基于学习产出的数字图像处理课程教学改革

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　　摘要：针对学生在光电竞赛、毕业设计等环节出现的对数字图像处理系统结构原理不清楚、对数字图像处理算法设计及实现不熟悉等问题，提出了基于学习产出教育模式（OBE）的教学改革方案。以光电信息科学与工程专业学生的培养目标为出发点，改进课程大纲与教学方法，将主要依赖于理论教学、实验教学的传统课程重新划分为多个阶段，同时增强各教学阶段知识点的关联性，按数字图像处理系统设计、算法设计、算法实现与优化等核心要求设置不同阶段项目，通过增加实训课程考核产出成果。实训课程有别于传统实验，在各阶段项目中学生需要自主学习、自主设计、自主实现，从而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，提升学生的自主学习能力，最终达到应对处理复杂工程问题的能力。该改革对数字图像处理教学进行了有益的探索，对提高本专业的工程教育质量具有重要意义。
　　關键词：数字图像处理;OBE;教学;改革
　　中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0189-03
　　基于学习产出的教育模式（Outcome-Based Education，OBE）是“华盛顿协议”工程教育认证体系所认可的教育模式之一[1]，其最早出现于美国并逐步得到了发展与普及。自2016年我国正式成为华盛顿协议会员以来，OBE教学模式也在国内众多高校工科专业教学中得到了推广运用[2]。新形势下，以本校光信息科学与技术专业培养符合国家和北京市经济社会发展需求，在光电信息检测与处理领域具有扎实的基础理论和专业知识，具备解决复杂工程问题的实践能力和创新能力，能够从事研发、制造、技术支持、维护和运行管理等工作，并具有一定的人文科学素养和国际化视野的高素质应用型人才的培养目标为出发点，结合开展工程教育认证的相关要求，探索数字图像处理课程目标设置、教学内容与方法以及课程评价体系等方面的教学改革，对提高学生的工程实践能力、解决复杂工程问题的能力具有重要的作用与意义。
　　一、OBE模式数字图像处理教学改革的意义
　　数字图像处理课程是本校光信息科学与技术专业的专业必修课和测控技术与仪器专业的专业任选课。目前我们以北京大学出版社出版的由曹茂永等编著的《数字图像处理》教材为主线，以Rafael C. Gonzalez等著的《Digital Image Processing》等教材为辅助，同时兼顾当前图像处理及机器视觉相关领域的前沿动态。该课程主要向学生讲述利用计算机开展图像的去噪、增强、特征提取等处理的原理与方法。为了提高学生的实践能力，该课程还有与其相应的实验课程，实验课程共8学时，为专业任选课。实验主要内容有图像直方图处理、图像平滑以及边缘提取等。
　　数字图像处理要求学生具有较好的线性代数与信号处理相关知识基础，同时相关处理方法的运用与实现又要求学生具有较好的实践能力，是一门逻辑性、理论性与实践性都较强的专业课。但在以往的教学过程中发现，学生仅仅通过课堂学习还不足以理解如何运用相关图像处理方法，同时由于实验课程的课时较短、内容设置固化，且以验证独立的知识点为主，对学生工程实践能力培养有限，不能够满足本专业培养高素质应用型人才的目标[3，4]。
　　由于上述问题的存在，使得现有数字图像处理课程不能达到理想的教学效果。为了构建更为合理有效的教学方法以及课程评价体系，我们引入OBE教育模式，围绕专业的培养目标与毕业要求，改进教学方法，着重革新改进实践教学环节的内容与评价体系，以提高该门课程的教学效果，加强对学生工程实践能力的培养。
　　二、课堂教学环节设计
　　根据历年的教学效果反馈可以发现，学生仅通过数字图像处理课程中各个知识点的学习，尚不能够形成对图像处理流程的整体认知，同时由于教师在课堂上花费了大量的时间讲解相关算法的数学原理及推导方法，导致学生在学习过程中只重视数学原理而忽略了在实践中该算法应用在何处、如何被应用等问题。
　　针对上述问题，按照本专业培养高素质应用型人才的培养目标做出改革。首先，教学过程中对相关算法原理部分的内容进行压缩，并在此基础上增加部分算法应用的内容，采用启发式教学加强师生课堂互动，结合实际案例在解决问题的过程中探讨图像处理算法的应用。其次，课后作业的设置相对于传统的作业内容进行了改进，减少了对算法数学过程计算的要求，同时将多次小作业合并为1～2次的大作业，且作业内容以调研分析为主。鼓励学生通过网络、文献检索数据库调查数字图像处理以及计算机视觉领域的最新技术进展，分析新技术中的图像处理算法技术特点，研究数字图像处理算法的发展方向，并通过文字报告或课堂分享的形式进行考核。通过课堂内外相互结合的方法提高学生的主观能动性与自主学习能力，加强学生对所学相关数字图像处理原理与实际运用之间关联的认知。
　　三、实践教学环节设计
　　本课程改革前的实践环节为针对单个知识点的利用MATLAB开展的验证性实验[5]，主要内容有图像直方图处理、图像平滑以及边缘提取等。根据学生们的反馈总结，目前的实践环节存在以下问题：①实验内容与实际运用过程脱节，实验课程的训练不能提升学生对数字图像处理应用的认识。②实验工具软硬件倾向于培养研究型人才，不能完全契合培养应用型人才的目标。③实验考核方法单一，仅以复现课本内容作为考核依据，不能完全体现学习效果与学生个体差异。
　　换言之，现行的实践课程设置及其考核评价体系已经不能够适应工程教育认证的需求，也不能满足我校培养应用型人才的目标，因此需要对现行实践环节进行较大调整。实践环节主要包含如图1所示的八个环节。
　　1.小组划分。该环节是开展实践课程的基础，小组由学生自由组建，成员不超过三人，建议学生按照系统整体设计、硬件平台搭建、软件实现划分各自的主要职责，同时在实际开展过程中相互协调、共同推进。
　　2.平台选择。为了适应当前的技术发展以及实际应用中的软硬件环境，为学生提供个人计算机以及嵌入式硬件（如树莓派）两种硬件平台，并提供多种焦距分辨率可见光相机、照明光源、可测量工件等相关实验条件，同时为了让学生接触最新的机器视觉科研与工程实现热点，还为学生提供了Intel神经计算棒等深度学习应用加速推断硬件，软件平台可根据个人兴趣以及技术基础使用C++、C#、Python、Java等主流高级语言，图像处理函数库可使用OpenCV、ImageMagick、EmguCV、PIL等开源图像处理库，也可以自行编写图像处理函数实现相关功能。较为开放的平台条件有助于学生按照自己的基础与学习能力选择适合于本小组的软硬件。 　　3.選题调研。选题环节是课程能否顺利达到预期目标的关键。一方面，选题难度应该与学生的能力相配匹，难度尽量适中;另一方面，应该照顾到个体之间的差异。因此，在该环节中首先会提供一些传统的数字图像处理应用选题如工件测量、零件分选等，同时给予能力较强的学生一些自由度，使其可以自行通过调研尝试实现一些较为新颖的应用，并对选题难度进行评估，分析可行性。
　　4.开题。完成选题后各小组成员即开展开题相关工作，包括实现选题的初步设想、人员分工、时间节点（中期与终期）、工作达成度等内容，该环节任课教师需要对上述内容的可行性做出评价，并给出改进意见。
　　5.详细设计。完成开题后小组成员根据分工开展设计，包括选题系统的整体构成、工作流程，明确硬件的细节要求以及软件的算法原理与实现流程。
　　6.中期检查。中期检查环节教师应该按照开题阶段设定的时间节点目标进行检查，评价各小组的目标达成度。对于未按照节点要求完成的小组提出警告。
　　7.达成检查。达成检查是对选题实现结果产出的最终检查，需要对最终实现结果与预期目标的达成程度进行评价。
　　8.结题验收。结题验收是各小组实践教学阶段的总结与展望的过程。各小组应完成结题报告，各成员自我阐述在小组中发挥的作用、评价个人在团队中的价值。若存在未能按照预期完成目标的情况，需要分析原因并给出改进手段与方案。教师需对所有小组给出评价，对于给出的改进方案进行评估，以合理评价各小组成绩。
　　实践课程除了统一安排给定节点的检查时间外，不限制学生的上课时间，实验室在工作日及部分周末全天开放，学生可以自由选择学习时间。上述实践教学内容设计的主要出发点和特点是突出数字图像处理算法在实际系统中的应用，将课本中的分立知识点在运用过程中逐步体系化，使其贯穿于整个实践环节中，并最终以学生产出作为考核指标，有效训练学生解决复杂工程问题的能力。
　　四、结语
　　OBE教育理念作为一种革新教育模式，在优化教学内容、改进教学手段以及优化评价体系等方面具有重要的指导意义。基于该理念，从课堂教学与实践教学两个方面开展数字图像处理课程的教学改革，重点改进了实践教学环节的内容及其评价体系。通过一年的教学实践，虽然初期学生普遍反映实践教学环节中需要花费的学习时间以及学习难度相对于一般课程有所增加，并存在一定的抵触心理，但完成实践课程后，学生们基本认为通过该课程的锻炼学到了在实际工作中可能需要的知识，大大提高了解决复杂工程问题的能力，这也契合了本校高素质应用型人才的培养目标。
　　参考文献：
　　[1]胡丽霞，郭晓梅.基于OBE的Web前端技术课程改革探讨[J].山东工业技术，2018，No.272（18）：231+238.
　　[2]梁正平，朱泽轩，王志强.OBE导向全程紧张的操作系统教学改革[J].计算机教育，2018，No.282（06）：61-64.
　　[3]吕勇，刘力双，刘洋，等.适应工程教育认证的实验教学示范中心教学体系建设[J].实验技术与管理，2017，（02）：197-200.
　　[4]齐书宇，李国香.《华盛顿协议》毕业生素质规定及其对地方高校工程人才培养的启示[J].高校教育管理，2018，（1）：48-53.
　　[5]吕勇，牛春晖，刘力双.基于实践能力培养的《数字图像处理》课教学改革研究[J].现代计算机，2013，（26）：60-62.
　　Teaching Reform of the Course in Digital Image Processing Based on OBE
　　XIA Run-qiu， LIU Li-shuang， LIU Yang， L? Yong
　　（School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China）
　　Abstract： In photoelectric competitions and graduation designs， students often have difficulties in understanding the structure principles of digital image processing system， and the design and implementation of digital image processing algorithm. In view of these problems， a teaching reform plan is put forward based on the learning outcome-based education model. The reform takes the educational objectives of the photoelectric information science and engineering majors as the starting point to improve the syllabus and teaching methods. The traditional courses， which mainly rely on theoretical teaching and experimental teaching， are reclassified into several stages based on the digital image processing system design， algorithm design， algorithm realization and optimization. The practical training course is different from the traditional experiment. In the various stages of the project， students need to learn， design and realize independently to improve their understanding of knowledge related to digital image processing， and finally improve their ability of self-learning and enhance their ability to deal with complex engineering problems. The reform takes a useful exploration of the teaching of Digital Image Processing， and is significant to improve the quality of engineering education of photoelectric information science and engineering.
　　Key words： Digital Image Processing; OBE; teaching; reform
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