主題式數字圖像處理教學(xué)與學(xué)生創(chuàng )新能力培養的探尋論文
1 引言
數字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，且應用范圍極其廣泛，在軍事航天、遙感醫學(xué)、通訊工業(yè)等等領(lǐng)域都有極其深遠的影響。數字圖像處理課程的開(kāi)設，目的是使電子、通信、計算機專(zhuān)業(yè)等理工科的學(xué)生能夠掌握數字圖像的基本概念、理論及處理方法，能切實(shí)將生活中的數字圖像處理問(wèn)題進(jìn)行抽象建模并動(dòng)手編程解決，為其今后的科研、研發(fā)工作鋪好堅實(shí)的基礎。但也正因為該課的應用范圍廣，其涉及的基礎理論知識、算法眾多，屬于一門(mén)典型的交叉的學(xué)科，因此在教學(xué)中存在著(zhù)需要教授的內容章節多、難度跨度大(本科、碩士、博士均有數字圖像處理課)、理論算法抽象且復雜等難點(diǎn)，學(xué)生不容易找著(zhù)重點(diǎn)，或者很容易出現畏難情緒，對知識的掌握吸收不利，更談不上進(jìn)一步的創(chuàng )新。以電子、通信專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生為授課主體，筆者針對以上問(wèn)題，提出了以主題方式開(kāi)展數字圖像課程教學(xué)，通過(guò)形象感官地處理實(shí)例深入淺出解析課程中的理論算法，并進(jìn)一步結合一系列不同性質(zhì)的實(shí)驗，讓學(xué)生從知道應該怎么做，到為什么這樣做，最終到我要怎么做，培養起學(xué)生的學(xué)習興趣和創(chuàng )新能力。通過(guò)幾個(gè)學(xué)期的實(shí)踐證明，這種方法在教學(xué)中具有明顯的預期效果，很好地彌補了傳統的數字圖像處理教學(xué)方法的不足。
2 數字圖像處理教學(xué)難點(diǎn)與分析
數字圖像處理課程屬于信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修課，在大學(xué)開(kāi)設多年，傳統的數字圖像處理教學(xué)以教為主，學(xué)生學(xué)習起來(lái)枯燥、知識掌握困難。隨著(zhù)該門(mén)課程越來(lái)越廣泛的應用，其地位與日俱增，各個(gè)高校都予以了高度重視，對實(shí)踐也逐漸重視，提出了實(shí)踐教學(xué)改革、實(shí)例教學(xué)等嘗試，取得了一系列的教學(xué)成果[2-3]，通過(guò)實(shí)踐也使學(xué)生更易掌握重要知識點(diǎn)，加強動(dòng)手能力。但是該門(mén)課程仍存在兩個(gè)較難克服的教學(xué)難點(diǎn)。第一，數字圖像處理涵蓋的章節內容非常多，學(xué)生容易混淆，學(xué)習易產(chǎn)生疲勞情緒，而在本科有限的學(xué)時(shí)數中也難以兼顧。內容包括圖像采集、圖像變換、圖像增強、圖像復原、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像描述、圖像識別、數學(xué)形態(tài)學(xué)處理、彩色圖像處理等等，跨度很大，這與該課的應用領(lǐng)域廣泛是息息相關(guān)的。第二，課程牽涉的需要前期先修的基礎知識多，比如需要先修復變函數與積分變換、線(xiàn)性代數、信號與系統、數字信號處理、數字電路、專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)等等。涉及的數學(xué)知識內容多，理論公式推導多，導致學(xué)生聽(tīng)課熱情降低。如在圖像的頻域變換一章中涉及了離散余弦變換、K—L變換、離散沃爾什一哈達瑪變換、小波變換等。如果只是片面依靠講授理論公式的推導，把大量的`教學(xué)課時(shí)用在理論性較深的章節中，而忽略了這些理論知識與實(shí)際應用的緊密結合，會(huì )導致學(xué)生興趣低落，不利于學(xué)生應用能力的培養。以上兩個(gè)難點(diǎn)的克服以及其克服程度，是關(guān)乎“數字圖像處理”課程能否為學(xué)生們接受，取得較好的教學(xué)效果，并調動(dòng)學(xué)生學(xué)習積極性、創(chuàng )新性的關(guān)鍵。本文提出了主題式教學(xué)方法，結合實(shí)例演示、實(shí)驗驗證、啟發(fā)的方法克服以上難點(diǎn)。
3 主題式教學(xué)模式探索主題式
教學(xué)模式，是指按教學(xué)內容相關(guān)性和難易程度，對圖像處理教學(xué)內容進(jìn)行分類(lèi)，并采用主題式教學(xué)方法開(kāi)展課堂教學(xué)。每個(gè)主題可以各成一個(gè)相對獨立的體系，但又具有一定的前后相關(guān)性和相輔相成性。這部分工作將數字圖像處理教學(xué)內容分為本科、研究生兩種難度。本科的教學(xué)內容相對基礎、容易理解，而研究生階段的教學(xué)主要是高層次的圖像理解。兩者劃分還要考慮到前后關(guān)聯(lián)性，內容相對獨立完整性，以及教學(xué)時(shí)數的限教改教法72制等因素。對本校 36 學(xué)時(shí)的本科教學(xué)，作者選取了圖像處理的基礎入門(mén)內容———數字圖像的基本處理方法進(jìn)行主題分割。將總體教學(xué)內容分成緒論、圖像及其數字化、圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像編碼與壓縮六個(gè)主題，并循序漸進(jìn)。緒論對數字圖像處理技術(shù)的由來(lái)、當今的廣泛應用以及未來(lái)的發(fā)展趨勢進(jìn)行介紹，用過(guò)去、現在、未來(lái)這樣清晰的時(shí)間發(fā)展線(xiàn)索，用講故事的方式，讓學(xué)生迅速了解該技術(shù)的歷史、重點(diǎn)、重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。圖像及其數字化涵括像素、數字圖像的概念，圖像的數字化方法，以及整個(gè)數字圖像處理系統的組成。
讓學(xué)生對什么是數字圖像，它是怎么構成的，怎么得到、處理數字圖像有一個(gè)系統的了解。為后續的各章節做了一個(gè)很好的鋪墊。在圖像的變換主題中講述為何要將圖像從我們已了解的時(shí)域、空間域變換到別的域來(lái)對圖像進(jìn)行新的表示和處理，通過(guò)對 FFT、DCT、小波等基本變換的方法和應用的介紹，讓學(xué)生充分了解變換到非時(shí)空域處理問(wèn)題的好處與前提，如何做這種變換，以及這種變換的用途。有了前面幾個(gè)主題的鋪墊，圖像增強主題自然引出，該主題內容較多，包括點(diǎn)運算中的灰度變換和直方圖修正法，區域運算中的平滑和銳化。目的是讓學(xué)生對空間域的圖像增強處理的必要性、效果與處理的具體方法有感性的了解。圖像分割主題緊跟圖像增強主題中的銳化問(wèn)題引出，既然邊緣和輪廓已被增強，那檢測邊緣并將目標分割出來(lái)就成了順理成章的事。該主題除了介紹分割的兩類(lèi)方法———區域分割和邊界分割外，主要讓學(xué)生理解分割的目的和要達到的效果。還介紹了最后一個(gè)主題———圖像壓縮，從壓縮的重要性，壓縮要達到的標準，以及壓縮的具體方法三方面闡述，使學(xué)生不僅會(huì )壓縮，而且知道什么樣的才是一個(gè)好的壓縮。為今后的相關(guān)工作打好堅實(shí)的基礎。
4 學(xué)生的創(chuàng )新思維能力的培養
除了將教學(xué)內容以循序漸進(jìn)主題模式進(jìn)行合理劃分，為每個(gè)主題定下明確的學(xué)生學(xué)習目標外，在每個(gè)主題的講授中還要結合一些技巧，讓學(xué)生在思路清晰、目標明確的前提下，進(jìn)一步對知識的理解、運用了然于胸，并進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新意識。這方面需要做的工作包括：針對教學(xué)中理論性較強、公式推導過(guò)多的內容，在講解的過(guò)程中，盡量將理論知識與實(shí)驗實(shí)踐結合，使復雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，將理論化為容易理解接受的形象圖像展示。通過(guò)驗證實(shí)驗、設計性實(shí)驗、課程設計不同的實(shí)踐方式讓學(xué)生從逐漸理解、嘗試運用，到能產(chǎn)生自己的創(chuàng )新想法并實(shí)現，逐步培養、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新思維能力。針對復雜理論的講解，一定要形象化。比如圖像變換中對圖像與其頻域顯示相關(guān)性的闡述。采用公式算法或抽象語(yǔ)言很難讓學(xué)生理解與消化�？梢圆捎煤�(jiǎn)單圖像的變換結果的比較形象的展示。如圖1 中，通過(guò)對簡(jiǎn)單黑底中白條的旋轉了解頻率高低與原圖的關(guān)系，通過(guò)細節稍有不同的兩幅簡(jiǎn)單的十字圖，了解細節對頻譜的影響，從而可推斷出“高頻反應細節，低頻反映輪廓”的結論。又比如在講解圖像增強中直方圖均衡理論時(shí)，如果從直方圖均衡化前后的對比效果圖人手，讓學(xué)生先直觀(guān)地了解直方圖均衡化的作用和應用，再來(lái)講均衡化處理的原理和步驟，并且讓學(xué)生思考直方圖均衡化在實(shí)際生活中的應用，更能夠帶動(dòng)學(xué)生的聽(tīng)課積極性。在學(xué)生創(chuàng )新思維培養方面，針對每個(gè)主題設計配套的驗證性、設計型實(shí)驗，在收到較好的效果時(shí)，進(jìn)一步提出課程設計內容。讓學(xué)生由簡(jiǎn)到難，從初步理解到懂得怎么做，再到我想怎么做，一步步把學(xué)生的創(chuàng )新能動(dòng)性調動(dòng)出來(lái)。比如，在講圖像分割專(zhuān)題時(shí)，首先請大家參考教材資料，用Roberts 算子、Sobel算子、Prewitt算子、LOG 算子進(jìn)行圖像分割的算法驗證，了解不同算子進(jìn)行圖像分割的效果和原理。通過(guò)不同算子之間的比較更進(jìn)一步了解分割效果與算子模板的關(guān)系。然后請大家設計一個(gè)對顯微鏡下細胞圖像進(jìn)行分割的實(shí)驗，要求尋找或自己設計一個(gè)適合細胞圖像的邊緣檢測算子。最后，對學(xué)有余力的同學(xué)可以讓其完成一個(gè)完整的細胞統計系統的課程設計，從算法的編寫(xiě)、GUI界面的設計等方面發(fā)揮自己的主觀(guān)能動(dòng)性，設計一個(gè)體現自己鮮明個(gè)性與選擇性功能的細胞統計系統，例如可選擇是否進(jìn)行圖像文件的打開(kāi)挑選、保存、退出，還是直接采用默認圖像，手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行細胞分割等等。
這樣，一方面，學(xué)生通過(guò)驗證型實(shí)驗可鞏固每個(gè)主題的理論知識，并總結各個(gè)實(shí)驗，進(jìn)一步進(jìn)行比較全面的實(shí)驗設計，實(shí)現更綜合的圖像處理的功能;另一方面，學(xué)生通過(guò)代碼的改寫(xiě)或調試，在已有知識的基礎上能培養自己的創(chuàng )新思維，發(fā)揮自己的創(chuàng )新能力，達到將數字圖像處理技術(shù)靈活應用的程度。5 總結本文提出了采用主題式教學(xué)和分層遞進(jìn)式實(shí)驗設置改革數字圖像處理的教學(xué)方式。詳細闡述如何對主題進(jìn)行劃分，以及確定每個(gè)主題的內容、目標及重點(diǎn)。用頻譜圖的具體比對例子，對復雜理論講解難點(diǎn)的解決方法進(jìn)行說(shuō)明。又采用圖像分割主題中，不同難易程度及性質(zhì)的實(shí)驗安排對如何激化學(xué)生的學(xué)習熱情與創(chuàng )新能力進(jìn)行舉例解釋。清晰闡述了一個(gè)新的教改觀(guān)點(diǎn)。實(shí)踐結果也表明，本文所提的方法是切實(shí)可行的，在本校本科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生教學(xué)中取得了良好的效果，對數字圖像處理教學(xué)的進(jìn)一步改進(jìn)具有一定的參考意義。
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