其教學(xué)思路如圖5所示。教師首先通過對數(shù)學(xué)模型的分析，使學(xué)生了解圖像中目標(biāo)邊界作為高頻信息可通過數(shù)學(xué)差分方法進行增強，即圖像銳化。接下來，教師從最簡單的數(shù)學(xué)模型即梯度算子人手，實現(xiàn)了梯度濾波器的設(shè)計，并引導(dǎo)學(xué)生思考其不足及相應(yīng)的改進方法，最終提出Roberts算子、Sobel算子和Priwitt算子3種空域銳化濾波器。

（四）案例四：Canny算子邊緣檢測

本教學(xué)案例旨在使學(xué)生理解并掌握邊緣檢測濾波器，并能夠在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和改進，其教學(xué)思路如圖6所示。教師首先講解用于邊緣檢測的Canny算子，再從邊緣檢測性能3指標(biāo)即好的檢測能力、定位能力和響應(yīng)能力人手，引導(dǎo)學(xué)生思考Canny算子的改進方向：利用雙邊濾波器代替高斯濾波器，提升邊緣保持效果;利用Sobel算子代替4方向梯度銳化，優(yōu)化邊緣提取效果;采用自適應(yīng)雙閾值代替固定雙閾值，消除外部環(huán)境光變化對圖像整體灰度的影響。

教師在上述教學(xué)案例中，通過理論講解一引申思考一實踐問題思考的流程，引導(dǎo)學(xué)生完成了基礎(chǔ)一創(chuàng)新、理論一實踐的過程，使學(xué)生掌握了利用已有知識獲取新知識以及對工程實例的解決方案進行評估、分析和改進的能力，將學(xué)習(xí)的重心從教師維度轉(zhuǎn)移到學(xué)生維度，突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，變“教學(xué)生知識”為“教學(xué)生如何學(xué)習(xí)知識”，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。

三、引入漸進式綜合實踐

在完成上述理論教學(xué)與實踐案例教學(xué)后，為了進一步深化學(xué)生對所學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維及學(xué)以致用解決工程實際問題的能力，課程教研組在本次教學(xué)改革中還引入了綜合實踐訓(xùn)練。教研組針對不同的訓(xùn)練目的，設(shè)計了一系列不同難度的實訓(xùn)題目，通過難度逐漸加大的實訓(xùn)，逐步培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識獨立解決問題的能力。

（一）練習(xí)一：基礎(chǔ)概念、方法訓(xùn)練

光電圖像處理課程中有較多概念和方法，如空間頻率、頻譜、空域銳化方法等，為加強學(xué)生對概念的理解和對方法的掌握，課程教研組設(shè)計了具有一定綜合性的實訓(xùn)題目1和題目2，如圖7和圖8所示，側(cè)重于鍛煉學(xué)生在實踐中應(yīng)用所學(xué)知識解決具體問題的能力。圖7為2個平面波干涉形成的干涉條紋，該題目要求學(xué)生設(shè)計頻域圖像處理方法實現(xiàn)條紋間距的自動計算，旨在深化學(xué)生對頻域圖像、空間頻率、頻譜、空域頻域采樣間隔等概念的理解。圖8為人體骨骼的CT圖像，該題目要求學(xué)生根據(jù)圖像特點設(shè)計增強算法，以突出骨骼的更多細(xì)節(jié)，同時需要抑制背景噪聲，旨在深化學(xué)生對空域銳化方法特性的理解和掌握。

（二）練習(xí)二：新知識、新方法自學(xué)訓(xùn)練

實際工程問題千變?nèi)f化，其解決方法必然涉及課程沒有學(xué)過的知識和方法，為了鍛煉學(xué)生對實際問題的綜合分析能力以及通過自主學(xué)習(xí)解決問題的能力，課程教研組設(shè)計了較復(fù)雜的綜合實訓(xùn)題目3至題目5，如圖9、圖10、圖11所示。圖9為不同尺寸的同一幅圖像，展示了遠看和近看不一樣的圖像效果，該題目要求學(xué)生查閱資料學(xué)習(xí)這類圖像的合成原理，并設(shè)計方案合成任意2幅圖像，實現(xiàn)遠近觀察形成不同圖像的效果。圖10為光照不均衡的內(nèi)鏡圖像，該題目要求學(xué)生自學(xué)圖像的增強原理，并設(shè)計方案實現(xiàn)圖像的光照均衡和細(xì)節(jié)增強。圖11為學(xué)生在教室上課時的集體照，該題目要求學(xué)生編寫自動識別算法以實現(xiàn)2個功能：①數(shù)出集體照里的人數(shù);②利用自己的個人照片在集體照中找到自己。

目前已有5屆學(xué)生完成了綜合實訓(xùn)，學(xué)生反饋良好，圖12至圖14為學(xué)生的實訓(xùn)成果。對于基礎(chǔ)性實訓(xùn)，學(xué)生反饋“實現(xiàn)原理不難，但實現(xiàn)過程充滿趣味，也比較曲折”。對于難度較大的綜合實訓(xùn)，70%的學(xué)生能夠積極查找文獻中的知識和方法，并獲得一定的解決思路和較好的處理結(jié)果。

四、采用綜合教學(xué)評價體系

教學(xué)評價體系包括衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的形成性評價和衡量教師教學(xué)質(zhì)量的結(jié)果性評價。其中，形成性學(xué)習(xí)成果評價應(yīng)能全面評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，具有全程性、多樣化等特點嘲;結(jié)果性教學(xué)質(zhì)量評價則以學(xué)生為中心，基于“學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲”，由學(xué)生進行評判。

（一）形成性學(xué)習(xí)成果評價

在本次教學(xué)改革中，教學(xué)評價機制的優(yōu)化重點是體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的自學(xué)能力和解決工程問題的綜合能力，且評價機制貫穿學(xué)生學(xué)習(xí)全過程，杜絕“臨陣磨槍”式的學(xué)習(xí)。

評價考核由6部分組成：2次月考，每次占總成績的5%;1次期中考試，占總成績的10%;期末考試，占總成績的40%;平時作業(yè)與出勤，占總成績的10%;2次綜合實踐訓(xùn)練，每次占總成績的10%;實驗，占總成績的10%。其中，月考、期中考試和期末考試采取閉卷形式，主要考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況以及對圖像處理相關(guān)問題的分析和解決能力;實驗室實驗主要考查學(xué)生設(shè)計、調(diào)試光電成像系統(tǒng)，以及編寫圖像采集、處理、顯示程序，與光電成像系統(tǒng)配合解決工程實際問題的能力;綜合實踐訓(xùn)練，題目從5個綜合實踐訓(xùn)練題目中選取，基礎(chǔ)性與綜合性題目各選1題，主要考查學(xué)生的基礎(chǔ)知識掌握情況和自學(xué)能力。

上述形成性評價機制綜合考查了學(xué)生在學(xué)習(xí)全過程中的表現(xiàn)，激勵學(xué)生改變以往“考前突擊學(xué)習(xí)”的不良學(xué)習(xí)習(xí)慣，注重在日常學(xué)習(xí)中歸納總結(jié)、鍛煉自己分析與解決工程實際問題的能力。

（二）結(jié)果性教學(xué)質(zhì)量評價

為考查光電圖像處理課程的改革效果，及時優(yōu)化改革措施，課程教研組對學(xué)生進行期末匿名評價教學(xué)質(zhì)量反饋調(diào)查。以2020級學(xué)生為例，調(diào)查參評學(xué)生100人，有效參評學(xué)生86人。在86份有效參評反饋中，93%的學(xué)生認(rèn)為該課程的教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣并調(diào)動學(xué)習(xí)積極性;94%的學(xué)生認(rèn)為課程教學(xué)條理清晰，富有啟發(fā)性;93%的學(xué)生認(rèn)為通過該課程的教學(xué)，學(xué)會了將知識運用于實踐，并鍛煉了自學(xué)能力、溝通能力等;95%的學(xué)生認(rèn)為形成性評價方式能夠公平、真實地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在反饋中評價“課程兼具科普性、專業(yè)性和擴展性”“老師很注重思考過程”“實踐訓(xùn)練很有思考性和開放性，很能鍛煉能力”?？梢姡怆妶D像處理課程的改革取得了較滿意的效果。

五、總結(jié)與討論

根據(jù)教育部打造“金課”的要求，天津大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)光電圖像處理課程教研組展開教學(xué)改革，將原有的“教師教，學(xué)生學(xué)”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熞龑?dǎo)，學(xué)生思考”模式，使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。教研組采用生活中的實例進行教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的興趣;通過教師啟發(fā)引導(dǎo)，使學(xué)生在逐層深入思考中掌握了理論知識及其應(yīng)用;利用實踐綜合訓(xùn)練培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)新知識、解決問題的能力;采用綜合教學(xué)評價體系評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果與教師教學(xué)質(zhì)量。這樣的教學(xué)改革使光電圖像處理課程成為一門學(xué)生能夠在結(jié)課后學(xué)以致用，并進一步獨立深入研習(xí)、解決相關(guān)科研與工程問題的“金課”。