翻转课堂在数字图像处理实验教学中的应用分析

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　　摘  要： 传统的数字图像处理实验教学中，存在教学方式、教学手段与教学目标不匹配的现象，在协同育人模式探索过程中，翻转课堂作为“以学生为中心”的一种新型的教学方式，在解决学用结合方面有独特的优势。翻转课堂重新设计了教学流程和内容，能够充分发挥教与学两个方面的优势，有助于学生对数字图像知识的理解和领会，变被动学习为主动学习，使其在知识的探索过程中完成学习任务，主动构建并扩展自身知识体系，培养思辨和创新能力，做到学用结合。
　　关键词： 数字图像处理; 协同育人; 翻转课堂; 实验教学
　　中图分类号：G642.423          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）03-53-04
　　Research on application of flipped classroom in experiment teaching of digital image processing
　　Zhang Yanna1， Zhou Ke2
　　（1. Department of Laboratory and Equipment Management， Henan University， Kaifeng， Henan 475004， China;
　　2. School of Computer and Information Engineering， Henan University）
　　Abstract： In the traditional experimental teaching of digital image processing， there is a phenomenon that the teaching methods， teaching means and teaching objectives do not match. In the process of exploring the collaborative education model， flipped classroom， as a new teaching method of "student-centered"， has a unique advantage in solving the problem of combination of learning and application. The flipped classroom redesigns the teaching process and content， which can give full play to the advantages of teaching and learning， help students to understand and comprehend the digital image knowledge， change passive learning into active learning， make them complete the learning task in the process of knowledge exploration， actively construct and expand their own knowledge system， cultivate the ability of thinking and innovation， and achieve the combination of learning and application.
　　Key words： digital image processing; collaborative education; flipped classroom; experiment teaching
　　0 引言
　　數字图像处理是一门抽象性和工程性都很强的课程，对学生的数学基础、编程与抽象思维要求较高[1]。该课程的基本原理和技术被广泛应用于军事、公共安全、航天和航空、无人驾驶、通信工程、生物医学工程等诸多领域。
　　在教学过程中，若突出强调数学要求，势必影响到实践训练，与应用的衔接不够顺畅，难以调动学生主动学习的积极性;若仅限于把概念、定理和证明机械地传授给学生，更加难以激发学生对课程的兴趣。所以在具体实施时，容易导致一方面未能很好地将学以致用的教学思想贯穿于教学过程，另一方面鉴于课程的实际难度，若没有好的教学方法相配合，一般学生接受知识困难，特别是当看不到应用价值时，极易埋没这门课程的价值。
　　当前常用的教学手段中，教学内容多以文字、图片等方式呈现，视频动画等因要求有较多储备资源而应用较少。新的教学手段，需要教师对教学材料进行收集、整理、制作，付出工作量较多。在实验教学中，要求更高，难度更大，工作量也成倍增长。同时因为评价机制未及时跟进等诸多因素，影响了教师变革教学手段的积极性。
　　近年来，诸多老师将源于美国的翻转课堂理念引进高校[8-11]，其最初的目的是要努力保证缺课的同学不会落下课程，之后在协同育人模式探索过程中，作为一种新型的以“学生为中心”的教学模式，得到了诸多专家、学者的积极响应，并在不同课程领域中进行了深入探讨和实践。实践表明“翻转课堂”能够充分发挥教与学两个方面的优势，变被动学习为主动学习，学习过程是在知识探索的过程中完成的;教师成为知识学习的“路由器”，协助学生发现问题、分析问题并探索新知。因此通过翻转课堂改革数字图像处理实验教学兼具理论和应用价值。
　　1 翻转课堂教学模型
　　传统的课堂教学模型（如图1传统课堂教学模型所示）中，教师居于核心位置，首先是教师对课程及相关学科知识体系的认识和理解的程度如何，然后是教师对学生进行知识传播的手段和方法怎么样，最后才是学生的学习;学生处在被动接受的位置。这种教学模式容易发生课程与课程之间的断裂，难于形成有效的学科知识体系架构，增加了学生对知识掌握的难度。 　　“翻转课堂”（Flipped Classroom）以信息技术为手段，通过课前预习、课中交流和课后总结三段组织，教学可根据学生的状况进行动态调整，是主动学习的课堂，个性化学习的课堂。这种教学组织模式重新调整了学习参与者的权利分配，将学习决定权让渡给了学生[8]。教师从主导转为参与，学生从参与转为主导，因此在面授时，学生能够更专注于其发现问题的解决，更能够激发和强化学生对知识的理解掌握，保障教学目标实现[9];同时，由于是主动学，学生就能够通过看视频、阅读电子书和网络讨论、查资料等多种学习和交流方式进行学习，切实激发学习的原动力。
　　通过对传统的教学的变革性改造，形成翻转课堂的教学模型（如图2翻转课堂教学模型）。从学生学习知识的角度看，教师与学生地位同等，但又有不同，教师需要在开展教学之前具有对教学内容的宏观把控能力，确保教学内容符合要求。教师的主导作用被弱化，从主导教学变成了教学过程设计者，协助学生完成学习过程。学生主动性要求提升，需要开展主动学习，按照自身的情况并结合教师提供的指导进行学习。让学生真正成为学习的主体，自主完成个人知识体系架构的构建[11]。
　　在具体实施过程中，需要结合课程实践，对翻转课堂各教学环节进一步完善，设计出更加合理、可行、完备的教学过程。其中，信息技术的支撑和学习活动的设计是创设翻转课堂的基础，也是保证翻转课堂有效实施的关键。翻转课堂的教学过程一般可按照时间次序划分，分为课前、课中以及课后三阶段[12]。
　　1.1 课前环节
　　课前环节工作内容包括两项，一是教师准备教学素材;二是学生课前预习。
　　传统教学方式中教学素材载体以板书为主;在翻转课堂中，载体多为音频、视频等多媒体。素材来源可以是开放教育资源，也可由相关教师制作。开放教育资源的利用，一方面节省了新技术、新方法、新知识引入课程时人力、物力成本，另一方面也使学生与国内外最新教学内容直接接触，促使学生掌握领域知识的最新动态或进展，是协同育人理念在教学过程中的应用。课程教师可根据学生的具体情况对教学内容进行优化调整和针对性讲解，甚至自制视频等多媒体素材。
　　对比传统的教学模式，翻转课堂更加需要课前预习。对此，教师可以考虑通过邮件、微信、QQ等提供网络交流支持。学生可以通过微信群、QQ群等，与同学进行沟通交流。学生与学生、教师和学生、教师与教师之间能够进行互动交流以确认教学效果。
　　1.2 课中环节
　　翻转课堂的优势在于触发学习事件的角色发生变换。学习效率提高的一种有效途径就在于如何缩短学生原有知识体系与新知识的衔接过程。知识的获得应该是学生在场景中借助于交流来实现知识体系建构的过程。教师在设计课堂内容时，要充分利用布设场景、密切交互、开放协同等方法充分激发学生主动学习的积极性，协助学生完成自身知识体系的生长。学生在课前预习的基础上，以更高的效率学习。翻转课堂的课中阶段还需要考虑的内容有：明确目标、自主协同、成果交流、反馈与评价。
　　1.3 課后环节
　　翻转课堂的课后环节，主要是教师对学生学习效果的检验和教学组织的回头看，发现学生表现的共性问题、优点，收集材料再加工等。通过课后环节的梳理和评估检验，强化对学生知识体系构建过程的跟踪，及时发现采集学生在学习过程中的表现，形成教学数据集，还为后续教育教学改进提供一手材料。
　　2 翻转课堂在数字图像处理实验教学中的应用
　　2.1 数字图像处理实验教学
　　“数字图像处理”的课程教学目标是：①提高图像的质量;②特征或信息提取;③图像变换。其内容包括了数字图像的基础表达、滤波与变换、编码与处理、图像分割与信息提取等[13]。“数字图像处理实验教学” 是学生在教师的指导下，预设目标和既定的工作步骤，通过对图像数据施加各种影响，引起图像数据的变化，从这些现象的变化中获取图像数据处理知识的教学组织方法。
　　2.2 数字图像处理实验教学设计
　　⑴ 教学体系设计要注重“应用导向，教研结合”。
　　教学内容从解决问题出发，突出应用需求，特别重视图像处理相关概念的提出及其对应处理过程与方法的建模，从典型问题解决到共性问题模式化处理，实现共性与特性相结合，教学和科研、应用相结合。在教学方法上采用问题导入、需求导向、循序渐进的方法，课堂答疑与线上资源相融合，教材与拓展材料搭配。
　　⑵ 教学手段要多样化，展示方式媒体化。
　　借助现有的网络资源，构建微视频教学的演示平台，提炼授课当中的难点，通过演示系统形象的展示，辅助学生理解和消化。基于校园网或现有的即时通信环境，让学生能够结合课程教学要求在网上自主选择所需要的学习内容。要同时注重多媒体与线上资源建设。
　　⑶ 实验内容要注重计算思维的培养
　　数字图像处理实验内容在实现图像基本处理操作的基础上，结合应用问题，启发学生主动发现，自主设计综合创新性实验，强化实践要求。通过问题的解决加深对计算思维的理解，强化学生对问题的抽象，分析，解决等能力的全方位训练，促进创新意识的养成。
　　3 翻转课堂在数字图像处理实验教学中的应用分析
　　3.1 教师角色分析
　　翻转课堂意味着教与学角色的切换。教师以辅助角色对教学活动进行规划。学生按需请求教师的指导。教师真正成为学生成长的人梯，成为学生收集、整编、利用、挖掘、应用资源与知识到真实场景中的培训师和工具箱。
　　在这个教学过程中，教师需要使用新的教学方法，提高教学组织技能，积极适应教师核心职能的转变。在完成每个教学单元的学习之后，需要教师通过多种手段和方式，及时地了解学生知识的掌握情况。同时还要注意完善教学评测方式，做出及时优化，更好地促进学习质量提高。
　　3.2 学生角色分析
　　翻转课堂教学是充满互动交流的，需要学生发挥主观能动性、创造性，并高度参与。学生在网络信息技术支持下构建的开放学习环境中，根据教师提供的教学资源来自学，反复地与同学、教师进行交互以理解、掌握、扩展自我的知识体系。因此，翻转课堂的教学过程是一个由学生主动构建并扩展自身知识体系的过程，其能力的发挥的程度是衡量翻转课堂实施成败的主要因素之一。 　　3.3 翻转课堂实施的建议
　　翻转课堂的成功实施是一项系统工程，其涉及到教学，教辅，管理等多个环节，通过前述分析，对数字图像处理实验课程实施翻转课堂提出以下建议。
　　⑴ 翻转课堂需作为现行育人模式的重要组成。由于信息技术跨领域大范围的应用，高校的信息学科知识教育难以满足社会对最新技术的教学需求。而翻转课堂在教育领域就是一个“好工具”，可以很好地帮助我们解决许多问题。数字图像处理实验课程完全可以利用“翻转课堂”来锻炼学生的主动学习能力、团队协作能力等，为学生后续工作学习做好全方位的准备。
　　⑵ 翻转课堂要高度重视课堂教学环节。课堂是集中对学生问题进行分析解答，促进学生交流表达能力、团队协作能力的培养陣地。同时，预习时间难以把控，需要考虑知识点的规划设计，建议全部在课堂上消化和落实，避免学生因增加的工作量而产生厌学情绪。要保证学生能够自觉的去完成视频学习，便捷易用、安全可靠的互动交流平台（学习成果汇总展示，点评分享）也是必不可少的。
　　⑶ 教学考评机制也需要做相应的调整。教师在实施翻转课堂时需要投入更多的精力和时间来录制视频、准备素材，做精心的课堂设计和学生学习状态分析，需要教学主管部门给予适当的响应。
　　4 结束语
　　数字图像处理技术以其实践性和可展示度的优势而得到了广泛的应用，图像处理课程也越来越成为学生就业或进一步深造所需的重要知识组成。通过翻转课堂的实施，我们对教学大纲按照培养目标进行准确的定位和再设计、再优化。研究结果表明将翻转课堂引入到数字图像处理实验课程中，结合教学效果对翻转课堂的实施进行优化，能够进一步提升教学质量。
　　参考文献（References）：
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