“数字图像处理”课程的研究性教学探索及实践

摘 要:文章介绍了“数字图像处理”课程在注重理论教学、精心设计实验教学、教学方法改革、更新教学内容及适当运用双语教学等几方面的研究性教学方式,通过实施研究性教学,以提高该课程的教学水平、教学质量和教学效果。实践表明,通过研究性教学,激发了学生主动学习的兴趣,提高了学生进行研究性学习的能力,同时也培养了学生运用知识进行项目设计和研发的能力。

关键词:研究性教学数字图像处理创新工科

中图分类号:G521文献标识码:A文章编号:1673-9795(2011)05(a)-0109-02

工科类专业课程培养目标明确,实践性较强,随着社会的发展,电子信息技术的发展更是日新月异,要求培养出的高层次电子信息人才能够适应社会的发展,具有较强的创新能力[1]。《数字图像处理》是电子信息科学与技术专业和电子信息工程专业的一门专业主干课程,并且作为研究生学位课在研究生层次开设该课程,该课程具有工科专业课程所共有的许多特点,综合性很强,涉及数学、物理学、控制理论、信号处理、生物生理学、心理学、计算机科学等多个领域的知识,而且各学科的发展以及它们之间的交叉、集成和渗透,都推动着数字图像技术迅猛发展,也促使该课程的教学内容不断更新,相应对教与学、教学方法和手段都提出了较高的要求。为了切实提高教学水平、教学质量和教学效果,我们在研究生的《数字图像处理》的理论教学、实验教学、教学手段、教学内容及双语教学等几方面进行了教学改革探索,着重培养学生的研究性思维能力、理论联系实际的能力及解决实际问题的科研能力。

1 重视理论教学,培养学生研究性思维训练

工科专业的教学内容有较多既定的原理、概念和公式,原本教学应有的师生双向关系由于教学内容的传承性强势,使学生在教学过程中处于劣势。因此,教师在课堂教学中应增加学生学习的“自主”和“研究”成分,为学生形成研究性思维习惯和培养研究能力作好铺垫。理论教学能够为学生奠定研究创新必不可少的知识基础,也是研究性思维训练的重要途径。课堂教学不仅是学习基本知识的过程,也是学生了解科学研究,训练科学研究思路与方法的过程。

数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响:一是计算机的发展;二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善);三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。我们历来重视《数字图像处理》“绪论”一章的讲授,因为这一章不仅介绍了数字图像处理这门科学的发生、发展、应用方面、对科学及国计民生的重要意义,而且着重介绍了本门科学的内涵、特点及学习方法,对学生的后续学习和研究具有重要的指导意义。

在激发学生兴趣的同时,提炼出研究性思维的切入点是我们教学研究的重点之一。数字图像处理中涉及大量的数学问题,从工程应用的角度使这一数学工具回归工程,既强调了数学的严密性,培养学生严密的逻辑思维能力,又使学生了解了工程运用的规律,从而使学生得到研究性思维训练。如在讲到FFT时,强调学生掌握快速傅里叶变换的基本思想,即利用变换核的对称性和周期性实现的快速运算;又如,沃尔什变换的快速算法是利用矩阵分解的思想找到的;离散余弦变换的快速算法是利用两倍序列长度的傅里叶变换实现等。

数字图像处理中的数学描述与物理概念的相互印证也是重要的研究性思维方法。在科学研究中,把物理现象总结为数学模型,然后利用数学工具进行严密的推导与证明得到数学上的结论,这些数学结论再用物理概念加以解释,并且,通过科学的物理实验进一步加以验证,这样的科学研究就是最严谨的科研方法。这些具有启发性的知识点和科学严密的理论教学方法,将对学生今后从事科学研究及解决工程实际问题做出创新性工作具有巨大的启发性,同时,对学生进行研究性思维训练大有益处。

2 精心设计实验教学,提高学生研究性创新能力

工科课程实践性很强,采用课堂教学与实践教学并重的教学方法。实验教学是培养学生实验技能的重要途径,也是研究性学习的具体体现。实验教学不仅是检验理论知识、学习实验技能与实验技术,还可培养学生分析问题、解决问题的能力,为学生从事科学研究奠定基础[2]。

由于《数字图像处理》是一门理论性强、数学基础要求高、计算机知识特别是计算机编程方面要求高、实践性强的课程,因此,根据这一特点,一方面尽可能在理论上以图像和实际实验结果的方式向学生演示最新的研究成果,另一方面要求学生尽可能进行实际的数据处理、软件试验实践,以帮助学生掌握抽象和复杂的理论,同时,使学生能够有机会对实际的数据和影像进行亲手处理实验,提高学生的实际操作能力。

利用一些现有的工具(如Matlab)及其它高级语言(如C和C++)进行对实验和系统设计和性能分析。在授课过程中,安排团队课题,经过团队分工,通过查阅资料、方案设计和系统仿真,最后由学生讲述团队课题的进展和遇到的困难,阐述解决问题的思路和采用的解决方案,使得学生能够通过团队课题的探讨进一步将基础知识和科研相结合,也培养了学生解决科研问题的能力、语言组织表达能力和团队协助能力,同时还加强了学生理论探索和创新能力的培养。

针对研究生基础知识较为扎实,以验证性实验为辅,以学生为主导的自主开发性实验和具有研究性质的探索性实验为主。实践教学内容体现以下特点:(1)研究性和综合性。(2)交叉学科题目。(3)前沿性。使学生不仅检验理论知识,而且培养学生分析问题、解决问题的能力,为学生从事研究创新奠定基础。

3 运用多种教学方法和现代化教学手段,提高研究性教学效果

教学形式灵活多样。例如理论推导、例题讲解采取板书,设计实例采用多媒体。

在教学方法上,通过大量生动的图像处理实例调动学生学习积极性,引发同学对图像处理的兴趣,使学生既掌握了具体算法,也对处理效果有了实际感性认识,极大地激发了学生的学习积极性。注意理论与实践紧密结合。图像是视觉信息,在这门科学中信源及信宿均有特殊的性质,因此,也就构成了这门科学的独特魅力。如:本课中总结的人眼的许多视觉特性,同时介绍这些特性对图像处理中的独特作用,并给出成功应用的实例,引起学生的极大兴趣,由此,进一步引导学生学好图像编码、图像增强、图像识别等章节的知识[3]。

积极引入现代教育技术,教师采用现代化教学手段,学生自主应用现代化教学手段学习,优化教学的全过程,达到最优化的教学效果。在课堂上引入多媒体教学并进行教学改革,注重学生思维的启迪。如在图像滤波器处理教学中,利用多媒体向学生演示不同频率特性的滤波器(如高通、低通)对数字图像的处理结果并进行比较,使学生对滤波器的作用以及效果有一个直观的了解,并结合已讲授过的图像时域和频域分析理论对这些结果进行解释。教师利用现代化手段远程教学,开展多媒体网络化教学不仅促进教学内容、教材形式的改变,而且促进教育思想、观念的现代化,从而进一步改变了教学过程中学生认识事物的过程和教师、学生、教材三者间的关系,促使教师运用现代教育思想理念,不断为学生提供“活的教材”,设计活的课堂,让学生“活”起来,在探究发现中体会到学习的极大乐趣。有利于创建良好的教改环境,有利于学生个性充分的发展,有利于因材施教,有利于激发学习兴趣,有利于教师角色的转换,有利于提高教师队伍的素质和教学水平。学生自主应用现代化教学手段学习,学生可以在课外或在家中,利用电脑学校提供的教学软件、教学互联网的教学资料、Internet网等相关信息知识学习。这种方式学习的优势在于学生有灵活的选择性、高度的独立性与主动性。

4 引入最新前沿知识和科研成果,对研究性教学具有引领作用

随着电子信息技术的迅速发展,图像处理科学是一门不断发展的科学,新的理论及应用成果不断涌现,将其适时地引入到课堂教学中,可启发学生进行深入探究、激发学习兴趣。因此,科学研究成果的适时引入对研究性教学具有重要的引领作用。特别是科学研究中解决实际问题的一些经验知识,在一般的教科书或文献中不易见到的内容,结合理论教学适时地介绍给学生,也对学生研究性思维习惯具有引领作用。

《数字图像处理》课程的基本内容包括图像处理的概论和基础知识、图像增强、图像分割、图像几何变换、图像频域处理、图像特征提取与选取、图像压缩编码以及图像复原等知识[4]。以这些知识点为基础,把相关的科研项目和实际项目渗透到授课中。比如,在介绍图像处理的基础知识的时候,我们可以结合工业检测系统来讲述图像处理的过程;将牌照识别、人脸识别、图像检索等实际项目穿插到图像增强、图像分割、频域处理以及特征提取与选取中。同时,把神经网络、分形理论、马尔可夫随机场、小波分析等概念渗透到部分章节中,并给出该理论解决问题的结果,以提高学生学习新理论的兴趣,促使部分同学自学新的理论,培养学生的自学能力。

5 适当进行双语教学,提高学生外文文献阅读能力和写作能力

针对教学内容,有的实行全部英文教学,有的是掌握关键词的英语表达,教学过程中,为学生提供一些国外著名的学术网站链接,以便使学生能够了解到图像处理技术的最新应用和发展方向。通过数字图像处理课程的双语教学,使学生能够充分了解数字图像处理技术和其它相关技术如计算机技术英语专业术语,熟悉图像处理及其相关领域的广泛应用背景,激发学生将计算机软硬件知识应用于图像处理问题以及其他信息处理问题的兴趣和积极性,拓宽他们的知识面和视野,培养学生的创新意识,为学生外文文献阅读能力和写作能力的提高打下良好的基础。

布置某些专题进行设计,引导和鼓励学生从学校电子图书馆参阅与专题相关的中英文期刊论文、学士和硕士毕业论文,并将多渠道获取的相关资料进行整理研究。学生在搜集整理资料的过程中,对专题内容涉及的基础有一定的理解、对其应用和发展也有一个大致的了解,同时也提高了英文文献阅读能力和写作能力。这个过程使得整个教学过程对学生具有预知性和透明性,它不仅培养了学生学习的主动性,也增强了学生解决问题的能力。

在“数字图像处理学”授课中,将课程内容的基础性、先进性和应用性相结合,尽量做到系统性、科学性、完整性、先进性及实践性的高度统一,为探索研究性教学做了一些尝试。通过研究性教学,探索适合工科类专业课程教学的新模式,使学生不但能够掌握专业课程的基本理论和方法,同时理解其应用,通过设计研究性实验锻炼动手实践能力和创新思维能力,培养学生跟踪世界前沿技术最新发展趋势的能力,拓宽学生的国际视野,启迪创新思路和意识,为进一步培养高质量的现代专业技术人才做出贡献。

参考文献

[1] 陈建平,范钦珊,邓宗白.从工科基础课程的特点出发开展研究性教学[J].中国大学教学,2008,5:20～22.

[2] 胡伏原,王俭.数字图像处理教学改革探索[J].中国科技信息,2009,14:248～249.

[3] 冈萨雷斯[著],阮秋琦[译].数字图像处理[M].北京:电子工业出版社,2003.

[4] 章毓晋.图象工程[M].北京:清华大学出版社,2004.

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