馬保建，陳棒棒，劉向東

（1.新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843100；2.南疆發(fā)展研究院）

0 引言

視覺感知是人類或者機器理解外部世界非常重要的方式之一，其中對圖像信息的采集和處理在各個方面（比如醫(yī)療、工業(yè)和農業(yè)領域）都有著廣泛的應用[1-2]，這對數字圖像處理課程教學提出了更加高的要求。該門課程的理論性和實踐性都比較強，在課堂教學過程中，如果采用“填鴨式”的教學方式，會使學生失去對本門課程學習的興趣，影響本科教學的質量和效果。本文以新疆理工學院的機器人工程專業(yè)的數字圖像處理課程為試點，積極探索合適的教學方法和途徑，培養(yǎng)一批服務于當地經濟社會發(fā)展的高素質、應用型人才，為地方本科院校教學改革提供參考。

1 教學現狀與存在的問題

1.1 課程內容陳舊

經典的數字圖像處理教材里面的核心內容包括：圖像的空間變換、圖像的增強與去噪、圖像的形態(tài)學處理、圖像的分割等[3-4]，傳統教材內容涉及的理論知識較多，核心算法比較陳舊，各個章節(jié)之間的關聯性不大。隨著技術的進步，不斷出現數字圖像處理的新理論和方法，2012年深度學習技術在圖像處理上取得了巨大的成功[5]，相比于傳統圖像算法提取特征的繁瑣，深度學習可以實現端到端的處理過程，魯棒性和普適性都很好，但是這些先進的圖像處理技術并沒有在教材里面涉及，學生很難接觸到前沿的圖像處理算法，導致學生掌握的知識技能遠遠落后于實際生產生活中的迫切需求。

1.2 教學手段與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)

一般的授課方式從理論推導講解相關算法的流程，使學生陷入抽象以及繁瑣的數學推導過程中，極易讓學生產生厭學情緒。在實踐教學過程中大多數院校采用的算法驗證平臺是Matlab軟件[6]，該軟件中的圖像模塊基本涵蓋課程講解的相關算法，學生可以方便的調用相關函數簡單的驗證一下效果，導致學生無法通過現象夠理解背后算法的本質，使課堂教學的理論知識與實驗教學環(huán)節(jié)脫節(jié)，不利于學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。當遇到新的實際問題時，導致學生無從下手，不能把課堂學習的理論知識與實際問題有機地結合起來。

1.3 考核評價單一

目前的圖像處理課程的考核方式以理論考試和實驗報告兩種形式為主[7]，單純的考試不僅不能反映學生掌握理論知識的真實情況，而且也不能反映學生的編程實踐能力。同樣的，實驗報告的考核形式大多流于表面，學生的作業(yè)內容相似程度較高，抄襲現象普遍，這樣的考核評價方式與課程培養(yǎng)學生的宗旨大相徑庭。

2 教學改革的內容與舉措

2.1 以理論講解和實際編程的課程教學

（1）更新現有的圖像處理教學內容，刪除教材中的陳舊、過于理論以及沒有實際應用價值的算法，適當增加當前圖像領域的主流、前沿的相關內容和思想，使課程教學內容中的傳統方法和深度學習方法有機結合。積極引入目前圖像處理熱點問題進行討論，讓課堂的理論知識從生活中來，到生活中去，鍛煉學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新意識。同時以課程的核心理論為基礎，延伸一些前沿圖像處理技術的研究現狀，讓學生去檢索相關的論文，然后以小組匯報的方式呈現，鍛煉了學生的文獻檢索能力，而且了解了目前的研究熱點，完成從“要我學”到“我要學”的學習態(tài)度轉變。

（2）改進現有的圖像算法實驗平臺，由于Python和Matlab采用的都是腳本語言，相比于C/C++更容易理解和掌握，利用Python結合OpenCV、Scikit-image、Numpy等庫作為圖像處理的軟件環(huán)境，從基本原理上實現對圖像處理的編程操作，從本質上理解算法的原理。同時，利用目前主流的基于Python語言的深度學習框架Pytorch/Tensorflow編寫一些簡單的圖像處理案例，通過實踐操作加深對學習中卷積、池化、全連接層等基本概念的理解。

2.2 以任務驅動和成果展示的教學模式

在完善教材內容和實驗平臺的基礎上，安排學生參觀新疆理工學院機器人實驗室，讓學生了解圖像處理在機器人視覺感知中的重要地位。介紹幾款圖像信息獲取傳感器，比如傳統的CCD工業(yè)相機、微軟的Kinect系列的深度相機，同時也可以擴展講解一些激光雷達傳感器，并簡要介紹一些相機的基本原理知識，在此過程中完成圖像信息獲取與圖像處理基本知識的介紹，比如數字圖像的發(fā)展歷程、圖像形成的原理、像素的定義和彩色圖像的通道等基本概念。后續(xù)采用以任務驅動和成果展示的創(chuàng)新教學模式，依據解決每個任務所包含的知識點開展圖像處理算法概念和相關編程方法與技巧的教學。在完成單個圖像處理案例分析之后，為學生提供相似的任務，讓學生分組討論，并給出理論上的解決方案，然后再讓學生實際編程驗證小組討論的算法流程，充分調動學生參與的積極性，培養(yǎng)學生的動手實踐能力。同時，建立“翻轉課堂”式的圖像課程的交流平臺，使學生自主方便的選擇自己的學習時間，鞏固課上的理論學習內容。

在設計圖像處理課程任務時，充分考慮新疆的區(qū)位地理優(yōu)勢尤其是農業(yè)領域所涉及的圖像處理問題，并結合教師的科研項目，制定以解決實際問題為出發(fā)點的實驗方案（表1）。提煉出難度適中的驅動任務，以課程任務替代原有的章節(jié)內容，打通知識點之間的內在聯系，以系統性的思維方式考慮和解決問題，逐步讓學生掌握圖像處理課程的核心內容。

表1 課程任務涵蓋的圖像處理相關知識點

2.3 以比賽促教學的模式

積極鼓勵學生參加新疆省內和全國的相關比賽，以賽促學，通過參加農業(yè)機器人大賽和圖像處理大賽等方式進一步將學習到的理論知識轉化為實踐應用，例如在農業(yè)機器人大賽中，通過對玉米幼苗的葉片的識別判斷其生長狀況，為后續(xù)的水肥管理提供數據依據，通過參加這樣的大賽進一步激發(fā)學生探究未知世界的內在動力。在圖像處理課程教學中引導學生利用不同的圖像處理手段解決同一個實際問題，通過小組比賽的形式評比出最合理和高效的圖像處理方式，使原本枯燥的理論知識變得生動有趣，同時增加了課堂的活躍氣氛。

2.4 合理的成績考核指標

圖像處理課程實踐性較強，采用平時考勤和期末考試的方式不能準確地評價和衡量學生掌握知識的情況。由于采用以任務驅動的方式講解圖像相關算法，采用20%為平時成績（包括出勤率和完成課后作業(yè)情況），50%為實驗結果展示（以PPT小組匯報的形式），30%為試卷考試（主要考察圖像處理的基本知識），這三部分成績構成最后的學生成績。其中平時成績著重考察學生完成作業(yè)情況，結果展示考察學生講解圖像算法的基礎知識以及語言表達能力，最后的考試是考察學生掌握基本圖像算法原理的情況。通過這種綜合評價機制促進學生全方位素質的提升。

3 結論

本文通過以任務驅動的方式對機器人工程專業(yè)中的數字圖像處理課程進行改革探索。結合新疆理工學院的區(qū)位優(yōu)勢，以解決實際農業(yè)領域問題為課程導向，對課程內容、實踐環(huán)節(jié)以及成績評價指標等方面進行積極探索。將復雜枯燥的理論推導融入實際鮮活的生活案例中，不僅培養(yǎng)了學生發(fā)現問題和解決問題的能力，而且激發(fā)了學生的學習興趣和參與課堂教學活動的主動性，提升了學生的創(chuàng)新能力，促進教師的教學質量提高。