數(shù)字圖像處理教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探尋論文
1 引言
數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展迅速，且應(yīng)用范圍極其廣泛，在軍事航天、遙感醫(yī)學(xué)、通訊工業(yè)等等領(lǐng)域都有極其深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字圖像處理課程的開設(shè)，目的是使電子、通信、計算機(jī)專業(yè)等理工科的學(xué)生能夠掌握數(shù)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(shù)字圖像處理問題進(jìn)行抽象建模并動手編程解決，為其今后的科研、研發(fā)工作鋪好堅實(shí)的基礎(chǔ)。但也正因?yàn)樵撜n的應(yīng)用范圍廣，其涉及的基礎(chǔ)理論知識、算法眾多，屬于一門典型的交叉的學(xué)科，因此在教學(xué)中存在著需要教授的內(nèi)容章節(jié)多、難度跨度大(本科、碩士、博士均有數(shù)字圖像處理課)、理論算法抽象且復(fù)雜等難點(diǎn)，學(xué)生不容易找著重點(diǎn)，或者很容易出現(xiàn)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、通信專業(yè)大三學(xué)生為授課主體，筆者針對以上問題，提出了以主題方式開展數(shù)字圖像課程教學(xué)，通過形象感官地處理實(shí)例深入淺出解析課程中的理論算法，并進(jìn)一步結(jié)合一系列不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從知道應(yīng)該怎么做，到為什么這樣做，最終到我要怎么做，培養(yǎng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。通過幾個學(xué)期的實(shí)踐證明，這種方法在教學(xué)中具有明顯的預(yù)期效果，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)方法的不足。
2 數(shù)字圖像處理教學(xué)難點(diǎn)與分析
數(shù)字圖像處理課程屬于信息類專業(yè)必修課，在大學(xué)開設(shè)多年，傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理教學(xué)以教為主，學(xué)生學(xué)習(xí)起來枯燥、知識掌握困難。隨著該門課程越來越廣泛的應(yīng)用，其地位與日俱增，各個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，通過實(shí)踐也使學(xué)生更易掌握重要知識點(diǎn)，加強(qiáng)動手能力。但是該門課程仍存在兩個較難克服的教學(xué)難點(diǎn)。
第一，數(shù)字圖像處理涵蓋的章節(jié)內(nèi)容非常多，學(xué)生容易混淆，學(xué)習(xí)易產(chǎn)生疲勞情緒，而在本科有限的學(xué)時數(shù)中也難以兼顧。內(nèi)容包括圖像采集、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮編碼、圖像分割、圖像描述、圖像識別、數(shù)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(yīng)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(chǔ)知識多，比如需要先修復(fù)變函數(shù)與積分變換、線性代數(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、數(shù)字電路、專業(yè)英語等等。涉及的數(shù)學(xué)知識內(nèi)容多，理論公式推導(dǎo)多，導(dǎo)致學(xué)生聽課熱情降低。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(dá)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(dǎo)，把大量的教學(xué)課時用在理論性較深的章節(jié)中，而忽略了這些理論知識與實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合，會導(dǎo)致學(xué)生興趣低落，不利于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。以上兩個難點(diǎn)的克服以及其克服程度，是關(guān)乎“數(shù)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(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)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(jié)合實(shí)例演示、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(nèi)容相關(guān)性和難易程度，對圖像處理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分類，并采用主題式教學(xué)方法開展課堂教學(xué)。每個主題可以各成一個相對獨(dú)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(shù)字圖像處理教學(xué)內(nèi)容分為本科、研究生兩種難度。
本科的教學(xué)內(nèi)容相對基礎(chǔ)、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(nèi)容相對獨(dú)立完整性，以及教學(xué)時數(shù)的限教改教法72制等因素。對本校 36 學(xué)時的本科教學(xué)，作者選取了圖像處理的基礎(chǔ)入門內(nèi)容———數(shù)字圖像的基本處理方法進(jìn)行主題分割。將總體教學(xué)內(nèi)容分成緒論、圖像及其數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像編碼與壓縮六個主題，并循序漸進(jìn)。
緒論對數(shù)字圖像處理技術(shù)的由來、當(dāng)今的廣泛應(yīng)用以及未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行介紹，用過去、現(xiàn)在、未來這樣清晰的時間發(fā)展線索，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(xí)興趣。圖像及其數(shù)字化涵括像素、數(shù)字圖像的概念，圖像的數(shù)字化方法，以及整個數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的組成。讓學(xué)生對什么是數(shù)字圖像，它是怎么構(gòu)成的，怎么得到、處理數(shù)字圖像有一個系統(tǒng)的了解。為后續(xù)的各章節(jié)做了一個很好的鋪墊。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域、空間域變換到別的域來對圖像進(jìn)行新的表示和處理，通過對 FFT、DCT、小波等基本變換的方法和應(yīng)用的介紹，讓學(xué)生充分了解變換到非時空域處理問題的好處與前提，如何做這種變換，以及這種變換的用途。有了前面幾個主題的鋪墊，圖像增強(qiáng)主題自然引出，該主題內(nèi)容較多，包括點(diǎn)運(yùn)算中的灰度變換和直方圖修正法，區(qū)域運(yùn)算中的平滑和銳化。目的是讓學(xué)生對空間域的圖像增強(qiáng)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(qiáng)主題中的銳化問題引出，既然邊緣和輪廓已被增強(qiáng)，那檢測邊緣并將目標(biāo)分割出來就成了順理成章的事。該主題除了介紹分割的兩類方法———區(qū)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(dá)到的效果。還介紹了最后一個主題———圖像壓縮，從壓縮的重要性，壓縮要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，以及壓縮的具體方法三方面闡述，使學(xué)生不僅會壓縮，而且知道什么樣的才是一個好的壓縮。為今后的相關(guān)工作打好堅實(shí)的基礎(chǔ)。
4 學(xué)生的創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)
除了將教學(xué)內(nèi)容以循序漸進(jìn)主題模式進(jìn)行合理劃分，為每個主題定下明確的學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)外，在每個主題的講授中還要結(jié)合一些技巧，讓學(xué)生在思路清晰、目標(biāo)明確的前提下，進(jìn)一步對知識的理解、運(yùn)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(qiáng)、公式推導(dǎo)過多的內(nèi)容，在講解的過程中，盡量將理論知識與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐結(jié)合，使復(fù)雜的問題簡單化，將理論化為容易理解接受的形象圖像展示。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計不同的實(shí)踐方式讓學(xué)生從逐漸理解、嘗試運(yùn)用，到能產(chǎn)生自己的創(chuàng)新想法并實(shí)現(xiàn)，逐步培養(yǎng)、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。
針對復(fù)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言很難讓學(xué)生理解與消化。可以采用簡單圖像的變換結(jié)果的比較形象的展示。如圖1 中，通過對簡單黑底中白條的旋轉(zhuǎn)了解頻率高低與原圖的關(guān)系，通過細(xì)節(jié)稍有不同的兩幅簡單的十字圖，了解細(xì)節(jié)對頻譜的影響，從而可推斷出“高頻反應(yīng)細(xì)節(jié)，低頻反映輪廓”的結(jié)論。又比如在講解圖像增強(qiáng)中直方圖均衡理論時，如果從直方圖均衡化前后的對比效果圖人手，讓學(xué)生先直觀地了解直方圖均衡化的`作用和應(yīng)用，再來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(yīng)用，更能夠帶動學(xué)生的聽課積極性。在學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)方面，針對每個主題設(shè)計配套的驗(yàn)證性、設(shè)計型實(shí)驗(yàn)，在收到較好的效果時，進(jìn)一步提出課程設(shè)計內(nèi)容。讓學(xué)生由簡到難，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)新能動性調(diào)動出來。
比如，在講圖像分割專題時，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(yàn)證，了解不同算子進(jìn)行圖像分割的效果和原理。通過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(shè)計一個對顯微鏡下細(xì)胞圖像進(jìn)行分割的實(shí)驗(yàn)，要求尋找或自己設(shè)計一個適合細(xì)胞圖像的邊緣檢測算子。最后，對學(xué)有余力的同學(xué)可以讓其完成一個完整的細(xì)胞統(tǒng)計系統(tǒng)的課程設(shè)計，從算法的編寫、GUI界面的設(shè)計等方面發(fā)揮自己的主觀能動性，設(shè)計一個體現(xiàn)自己鮮明個性與選擇性功能的細(xì)胞統(tǒng)計系統(tǒng)，例如可選擇是否進(jìn)行圖像文件的打開挑選、保存、退出，還是直接采用默認(rèn)圖像，手動或自動進(jìn)行細(xì)胞分割等等。這樣，一方面，學(xué)生通過驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)可鞏固每個主題的理論知識，并總結(jié)各個實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步進(jìn)行比較全面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)更綜合的圖像處理的功能;另一方面，學(xué)生通過代碼的改寫或調(diào)試，在已有知識的基礎(chǔ)上能培養(yǎng)自己的創(chuàng)新思維，發(fā)揮自己的創(chuàng)新能力，達(dá)到將數(shù)字圖像處理技術(shù)靈活應(yīng)用的程度。
5 總結(jié)
本文提出了采用主題式教學(xué)和分層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)置改革數(shù)字圖像處理的教學(xué)方式。詳細(xì)闡述如何對主題進(jìn)行劃分，以及確定每個主題的內(nèi)容、目標(biāo)及重點(diǎn)。用頻譜圖的具體比對例子，對復(fù)雜理論講解難點(diǎn)的解決方法進(jìn)行說明。又采用圖像分割主題中，不同難易程度及性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)安排對如何激化學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與創(chuàng)新能力進(jìn)行舉例解釋。清晰闡述了一個新的教改觀點(diǎn)。實(shí)踐結(jié)果也表明，本文所提的方法是切實(shí)可行的，在本校本科專業(yè)的學(xué)生教學(xué)中取得了良好的效果，對數(shù)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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