基于混合式教学的数字图像处理课程建设

徐志刚, 朱红蕾   

（兰州理工大学计算机与通信学院，甘肃兰州 730050）

[摘  要]数字图像处理课程理论性强、公式繁杂，并且主要章节间缺乏连贯性，学生学习难度较大。此外，传统的课程教学只注重图像处理算法原理讲解，忽视学生创新意识、思想道德和团队精神的培养。针对这些问题，基于OBE理念，开展了数字图像处理混合式教学课程建设。通过突出学生中心，重新构建课程知识体系、融入任务式学习方法和课程思政元素、改变课程考核模式等途径，提升课程的两性一度。通过3年的教学实践，数字图像处理混合式教学课程建设取得了显著的成效。

[关键词] 数字图像处理; 混合式教学; OBE; 任务驱动; 课程思政

[基金项目]2017年国家自然科学基金项目“基于稀疏建模的褪色/变色石窟壁画彩色图像超分辨率重建方法研究”(61761028)； 2019年教育部产学合作协同育人项目“基于沉浸式任务驱动的数字图像处理云课程建设”(201902072038)； 2019年甘肃省教育厅大学生就业创业能力提升项目“基于多学科融合策略的“大数据+”大学生创业能力提升实践”(902022) 。

[作者简介]徐志刚（1977-），男，甘肃省张掖市人，博士，兰州理工大学副教授，主要研究方向为图像和视频处理、机器学习。朱红蕾（1977-），女，山东省聊城市人，硕士，兰州理工大学副教授，主要研究方向为图像和视频处理、机器学习。

[中图分类号]G642.0  [文献标识码]A    

1  引 言

自从2016年中国正式加入《华盛顿协议》以来，工程教育专业认证工作在国内各高校得到了广泛响应。这一工作的深入开展对于我国工程技术领域人才培养模式的变革具有重要意义^[1]。工程教育专业认证的核心是基于学习产出的教育模式（Outcomes-Based Education，OBE）。OBE教育模式强调“学生中心、成果导向、持续改进”，重视学生能力的培养和素质的提高^[2]。在此背景下，OBE理念逐渐成为国内工科专业课程建设与改革的指导依据^[3]。

目前，基于OBE理念，国内众多高校的学者针对不同课程的建设开展了一系列探索。比如，王永泉等^[4]基于OBE理念，对课程教学设计、教学实施和课程评价各关键环节的原则、要点和形式标准进行了探讨。崔文超等^[5]基于OBE理念，提出通过基于项目驱动的教学方法对数字图像处理课程进行改革。田伟等^[6]对数字图像处理课程的教学目标、内容和考核模式进行改革，突出了以学生为主体，以成果为导向的教学模式创新。夏润秋等^[7]通过设置不同阶段的项目，培养并提高学生对数字图像处理相关知识的理解与运用能力。曲蕴慧^[8]针对混合式教学课程特点，将OBE理念与混合式学习方法有机结合，通过重设课程目标、改进教学方法和考核评价认定标准，促进了教学效果以及学生综合能力的提高。上述这些工作，为OBE理念下的课程建设提供了宝贵经验。

数字图像处理是面向计算机科学与技术等专业开设的一门必修课程。近年来，随着人工智能技术和大数据处理技术的发展，图像和视频数据处理的需求快速增长。数字图像处理课程的重要性也日益凸显。因此，基于OBE理念，探索数字图像处理课程混合式教学的组织模式及内涵建设具有积极意义。

2  数字图像处理传统教学中存在的问题 

“数字图像处理”课程主要讲述图像处理和图像分析两部分的内容。由于数字图像处理的主要章节相对独立，缺乏连贯性，而且课程理论性强，公式复杂，概念抽象，涉及的理论和方法既包含时域（空域）和变换域（频域为主），也包含线性代数、概率统计、信息论、集合论、信号处理等学科的知识，对于普通本科院校数学基础一般的学生而言，难度较大。同时，传统的数字图像处理课程教学模式还存在以下几方面的问题。

1) 课程采用“一言堂”的教学模式，学生参与度不高。传统的数字图像处理课程教学以课堂讲授为主。学生往往刚接触这门课时有一定的兴趣，认为图像处理内容新鲜有趣。但是，学生一旦触及复杂度较高的章节，这种视觉冲击产生的兴趣就不能维持长久。同时，在课堂教学过程中，学生处于被动接收的状态，参与度不高。这显然有违“以学生为中心”的OBE理念，同时也不利于学生学习主动性的培养。

2) 课程教学质量难以持续提高。数字图像处理知识点繁多，教学内容丰富，应用性强。但是，受学时等因素的制约，要对课程涉及的众多知识点都进行详细讲解并让学生消化理解是比较困难的。这导致很多学生对于课程内容囫囵吞枣，难以形成知识点之间的有效联系和系统化的知识体系，从而使得教学质量大打折扣。

3) 课程提供的学习资源有限，难以满足学生多样化需求。在以往的教学过程中，受授课条件限制，提供给学生的学习资源除了教材、参考书之外就是课堂上教师讲解过程中提供的应用示例。这些学习资源总量非常有限，难以满足不同层次学生个性化的需求。

4) 课程教学未考虑思政元素的嵌入。以往的教学设计主要考虑知识的传授。在教学内容以及教学方法上都缺少思政内容的嵌入，对于课程中蕴含的思政元素也未能充分挖掘。

3 数字图像处理混合式教学课程建设

3.1 混合式教学课程建设概况 

基于OBE理念，规划了“讲授+在线课程”的混合式教学模式。数字图像处理混合式教学课程平台自2018年开始建设。课程平台按照“课程资源”、“活动库”、“作业库”、“任务库”和“试卷库”进行内容组织。经过3个年度的建设和运行，在课程内容建设、学生实践能力和学习主动性提升、教学质量促进等方面，数字图像处理混合式课程均取得了良好的效果。

3.2 混合式教学模式改革

3.2.1 重新构建课程知识体系，突出混合式教学课程特点

在课程建设过程中，需要进一步深化OBE理念，突出混合式教学特点。在课程内容编排方面，建立树状知识图谱，采用知识框架+典型应用的“框架-分支-具体应用”模式重组数字图像处理课程学习流程。对于属于“框架”和“分支”的内容，进行扩充和加强，引导学生理解和掌握要解决的问题是什么？处理思想是什么？有哪些常用的处理方法和技术等基本内容，从而使学生加深对于枝干型内容的认知。而对于属于“具体应用”的内容，基于典型应用模式或场景，结合示例、程序设计等多种形式引导学生学习和分析。同时，合理划分线上线下的教学内容。在线下教学期间，引导学生在课堂学习之余借助平台资源拓展视野，加深对于相关内容的理解；在线上教学期间，通过设置即时讨论、任务打卡、疑难解答、作业提交等方式，提升学生在翻转课堂模式下的学习成效。

3.2.2 将任务驱动学习模式融入课程，提高课程的“两性一度”

课程将任务驱动学习方式融入教学，通过分层设计的图像处理任务，突出典型工程问题分析和解决能力的训练。同时，引导学生探索相关任务涉及的经典方法和新技术、新方法，进而归纳形成任务解决方案，从而保证课程学习的高阶性、创新性和挑战度。

课程结合混合式教学，利用课程平台设置了“空间域图像增强”、“变换域图像增强”、“图像边缘检测”和“图像阈值分割”等六个设计任务。对于这六个任务，要求学生以组为单位完成并任选其中三个任务撰写设计报告在平台上提交。在设计报告中，学生需要围绕设计要求通过多种方法实现设计任务，并对处理结果进行比较和分析。此外，在课程结束前，会组织一次线下小组汇报，由各组学生在设计任务中任选一个进行汇报。通过这些设计任务，实现课程学习从“教师中心”向“学生中心”的转换。同时，通过持续发布的设计任务，激发并维持学生的学习动力，提高学生学习的积极性、主动性和团队协作能力。

3.2.3 将思想政治教育贯穿教学全过程，落实立德树人根本任务

课程思政建设是落实立德树人根本任务，解决思想政治教育和专业教育“两张皮”问题，提升教学质量和人才培养质量的一项重要举措。充分挖掘数字图像处理课程中的思政元素，实现专业知识学习与思政教育的无缝衔接是课程建设的必然要求。数字图像处理课程在建设过程中，通过梳理和挖掘相关教学内容所蕴含的思想政治元素，将思政融入教学中，做到知识点与课程思政的有效结合。同时，充分发挥线上课程平台的作用，提供与课程思政相关的学习材料，增强学生对思想政治教育的直观感受和思想认同，从而使思政教育入脑入心。本课程设计的部分知识点与思政元素嵌入示例如下。

“图像获取”，嵌入应用于我国首次核试验的高速摄影机研制历史，引导学生学习我国老一辈科研人员为研制满足核试验影像记录需要的高速成像设备不懈奋斗的可贵精神。“图像几何变换”，嵌入“张氏标定”方法，引导学生认识伟大的发现都来源于对知识的不断探索。“图像增强”，嵌入图像去雾算法介绍，引导学生学习勇于挑战、赶超学术前沿的科研精神。“图像复原”，嵌入中国首次月球探测工程第一幅月面图像获取过程，培养学生的爱国主义精神。“伪彩色图像增强”，嵌入基于公共场合监控的高体温人体自动检测识别方法介绍，向学生展示伟大的抗疫精神，培养学生的民族自豪感。“彩色图像表示”，嵌入激光照排系统研制介绍，引导学生了解科学家立足国家需求、攻坚克难的历程，培养学生的社会责任感和工匠精神。“图像分割”，嵌入“天网”系统在强化城市综合管理、预防打击犯罪和突发性治安灾害事故中发挥的重要作用，引导学生认识专业技术在服务现代社会经济生活方面发挥的巨大作用。

3.2.4 优化课程考核方式，促进学生能力提升

本课程在考核模式上，按照OBE理念，构建以综合素质与能力评价为核心的多元化课程成绩评价形式。在形成学生课程总评成绩时，将能有效反映学生学习过程和学生问题分析、处理能力及团队协作能力等要素的学习记录、讨论、方案设计、线上任务完成情况等纳入考核范畴，合理确定各部分成绩所占比例。同时提升设计任务以及结课大作业的综合性和难度系数，在促使学生主动探索解决方案的同时增强相关设计任务的创新性和挑战度。

学生的课程总评成绩由线上学习成绩（35%）、设计任务（15%）和学期大作业成绩（50%）三部分构成。其中，线上学习成绩注重学生课程学习的过程性考核。设计任务注重考察学生的自主学习能力及团队协作能力。学期大作业侧重于检验学生课程学习的整体效果以及学生个人问题分析和解决的能力。

3.3 混合式教学改革成效

经过3轮混合式教学实践，数字图像处理课程的教学质量、学生学习的积极性和主动性以及学生学习成效较以往均有了明显的提升。为了分析《数字图像处理》混合式课程实施以来的教学效果，对3级学生数字图像处理课程成绩进行了对比，对比结果如图1所示。从图1中可以看到，在这三个年度里，学生总体成绩的优良率有明显提升。这也表明，在这三年的建设过程中，数字图像处理混合式教学课程改革取得了一定的成效。

图1 3级学生数字图像处理课程成绩对比

为了了解课程实施混合式教学对学生的影响及教学效果，以便及时调整教学方法，本课程在每一期课程教学中都进行调查问卷。在连续3年的调查过程中，课程班学生对数字图像处理混合式教学课程评价为“非常满意”和“满意”的比例合计均在96%以上（图2），这也反映出学生对于数字图像处理混合式教学课程的认可。

图2 2018-2020年度数字图像处理课程学生满意度调查 

4  结 论

基于工程教育认证OBE理念，积极进行课程教学改革是数字图像处理课程建设的重要方向。在3年的建设过程中，数字图像处理课程围绕OBE理念和课程教学目标，通过重构课程内容，融入混合式教学手段，采用任务驱动学习方法，内化思政元素，在成绩评定中加入多样化过程考核内容等手段，改变传统授课模式，有效提升了教学成效和学生学习兴趣，促进了学生自主学习能力、创新能力和团队协作能力的提高。

[参考文献]

[1] 李志义. 中国工程教育专业认证的“最后一公里”[J]. 高教发展与评估, 2020, 36(03): 1-13+109.

[2] 张男星. 以OBE理念推进高校专业教育质量提升[J]. 大学教育科学, 2019(02): 11-13+122.

[3] 王丽伟, 吴静怡, 张执南, 奚立峰, 林忠钦. 构建面向未来的工程教育体系[J]. 高等工程教育研究, 2021(01): 56-66.

[4] 王永泉, 胡改玲, 段玉岗, 陈雪峰. 产出导向的课程教学:设计、实施与评价[J]. 高等工程教育研究, 2019(03): 62-68+75.

[5] 崔文超, 邹俊杰, 汪方毅, 唐庭龙, 夏平. OBE理念下项目驱动的数字图像处理教学研究[J]. 图学学报, 2020, 41(06): 1031-1038.

[6] 田伟, 邓承志, 吴朝明, 胡赛凤, 汪胜前. 基于OBE理念的《数字图像处理》课程教学改革与实践[J]. 当代教育实践与教学研究, 2020(03): 191-192.

[7] 夏润秋, 刘力双, 刘洋, 吕勇. 基于学习产出的数字图像处理课程教学改革[J]. 教育教学论坛, 2020(22): 189-191.

[8] 曲蕴慧. OBE+混合式学习模式的《医学影像图像处理》课程教学研究[J]. 教育现代化, 2019, 6(36): 195-196+210.

Course Construction of Digital Image Processing Based on Blended Teaching 

Xu Zhigang, Zhu Honglei

(School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050)

[Abstract] The course of digital image processing has strong theory, complex formulas, and lack of coherence between the main chapters, which makes it difficult for students to learn. In addition, the traditional course teaching only pays attention to the principle of image processing algorithm, ignoring the cultivation of students' innovation consciousness, ideological morality and team spirit. To solve these problems, based on the concept of OBE, a blended teaching course was developed. By emphasizing student center, reconstructing curriculum knowledge system, integrating task-based learning method and changing curriculum assessment mode, the teaching quality of the course is improved.. Through three years of teaching practice, the curriculum construction of digital image processing mixed teaching has achieved remarkable results.

[Key words] digital image processing; blended teaching; OBE; task driven; course ideological and politics