摘 要：數(shù)字圖像處理是一門以人工智能、信息技術和云計算為依托的新工科專業(yè)的重要基礎課程。為解決傳統(tǒng)課堂實驗教學模式存在的問題，基于自組織學習理念開展以混合式為載體的線上線下混合式實踐教學模式改革，以數(shù)字圖像處理課程為研究對象，設計并實施在線開放課程混合式實踐教學體系，實現(xiàn)課前自組織預習、課中交互式學習和課后多元立體評價的實踐教學模式。該模式能夠調動學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力。

關鍵詞：數(shù)字圖像處理；自組織學習；混合式實踐教學；多元評價；能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）31-0111-05

Abstract： Digital Image Processing is an important basic course supported by artificial intelligence， information technology， and cloud computing for new engineering majors. In order to solve the problems existing in the traditional classroom experiment teaching mode， a blended online and offline practice teaching mode reform based on the concept of self-organized learning and using blended learning as the carrier is carried out. Taking the course Digital Image Processing as the research object， the online and open course hybrid practical teaching system was designed and implemented， realizing a practical teaching mode of self-organized preview before class， interactive learning in class， and multiple three-dimensional evaluation after class. This model can mobilize students' enthusiasm and initiative in learning， and cultivate their innovative and practical abilities.

Keywords： Digital Image Processing; self-organized learning; hybrid practical teaching; multiple evaluations; ability development

數(shù)字圖像處理是當今信息科學中發(fā)展最快的熱點研究方向，涉及光學、電子和計算機科學等多個學科內(nèi)容。計算機類課程相關性比較強，在學習了程序設計、算法分析與設計和高等數(shù)學等課程后，非常需要一門綜合所學理論提高實踐技能和創(chuàng)新能力的課程。數(shù)字圖像處理在網(wǎng)絡空間安全學院面向計算機科學技術、軟件工程本科和碩士研究生開設，該課程系統(tǒng)學習圖像處理理論和技術，因其具有理論多且復雜，實踐難度大和應用廣泛的特點， 不但在計算機類等專業(yè)教學中具有承前啟后的作用，也是進一步進行相關研究的必修課程。

基于在線開放課程的混合式教學充分發(fā)揮教與學兩方面的優(yōu)勢，變被動學習為主動學習。教師從完全主導轉為部分主導，協(xié)助學生發(fā)現(xiàn)和分析問題；學生從被動參與轉為部分主導，在課前選擇看視頻、閱讀資料、網(wǎng)絡討論等適合自己的方式完成外化學習，在課堂上通過交流協(xié)作等方式完成知識的吸收與掌握，該方式能夠激發(fā)學生學習動力并專注發(fā)現(xiàn)問題的解決[1]。因此，通過混合式教學改革數(shù)字圖像處理課程教學兼具理論和應用價值。

一 數(shù)字圖像處理傳統(tǒng)教學中存在的問題

（一） 課程定位模糊，課時分配失衡

一是過分強調理論學習，由于該課程涉及學科較多，知識結構復雜且理論性強，教學中不但要講解基本理論和介紹國內(nèi)外最新研究成果，還要進行大量演示，因此大部分課時用于傳授理論、弱化實驗，從而導致學生實踐能力偏弱。二是過分強調應用技能的傳授，把課程內(nèi)容的講解和學習完全等同于Photoshop，課程全部采用實驗課單純傳授軟件使用，盡管學生的動手能力有提高，但完全忽略了課程相關學科理論知識及創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)。

（二） 基礎知識薄弱，課程難度較大

數(shù)字圖像處理課程需要線性代數(shù)、信號處理等先導課程，但是，由于課程設置和知識體系原因造成學生相關基礎知識薄弱。選擇以理論為主的教材進行教學時，學生在有限的時間內(nèi)通常由于對抽象理論感到難以理解而逐漸失去學習興趣；而選擇側重動手能力和編程的教材教學時，由于太注重程序編寫和簡單實踐而最終導致學生失去學習主動性。

（三） 理論推導過多，實驗缺乏創(chuàng)新

先導課程中的數(shù)學知識內(nèi)容和理論公式推導比較多，公式推導需要花費較多課時的同時也會讓學生失去積極性和主動性。同時，實踐教學中實驗設置較為固定，內(nèi)容相同且驗證性實驗偏多，學生通常按部就班輸入和調試程序，忽略了對程序功能和整體結構的理解，限制了學生綜合技能培養(yǎng)和創(chuàng)造性的發(fā)揮。

二 數(shù)字圖像處理在線開放課程建設

數(shù)字圖像處理課程培養(yǎng)具有系統(tǒng)、扎實圖像處理理論基礎，在圖像傳遞、處理及應用等方面具有較深專業(yè)知識、較強應用能力和實踐動手能力，具有良好編程素質和創(chuàng)新精神的高級人才[2-3]。因此，筆者以數(shù)字圖像處理課程實踐教學為探索對象，構建了基于在線開放課程的混合式教學模式，對于促進計算機類專業(yè)課堂改革有積極的意義。該課程于2019年9月入選鄭州大學第一批混合式開放課程建設名單，2020年10月正式在“愛課程”以及鄭州大學厚山講壇發(fā)布應用，截至2024年1月校內(nèi)線上和線下選課人數(shù)累計1 000余人，2021年11月被選為河南省研究生精品在線課程建設項目。

圖1為在線開放混合式課程研發(fā)、實施和評價總體框架。為了提高學生學習興趣和積極性，實現(xiàn)學生知識儲備和能力鍛煉兩個培養(yǎng)目標，在課程研發(fā)階段，課程團隊精心梳理課程知識點，針對重點和難點知識設計和錄制了講解視頻，設計和制作了教學大綱，課件、習題、作業(yè)、章節(jié)測試、期終考試、課程討論和實驗實踐等學習資源，并推薦相關參考網(wǎng)站和經(jīng)典閱讀資料供參考。同時梳理了對應的一般驗證性實驗并錄制了實驗演示的視頻放到平臺供學生預習，除此之外還在平臺上推薦了閱讀資料以及具有前沿研究論文的網(wǎng)址。

課程實施階段學生課外通過觀看視頻、在線練習和在線互動進行在線預習，課下則通過完成課后作業(yè)復習。翻轉課堂階段教師針對課程重難點知識和理論配合實驗演示進行介紹，通過修改實驗參數(shù)和某些關鍵點增強學生對知識的理解，緊接著針對課程學習過程中的共性問題進行講解，然后針對個別同學問題進行答疑和展開討論，并對線上練習和課后作業(yè)進行講解和協(xié)作交流，增強同學們對重難點知識的理解，最后教師針對本次課程內(nèi)容進行總結，加深對課程整體了解和學習。上述過程不但能夠保證知識學習的全面性，也能突出重點。

課程評價包括學習評價和教學評價，學習評價針對學生學習情況綜合評估，需要過程性考核和終結性考核相結合，形式上包括線上考評和線下考評，其中線上考評主要讓學生完成在線學習、單元測試、在線作業(yè)和期終測試；而線下考評主要包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、課堂實驗、課下實驗、實踐項目和期末考試。教學評價是為了驗證在線開放課程混合式教學模式效果，并針對存在的問題和不足進行總結和完善，以促進教學內(nèi)容、教學模式、教學方法調整，從而提高教學質量，因此教學評價主要由教務系統(tǒng)評教，學生訪談和問卷調查構成，主要內(nèi)容是教學過程中重難點講解是否詳細突出，學生線上學習和線下學習存在問題等。

課程研發(fā)時課程團隊成員負責課程設計、PPT制作、知識點講解和在線測試、教學資源建設和在線技術支持，視頻由第三方公司協(xié)助錄制完成。課程團隊初期根據(jù)混合式教學計劃安排將課程分解為30個知識點，根據(jù)任課教師專長分配授課知識點并制作PPT和編寫腳本，單視頻時長10分鐘內(nèi)，目前已經(jīng)進行了多輪次混合式教學。

三 數(shù)字圖像處理混合式實踐教學

基于在線開放課程的混合式教學按照時間次序劃分為課前、課中、課后三環(huán)節(jié)[4]。課前環(huán)節(jié)課程團隊教師結合基礎理論和最新研究動態(tài)對教學內(nèi)容進行優(yōu)化調整和針對性講解，自制視頻和課件等多媒體素材，學生利用在線視頻和課件預習。課中環(huán)節(jié)充分利用密切交互、開放協(xié)同等方法激發(fā)學生學習積極性，協(xié)助學生完成自身知識體系的生長，學生在場景中借助于成果交流、協(xié)同實現(xiàn)及反饋與評價等方式實現(xiàn)知識體系構建。課后環(huán)節(jié)著重評估檢驗及反饋優(yōu)化，強化對學生知識體系構建過程的跟蹤，及時采集學生學習過程中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)并分析學生學習興趣、方法和態(tài)度上的共性問題及優(yōu)點，針對授課內(nèi)容、授課方法、場景設計等再加工。

（一） 混合式實踐教學方案設計

1 教學目標和實踐教學內(nèi)容

為了充分利用在線開放課程開展混合式教學，并有針對性設計和提升實踐教學效果，課程團隊首先確立了課程學習的知識、能力和崗位目標。其中知識目標是指學生應該掌握的圖像處理概念原理、數(shù)字圖像處理方法和圖像分析實用技術等；能力目標則指學生應該具備的熟練圖像編程能力、邏輯抽象思維能力和解決應用問題能力等；崗位目標指的是學生通過該課程學習可以成為圖像處理算法工程師、模式識別算法工程師和圖像處理硬件工程師等[5]。

實踐教學內(nèi)容注重計算思維的培養(yǎng)，在實現(xiàn)圖像基本處理操作的基礎上，結合應用問題啟發(fā)學生主動發(fā)現(xiàn)，通過問題的解決加深對計算思維的理解，強化學生對問題的抽象、分析和解決等能力的全方位訓練，才能促進創(chuàng)新意識的養(yǎng)成。因此，針對課程內(nèi)容多且復雜的特點，課程團隊和任課教師采取抓住重點、解決難點的思路對授課內(nèi)容進行取舍，將教學內(nèi)容按照知識點順序和難易程度分為圖像基本概念及增強、圖像色彩及編碼、幾何變換及邊緣提取、形態(tài)學及圖像分割和圖像加密及表示五個層次[6]。

授課內(nèi)容兼顧完整性和突出重點，對應用性強的內(nèi)容講授和實踐并重，比如圖像變換、空域增強和彩色圖像處理等。而頻域增強、圖像復原和小波分析涉及數(shù)學知識較多，同時考慮在課程知識中的重要性，盡量弱化理論內(nèi)容講授及復雜數(shù)學公式推導，側重于應用場景、應用方法和細節(jié)介紹，以及應用和實踐效果體驗。對于圖像表示描述和圖像識別等研究偏多內(nèi)容，課堂介紹基本知識和應用場景，實踐環(huán)節(jié)偏重方案設計和效果體驗[7]。

2 分層實驗設計

為了達到實踐教學三個目標，課程團隊針對不同知識設計了分層次實踐內(nèi)容[8]。

一般性驗證實驗。通常先錄制整個實驗過程放在平臺上供學生提前預習，在授課過程中直接播放演示，不再課堂重復輸入調試過程，不但實現(xiàn)實驗預習，還能增強學生對理論內(nèi)容和實驗結果的直觀理解，同時節(jié)省授課時間。

重要性驗證實驗。除了錄制在線演示視頻供學生提前預習之外，還提前準備好需要代碼和數(shù)據(jù)進行課堂重現(xiàn)，在課堂演示時通過增加不同情境和修改重要參數(shù)的方式對實驗多次重復，以觀察不同情境和參數(shù)對實驗結果的影響，增強學生對關鍵知識點的理解和記憶。

創(chuàng)新和設計性實驗。以日常生活場景和科技應用出發(fā)設計創(chuàng)新性和開放性實驗，引起學生學習、思考和設計完成的興趣。實驗內(nèi)容也由淺入深構造多個不同場景，讓學生根據(jù)興趣和能力單獨或者分組完成其中一個實踐項目，通過該過程不但可提升學生對知識的理解，還能夠培養(yǎng)學生自學能力，團隊合作能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

3 實踐教學方法

1）興趣為引，積極主動。以應用示范啟發(fā)學生學習興趣和積極性，提升學習效率。根據(jù)課程特點組合運用啟發(fā)式和任務驅動等多種教學方法，實現(xiàn)實踐“教、學、做”三位一體。

教學中適時拋出問題引導學生思考，活躍學生思維同時增強興趣，能夠引導學生積極學習并探索創(chuàng)新，在此基礎上引入相關理論推導以提高分析問題、解決問題的能力，結合圖像和視頻介紹具體的應用實例，串聯(lián)不同章節(jié)內(nèi)容介紹已有應用和前沿動態(tài)。例如，以電影為例展示圖像增強和圖像修復可以提高影片圖像質量，以機動車自動收費為例介紹圖形增強和識別在自動化場景中的應用。

2）項目驅動，獨立協(xié)作。項目教學法能將課堂上的理論和實踐有效地結合起來充分發(fā)掘學生的創(chuàng)造力，提高解決實際問題的綜合能力[9]。項目要以教學的內(nèi)容為依據(jù)，以知識和技能的綜合提高為目標，在保證學生獨立實施前提下包含一定學習內(nèi)容和應用價值，并把有關的教學內(nèi)容轉化成一系列相互聯(lián)系、課上課下互為補充的實踐項目。

課程團隊教師根據(jù)實踐教學目標和內(nèi)容設計具有真實應用背景的項目，整理相關理論知識、技術并提供參考資料，提供項目實施所需的軟硬件環(huán)境。學生團隊整合項目涉及的知識點并利用網(wǎng)絡獲取信息，通過獨立思考和互相討論過程的多次迭代發(fā)現(xiàn)、分析和解決項目實施中的問題。最后項目成果評價以鼓勵性和指導性評價為主，提高學生積極性和增強成就感。

（二） 混合式實踐教學方案實施

1 項目教學能力目標

課程團隊教師按照課程教學計劃中專業(yè)技術能力的要求確定教學項目，將關鍵能力要求滲透到項目實施的過程與細節(jié)中[10]。課程團隊教師確立了數(shù)字圖像處理課程項目教學的能力目標是：通過本課程的學習，將為學生后續(xù)課程的學習打下良好的能力基礎，使學生在圖像信息的處理及應用等方面具有一定的發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力、較強的自學能力、應用能力和實踐能力，具有良好的編程素質、創(chuàng)新能力和綜合實踐能力，具備從事數(shù)字圖像處理高級產(chǎn)品研發(fā)的能力。

2 項目設計和實施

針對課堂實驗演示和實驗課堂教學，課程團隊確立了以激發(fā)學生學習興趣，提高學生編碼和調試能力，提升對相關知識和技術的感性與理性認識為主，以良好編程素質培養(yǎng)和綜合實踐能力提升為輔的思路。據(jù)此，課程團隊設計了32個演示性實驗和32個驗證性實驗，其中32個演示性實驗中16個錄制視頻供學生預習和課堂演示，另外16個演示性實驗錄制視頻供學生預習的同時在課堂上重現(xiàn)和修改。32個驗證性實驗要求每名學生在實驗課堂上獨立完成。

針對創(chuàng)新和設計性實驗，課程團隊設計了包括課下基礎實驗和擴展實踐教學的實踐項目，其中課下基礎實驗教學以擴展知識面，培養(yǎng)分析能力、設計能力和實踐能力為主，擴展實踐教學以提升學生創(chuàng)新能力和科研能力為主。其中，課下實驗環(huán)節(jié)基礎實驗針對重要知識點設計了12個綜合性和設計性實驗，要求每名學生在了解實驗目的的前提下課下獨立完成，自己設計方案、完成實驗和分析實驗，同時盡量把最新技術貫穿到項目中，這些實踐項目的實施大幅提升了學生的自學能力、分析能力、設計能力和實踐能力。

擴展實踐教學設計了30個與實際生活和科學前沿密切相關的創(chuàng)新性和科研性較強的實踐項目，要求學生獨立或者分組完成一個。通過小組內(nèi)部分工協(xié)作明確任務，交流協(xié)作和討論，完成需求分析、方案設計、技術選擇、編碼調試、成果展示和總結匯報等環(huán)節(jié)，學生根據(jù)完成的項目自我評估，然后再由教師根據(jù)每名學生在該項活動中的參與角色、程度、合作能力及成果等進行評價，這些項目實施有效提升了學生創(chuàng)新能力和科研能力及科研意識。

（三） 混合式教學考評方案

課程采用線上和線下融合，過程評價與終結評價相結合的多元考核評價體系。其中過程評價一方面利用網(wǎng)絡課程平臺全面跟蹤整個學習過程，另一方面加強和完善線下學習情況的考核。終結性評價一方面利用網(wǎng)絡平臺通過大題量多形式對基本概念、基礎理論和技術在線測試，另一方面利用線下筆試考核綜合性知識、技能和方法及實踐項目成果。為了評價教學實施成效，構建了多層次、多維度的考核體系并設計了線上和線下考核指標，見表1。

表1 混合式考評成績構成、考核內(nèi)容、考核細則和標準

1 過程評價方案

過程評價線上評價包括自學情況、線上作業(yè)和在線測試三部分，考核細則和標準通過視頻和課件學習個數(shù)、課后習題完成情況及累計學習時間和章節(jié)測試等實現(xiàn)，課后習題和章節(jié)測試以客觀題為主，主要包括選擇、填空和判斷題。通過該方式，教師能夠及時看到學生學習情況，學生也可以及時了解自身學習效果，鞏固所學知識，確保能夠牢固掌握基礎理論和知識。

過程評價線下評價主要包括線下課堂情況和線下課后情況，其中線下課堂情況包括課堂出勤、師生互動、課堂匯報、課堂紀律和課堂實驗方面；線下課后情況包括課后作業(yè)和課下任務，確保學生能夠充分理解并運用所學知識點解決實際問題，提升自學能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，其中課后作業(yè)以計算題、思考題和討論題為主，讓學生思考和拓展視頻所學內(nèi)容，考查學生應用知識能力，課下任務要求學生獨立完成設計性任務，采用學生分組結對互評方式考核，既可培養(yǎng)學生主動性，又可減少教師工作量。

2 終結評價方案

終結評價包括線上閉卷測試和線下閉卷筆試及實踐項目。其中線上評價主要由客觀題構成，覆蓋各章的重要知識點，加強學生對數(shù)字圖像處理理論、方法、技術的整體把握，題型包括選擇、填空、判斷和計算題等，通常在期末筆試之前在實驗課堂以在線閉卷形式進行。

線下評價閉卷筆試主要是主觀題，包括問答題、分析題和設計題等，主要考查學生對課程基礎理論的理解和實際問題方案設計。實踐項目評價是加強實踐環(huán)節(jié)考核的重要環(huán)節(jié)，要求學生完成并對所做工作成果進行展示，利用現(xiàn)場答辯、小組互評和教師點評方式評價考核，學生在實踐過程中能夠全力以赴完成規(guī)定的實踐項目，從而取得良好的實踐教學效果。

四 學習效果分析

數(shù)字圖像處理課程從2020年10月至2024年1月開設四輪次，對學生和成績等各項數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，并從在線和線下理論和實踐完成情況以及最終成績平均值進行了多維度分析。

（一） 在線作業(yè)和測試完成率較低，各項測試得分較高

對選課人數(shù)、在線學習和測試完成情況分析發(fā)現(xiàn)，課程完成作業(yè)與考試的比例不高，并隨著學習過程逐步減少。線上學習完成率低是普遍問題，調查分析發(fā)現(xiàn)主要原因是線上學習環(huán)境體驗感差導致的學生學習主動性低，另外就是學生僅選擇自己感興趣的視頻和課件觀看，而不完成在線課后習題和測試。

但是完成在線習題和測試學生的得分普遍較高，分析發(fā)現(xiàn)，造成這種情況的原因一方面是在線作業(yè)和測試都是客觀題，另外就是完成率高的這一部分學生學習主動性和積極性較高。結果顯示，總體上學生對基本概念和理論掌握相對較好。

（二） 線下作業(yè)和實踐完成率較高，完成質量較低

同樣分析了線下作業(yè)和實踐完成情況，絕大部分同學都能夠完成線下課后作業(yè)，課堂實驗及課下實驗任務，包括期末的實踐項目也都能分組全部完成，主要原因是線下課堂作業(yè)及實驗等更加符合傳統(tǒng)學習方式和習慣，對于實驗和實踐性質作業(yè)由于能夠看到直觀結果，學生也充滿了興趣和主動性。

從完成質量上看，課后作業(yè)及課堂實驗完成情況較好，主要是因為作業(yè)基本上都可以在課本上很快找到或者凝練出答案，課堂實驗中的驗證性實驗比較基礎，設計性實驗也是在驗證性實驗基礎上進行擴展和修改而來，學生只需要靈活運用、正確遷移即可完成。但是課下實驗任務和實踐項目完成質量較低，主要原因是這類實踐題目和項目具有較強的設計性和創(chuàng)新性，基礎知識和理論只是其中一個環(huán)節(jié)，學生需要做需求分析、方案設計、技術選擇和代碼調試等多項工作，對學生綜合實踐能力要求較高，因此完成質量較低。但是設計這類實踐項目的目的就是為了鼓勵學生探索和嘗試，因此，無論是評價還是分數(shù)均以鼓勵為主。

（三） 橫向對比各項成績，均值有一定差異

將是否參加在線課程混合式教學的學生分成兩組比較成績平均值和標準差。分析發(fā)現(xiàn)，不論是否參與在線課程混合式教學，兩組學生的成績標準差相差不大，但均值有比較明顯的差別，兩組成績平均值有6分差距?？梢耘袛喑鰳颖緮?shù)據(jù)的平均值存在顯著的差異，原因一方面是參與混合式教學學生確實花費了較多時間進行在線學習和在線測試，另一方面就是兩個班級學習氛圍本來就有所不同，在其他課程成績上也存在一定差異。但是考慮到學生在線自主學習確實能夠提升基本概念和理論掌握程度，也能夠充分利用網(wǎng)絡支持課下實驗任務和實踐項目完成，因此，總體上參加在線課程混合式教學學生成績比沒有參加的學生有一定提高。

五 結束語

1）基于在線開放課程混合式教學能夠將線上資源、任務及項目與線下交互學習及課后實踐相結合，打破了傳統(tǒng)課堂時空和人數(shù)等屬性限制，不但有利于培養(yǎng)學生自主學習習慣，而且也能夠促進教師整合優(yōu)質教學資源提升效率。

2）以提高學生學習興趣為牽引，以實踐項目為驅動，通過選取課下實驗任務和實踐項目來創(chuàng)設場景，通過自組織和協(xié)作相結合方式開展學習，并通過完成課下實驗任務和實踐項目來提升能力。實踐證明，以興趣為牽引和以項目為抓手的實踐教學模式能夠極大提高學生學習積極性和主動性。

3）以解決數(shù)字圖像處理教學過程中出現(xiàn)的問題為出發(fā)點，從線上線下教學內(nèi)容、課程資源建設、實踐教學方法和考核方法等方面進行了研究與改革。實施效果顯示，采用以上教學改革措施可有效提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

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基金項目：2022河南省研究生精品在線課程建設課程“《數(shù)字圖像處理》”（YJS2022ZX04）；鄭州大學課程思政課程“《數(shù)字圖像處理》”（2021ZZUGSKCSZ037）；鄭州大學精品開放課程“《數(shù)字圖像處理》”（2019XXJPKC023）；鄭州大學教育教學重大改革課題“智能傳感產(chǎn)業(yè)學院建設模式及人才培養(yǎng)探索與實踐”（2022ZZUJG006）；2024鄭州大學一流本科課程建設立項“數(shù)字圖像處理”（2024ZZUYLKC073）

第一作者簡介：龐海波（1979-），男，漢族，河南安陽人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為計算機視覺、機器學習和網(wǎng)絡安全。