《数字图像处理》多课程融合案例化教学模式的实践探索
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作者:赵地
摘 要：将案例化教学模式引入《数字图像处理》课程，并将教学内容与本专业其他课程深度融合，旨在提高学生综合应用多门课程知识和技能的综合能力，增强自主学习和实践能力，进而提升独立分析和解决问题的综合素质。
关键词：数字图像处理;案例化;课程融合;教学改革
《数字图像处理》课程是各高等院校电子信息类专业的一门重要必修或选修课程。通过该课程的学习，旨在帮助学生掌握数字图像处理的基本概念，基本变换及性质，以及重要处理技术的核心思想和基本算法;并建立在图像增强、图像压缩、图像复原、图像分割、图像理解等理论与应用体系下的分析、解决实际问题的思维框架。
1 《数字图像处理》课程教学改革的必要性
数字图像处理技术已在军事、医学、遥感、通信等众多领域得到广泛应用和深入发展，多学科的交叉融合使得《数字图像处理》这门课程内容覆盖面广、理论性强，对学生综合能力要求高。《数字图像处理》一般在本科学业第三年开设，以高等数学、概率论、信号与系统、数字信号处理、多媒体技术等课程内容为先导知识，多课程的融合也使得其理论理解与实践操作难度增大[1]。笔者在教学中发现，对各种处理算法，由于讲解过程涉及数学推导与计算，内容枯燥，且受限于学生并不扎实的数学基础，大都无法得到良好的授课效果，且易致使学生失去学习兴趣、严重影响后续学习[2-3]。
基于此，笔者探索多课程融合的案例化教学模式。结合应用实际，凝练教学案例，将主要知识点及涉及的各专业课程融合其中，以实验手段辅助，先从具体应用场景中形象化引入以激发学生兴趣[4]，后深入理论、强化理解，增强对知识的运用能力。
2 多课程融合案例化教学实例分析
二维离散傅里叶变换是对图像进行处理和分析的重要工具，是《数字图像处理》课程中最基本、最常用的变换。傅里叶变换本身涉及复杂的数学公式及推导，理论性强，概念抽象。图像的频域特性历来是学生理解的重点和难点。本文以基于二维离散傅里叶变换的频域图像平滑方法为例，介绍该案例化教学的探索及思考。
2.1 教学步骤详解
（1）设计具体化应用背景。对含噪图像去噪是图像平滑处理中重要的应用之一。如右图，其中（a）为一幅含噪图像，（b）为平滑处理后的去噪图像。首先通过为学生展示这样一组形象化的实用案例，使其直观了解平滑处理的作用和效果。在图示案例展示中，一方面引导学生观察噪声特点，了解噪声也为图像中像素灰度值的突变点;若要减小噪声，则应沿减小灰度值起伏这一思路寻求解决方案。另一方面引导学生观察去噪图像，发现平滑后的图像中不仅噪声减小，并伴随明显的边缘弱化，细节丢失。由于图像中边缘、细节信息也是灰度值突变的部分，故在平滑作用中被弱化。基于以上分析，可使学生在直观的感受中了解图像边缘、细节与噪声的特点，明白图像平滑处理的作用及关键。
（2）融合《信号与系统》课程，由已有知识引出二维离散傅里叶变换。首先结合一维连续傅里叶变换的公式，着重从其意义及性质出发，复习并分析一维信号的频域特性。然后经二维连续傅里叶变换，离散化引出二维离散傅里叶变换，此过程应避免纯公式推导化讲解。最后结合二维离散傅里叶变换的性质和右图（c-d）所展示的幅频、相频特性，重点分析图像的频率分布特性（图像边缘、细节与噪声对应频域中的高频成分）、能量分布特点。
（3）基于案例的引导式启发。以分组讨论、提问发言等互动方式引导学生思考：图像中的噪声对应频域中的什么成分？经过何种处理可以减小噪声？如何实现？通过与学生共同完成进阶式的问题探索，逐步梳理出频域中平滑处理的算法流程、低通滤波的基本思想与设计方法。
（4）融合MATLAB课程基础，通过编程强化理解。介绍平滑处理中涉及的函数，在编程中梳理图像平滑的算法、步骤、低通滤波器设计等。通过实验、专题设计等模式，鼓励学生自发编程实现，在提升编程能力的同时强化对主要概念、性质等关键理论的理解。
2.2 效果分析与思考
多课程融合案例化教学比传统教学有较明显优势。通过实际应用案例引导理论学习，可提高学生的学习兴趣;多课程融合强化了各门相关课程的学习效果，可巩固学生的专业基础;互动式讨论参与的方式丰富了学生的课堂体验，可增加学习的主动性;课后专题设计激发了学生的求知欲，有助于培养创新思维。多课程融合案例化教学也给教师和学生带来了更高的要求。要求教师有扎实的专业功底，对于涉及的各门课程相当熟悉，具有关联知识点归纳、总结、提炼的能力;要求学生具备一定的专业基础及学习能动性，及时查漏补缺是确保学习成效的重要因素。
实践中也存在一些问题。由于学生长期接受传统的讲授式教学，刚开始难以适应自主思考、积极参与探讨的模式，导致前期学生的参与度不理想，课堂适应期较长。
3 结语
本文以基于二维离散傅里叶变换的频域图像平滑方法为例，论述了《数字图像处理》多课程融合案例化教学模式的实践探索。该教学模式采用紧密结合应用实例，融合多专业课程，多形式互动辅助等方式，重视激发学生学习兴趣，培养学习主观能动性，有助于强化對知识的综合运用能力，提升创新能力。
参考文献：
[1]曲中水.探究式教学法在数字图像处理课程中的应用[J].高师理科学刊，2018，38（6）：78-81.
[2]孟祥超，符冉迪，邵枫，陈恳.《数字图像处理》立体式教学方法改革与实践[J].高教学刊，2019（23）：136-138.
[3]李登辉，王岩红.独立学院数字图像处理课程教学改革实践——以桂林电子科技大学信息科技学院为例[J].大学教育，2018（6）：99-101.
[4]郭琳琴，杨艳.《数字图像处理数学方法》案例教学探讨[J].浙江水利水电学院学报，2018，30（6）：81-84.
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