张永飞

(北京航空航天大学　计算机学院，北京　100191)



面向逻辑思维与表达能力培养的数字图像处理课程教学方法探讨与实践

张永飞

(北京航空航天大学计算机学院，北京100191)

摘要：随着社会的发展，大学生面临的机遇和挑战越来越多。要想在激烈的竞争中立于不败之地，就必须提高大学生的综合素质，其中很重要的一点就是要提高大学生的逻辑思维和表达能力，这是培养创新人才的关键所在。“数字图像处理”是高等院校信息类学科的重要课程。论文在分析探讨逻辑思维与表达能力培养重要性的基础上，结合“数字图像处理”等课程教学，对培养学生的逻辑思维与表达能力进行了探索与实践，为更好地开展“数字图像处理”等相关课程教学提供参考，逐步培养和增强学生的逻辑思维与表达能力，更好地促进学生综合素质与能力的提升。

关键词：高等教育；逻辑思维与表达；数字图像处理课程

随着社会的迅猛发展和技术的日新月异，大学生面临的机遇和挑战越来越多。要想在日益激烈的竞争中立于不败之地，就必须积极培养和提高大学生的综合素质和创新能力。逻辑思维与表达能力是综合素质与创新能力的基础和重要组成部分。逻辑思维能力是指对事物进行观察、比较、分析、综合、抽象、概括、判断、推理的能力，而逻辑表达能力就是一种清晰准确、有理有据地表达自己思维过程的能力[1，2]。因此，培养和提高大学生的逻辑思维能力，是提高大学综合素质的重要方法，也是为国家和社会培养更多高素质人才的有效方法。

一、逻辑思维与表达能力培养具有重要意义

逻辑思维与表达能力的培养对提高大学生的综合素质和培养创新性人才都具有重要意义[3]。

1.较强的逻辑思维能力促使大学生更好地学习和掌握专业知识。具备较强逻辑思维能力的人，在思考问题的时候思维清晰、逻辑严密，能够透过事物和现象的表面，较深入地理解和分析其本质。在学习过程中，好的学习方法通常能使学习产生事半功倍的效果，因此，掌握逻辑思维方法，具备较强的逻辑思维能力有利于开展各个学科和知识的学习和掌握。

2.较强的逻辑思维能力有助于提高大学生的综合素质与能力。高等教育的主要任务之一就是培养和提高学生的综合素质与能力。高素质的人才应该会学习、会思考、具备较强的发现问题、分析问题和解决问题的能力，应该能够很快地适应不断发展和变化的社会环境。逻辑思维能力可以提高大学生运用专业知识的能力，更好地提高自身的综合素质与能力。因此，要提高大学生的综合素质，就需要大力培养和提高大学生的逻辑思维能力。

3.较强的逻辑思维和表达能力可以提高大学生的社会竞争力[4]。所有学生毕业后都要面临找工作、求职面试。无论是招聘考试还是面试，用人单位除了考察必须的专业知识外，他们都越来越重视求职者发现问题、分析问题和解决问题的能力以及语言表达能力和一些临场应变能力，而这些都是以逻辑思维与表达能力为基础的。因此，逻辑思维和表达能力的培养能够提高学生的社会竞争力，在日益激烈的社会竞争中占据优势。

4.逻辑思维和表达能力的培养对创新性和创造力的提升意义重大。已有研究表明，大学生逻辑思维能力与和创新性和创造力之间存在密切联系[5]。逻辑思维能力强的学生，往往能更加系统地分析问题，抓住问题的本质，从而提出有效可行的思路，解决问题。而逻辑思维能力较弱的学生，做事时往往是人浮于事，解决问题的能力和创造力水平一般也都较低。另一方面，逻辑表达能力强的学生，往往能与老师、同学和本领域专家学者更好地进行思想交流与碰撞，从而激发出创新性的灵感。

5.较强的逻辑思维和表达能力对提高国家综合国力和核心竞争力具有重要的战略意义。今年两会上，李克强总理在政府工作报告中指出要把“大众创业、万众创新”打造成推动中国经济继续前行的“双引擎”之一。创新教育愈来愈成为我国高等教育的核心与关键。如上所述，逻辑思维和表达能力的培养对创新性和创造力的提升意义重大。因此，在高等教育教学中，重视学生逻辑思维和表达能力的培养，并在研究生教育中进一步加强，对培养创新型高级人才、对促进整个社会和国家的科技创新能力，从而提高国家综合国力和核心竞争力具有重要的战略意义。

二、国内外现状

在国外，逻辑教育与逻辑思维能力培养一直被作为一种面向全体受教育者的素质教育。联合国1974年公布的基础学科分类目录，将基础学科分为数学、逻辑学、天文学和天体物理学、地球科学和空间科学、物理学、化学、生命科学七大类。其中，逻辑学就被排在第二位；联合国教科文组织的一份报告指出，一次由50个国家500多位教育家列出的16项最关键的教育目标中，把发展学生的逻辑思维能力列为第二位[6]。

欧美一些国家以及亚洲一些国家(如印度等)在中小学教育、大学教育中，都十分重视逻辑素质教育，认为逻辑教育和逻辑训练，对于提高受教育者的科学素质、思维素质、文化素质、思想素质等，具有不可缺少的重要作用。欧美政府教育部门对思维能力的培养非常重视，纷纷出台政府文件，明确将培养思维能力写进国家课程标准或培养目标[7]。1991年，美国国家教育目标制定小组就曾将“思维能力、交际能力和解决问题的能力”列为21 世纪大学生培养目标。1999年英国国家课程标准提出了学习者应具备的五种思维能力，分别是：信息处理能力、推理能力、质询能力、创造性思考能力和评价能力。印度从中小学到大学都把逻辑学知识的学习和对学生进行逻辑训练定为教学的重要内容，要求从小学教育、中学教育到大学教育，都开设一定的与之相适宜的逻辑学课程或者加有逻辑学知识的课程，重视加强大学生的逻辑思维素质。

但纵观当前形势，逻辑思维教育在我国的教育体制中还没有得到足够的重视，我国大学生的逻辑思维能力普遍不高。国内高校很少有专门开设逻辑思维课程，也鲜有专门针对逻辑思维与表达能力培养的训练。学校的教学大纲中没有针对逻辑思维与表达能力的培养方案，而在教学考核中，也大多以具体题目解算为主的考试作为评价指标，大学生逻辑思维和表达能力的培养得不到足够重视。这种情形对中国创新人才的培养是很不利的，也不利于国家综合国力的提高和竞争。厦门大学研究生马向华在其硕士论文《大学生逻辑思维能力现状调查研究》[8]中通过对厦门大学文理科二三年级342 名同学的逻辑思维能力现状进行了对比研究后得出结论，大学生逻辑思维能力有待提高，并特别建议大学老师应结合专业知识的讲授有意识、有针对性地培养和提高学生的逻辑思维能力。

多年来在教学、科研和学生指导一线、特别是各种答辩和面试中常常见到一个现象：“我们培养的学生，在基础理论、技术算法、动手实践能力方面应该还是具有扎实的基础和优势，但是，逻辑思维能力和表达能力方面则很不乐观”。针对具体的理论推导或算法实现，我们的大多数学生表现的非常优秀，游刃有余。然而，更进一步的，针对具体的实际问题，准确有效的凝练出技术问题，理清别人怎么做的(研究现状)？你为什么这么做？这么做的好处(创新性)？针对诸如此类问题，却有相当一部分学生不会像前面那样从容回答。究其原因，有一部分学生是根本没有深入的分析和思考这些问题，同时也有一部分学生是不知道如何把自己的思路条理清晰地表达出来。

针对此类问题，作者通过对现有的在学生逻辑思维和表达能力培养方面的问题和解决方法调研与分析，结合高等院校信息类学科重要课程“数字图像处理”，通过合理设计系统性的大作业、教师授课与学生自主学习讨论有机结合、增加“前沿技术学术辩论”等逻辑思维和表达能力培养形式和措施，探索一套切实有效的、易推广的逻辑思维和表达能力培养模式，在日常教学实践中鼓励和培养学生的问题分析、思考、解决的能力和沟通表达的能力，逐步培养和增强学生的逻辑思维与表达能力，更好地促进学生综合素质与能力的提升。

三、面向逻辑思维与表达能力培养的数字图像处理课程教学方法探讨与实践

针对目前国内高校学生在逻辑思维与表达能力方面有所欠缺的问题，结合作者在“数字图像处理”课程教学中的经验，探索和设计了一套“三步走”的逻辑思维和表达能力培养模式。

1.课程内容安排与设计

在课程内容安排与设计方面，针对不同课程内容的特点，探索教师授课与学生自主学习讨论有机结合，增加学生自主学习和讨论、报告内容，鼓励和培养学生的自主学习、逻辑思考和沟通表达能力。现有很多课程，特别是像“数字图像处理”一类的课程，教学内容多，课时又有限，授课老师必须在有限的课时内讲授大量的内容，对老师也是很大的负担，学生也只能绷紧神经，一路跟着老师走，根本没有自主思考和吸收的机会，最终也只能导致囫囵吞枣，事倍功半。

针对此问题，根据不同课程内容的特点，探索教师授课与学生自主学习讨论的有机结合的方式，对于主要核心难点、重点内容，仍采用老师授课的方式传授，学生可以较轻松地跟着老师学习并有时间思考；而对于一些非重点算法的详细推导或者理论的应用，则安排为学生课外自学内容，但采用大作业、课堂报告、专题讲授与研讨[9]等方式来监督和考核学生对相关内容的掌握。

以“数字图像处理”课程视频编码技术相关内容为例，若要老师把MPEG系列还有H.26X系列所有的视频编码标准及算法都在课堂上授课，那无论对于老师还是学生，都是一件相当痛苦的事情。另一方面，如果授课教师利用2-4课时讲授视频编码的必要性、可能性和视频编码的框架与关键技术，具体从MPEG-1、H.261到H.264/AVC，再到最新的H.265/HEVC国际视频编码标准的逐步发展与技术革新，则由学生自主学习和分组讨论；然后，再利用2-4课时分组让各小组委派代表走上讲台汇报自学的结果，即不同视频编码标准的区别和核心算法的演进，教师再以点评和讨论的方式补充学生不足或谬误之处，并引导和发起随堂讨论，吸引学生质疑和参与研讨；最后结束时由老师总结和评述，并布置相应的课外作业和实验，以加深学生对知识点的理解。这样，可以把学生从填鸭式的教育中解脱出来，发挥其主观能动性，积极思考，积极讨论，在帮助学生牢固掌握课程内容的同时，培养和锻炼他们的逻辑思维与表达能力。

2.课程大作业设计与布置

在课程大作业设计与布置方面，根据教学进度与重点、难点内容，合理的设计系统性的大作业，鼓励和培养学生的问题分析、思考和解决能力。现有部分课程作业或大作业多是强调学生对一个知识点的理解与掌握，而实际上培养学生对一个知识面内相关知识点的融会贯通和灵活应用才更加重要。因此，在课程教学过程中，应在繁多的知识点中精炼出几个典型的大作业的内容，设计一系列面向知识面内各个知识点综合应用的大作业，以及与学生密切相关的问题，鼓励学生积极思考分析并解决问题。这样既能在系统掌握专业知识的基础上提高逻辑思维与表达能力，又不增加学生额外负担。

例如在“数字图像处理”课程教学中，当讲完图像平滑相关算法后，现有的大作业大多是让学生编写程序验证中值滤波、邻域平均法等空域图像平滑方法，或低通梯形滤波器、低通高斯滤波器、低通指数滤波器、巴特沃思低通滤波器等频域图像平滑算法的有效性。这样做可以让学生实现和体会每种算法的特点，但并没有促使他们深入思考，如不同噪声的特点、以及不同的图像平滑算法的特点、优势和不足；如何针对不同的原因，如不同类型的噪声，如何选择并设计不同的算法，才能更有效的实现图像的平滑。针对此问题，可以设计一组含有不同类型噪声(单类型噪声或复合型噪声)的图像，让学生分析不同图像噪声的特点，并根据不同的图像平滑算法的特点、优势和不足，有理有据地分析和选择最优的图像平滑算法，并进行实现和验证。同样在“数字图像处理”课程教学主要内容结束后，鼓励学生贡献自己喜欢但又质量不佳的(欠/过曝光、运动或对焦不准引起的模糊、污损等)照片，3～5人分为一组，通过对质量不佳的照片的特点的观察，分析讨论影响照片质量的原因；另一方面，通过对不同滤波器特性的比较和分析以及多人之间的沟通和交流，推理和判断哪些算法可能对哪些照片有效；然后再分头去实现和实验，验证自己整个思考和判断过程的正确性。最后，按小组汇报本组的任务、解决思路和最终结果等，通过大家一起分析和讨论，百家争鸣，取长补短。通过这样，在激发学生的积极性和主动性的同时，培养学生对一个知识面内相关知识点的融会贯通和灵活应用，提高他们的逻辑思维和表达能力。

3.前沿技术学术辩论

在“数字图像处理”等快速发展和完善的学科和技术课程教学方面，增加“前沿技术学术辩论”环节，进一步培养和提高学生的逻辑思维、表达与创新能力。例如，对于“数字图像处理”“计算机视觉”“多源信息融合”这样发展日新月异的学科来说，能不能跟上最前沿的学术动态，是能否创新的关键。因此，针对此类课程教学，在现有课程教学的基础上，增加 “前沿技术学术辩论”环节，在每门课程重要知识点讲授完成或者课程全部讲授完成后，以某个方向的应用为例，鼓励学生积极学习和掌握前沿技术动态，并通过辩论讨论等形式，培养和提高学生的逻辑思维与表达能力。

以“数字图像处理”课程中的图像分割为例，在给定的同一组待分割图像的任务下，引导和鼓励学生根据兴趣选择T-PAMI、IJCV等本领域顶级期刊或CVPR、ICCV、ACCV等顶级会议论文中最新的技术与算法(例如Level Set、Graph Cuts、Random Walker、Superpixel、Mean-Shift、Turbepixels、Geodesic等)来处理这些图像。学生根据自己的兴趣在一定范围内自由选择某一篇文章作为研究内容，并组成若干个“兴趣小组”，经过小组成员略读、小组讨论、个人分别精读、小组讨论等多轮推进，最终形成一篇综合性的报告向全班同学介绍该文章的主要内容、研究方法或技术的创新性、存在的问题，以及小组是否讨论并提出一些改进的意见和思路。在此基础上，全班同学都可以参与讨论和辩论，群策群力，就各种算法的优势、局限性等展开讨论和辩论，让学生在交流和讨论中碰撞出创新的火花。如有兴趣和可能，教师将创造机会和提供相应的条件，帮助学生验证和实现这些新的想法，并最终以报告或文章的形式发表。通过此过程，每个同学只需花一份的时间，就可以学习和掌握多个研究课题的研究现状和最新动态，达到事半功倍的目的。最主要的是，通过此教学法，可以在最大程度上增强交流，刺激和发挥每个学生思考问题、分析问题和解决问题的能力，培养其创造实践能力。此外，也可提高学生表达自己学术观点、进行学术交流与合作以及团队协作等综合素质与能力。

四、结语

为了培养和增强学生的逻辑思维与表达能力、更好地促进学生综合素质与能力的提升，作者通过对现有教学课程和教学活动进行深入调研分析，探讨和设计了若干在日常教学和科研实践过程中能逐步培养学生逻辑思维与表达能力的方法，并将其应用在信息类学科重要课程“数字图像处理”教学过程中，极大地促进了学生的主动性和积极性，课堂教学的学生参与度显著提高，课堂气氛活跃、互动频繁、讨论热烈，取得了良好的反馈和积极的效果。

逻辑思维与表达能力的培养和增强、学生综合素质与能力的提升具有重要意义，这也对授课教师提出了新的挑战和更高的要求。“数字图像处理”作为信息类学科重要基础课程和信息方向研究热点之一，是信息类课程的教学重点。我们还将继续探索实践，不断完善教学内容和方法，并在相关课程中进行推广和不断反馈完善，逐步培养和增强学生的逻辑思维与表达能力，更好地促进学生综合素质与能力的提升。

(责任编辑：梁京章)

参考文献：

[1]刘文芳，高校大学生逻辑思维能力培养的重要性及影响因素探析[J].长春教育学院学报，2011，27(10)：26-27.

[2]张志超，汪安平.浅析大学生逻辑思维能力培养[J].民营科技，2011(11)：111-112.

[3]刘晔.试论逻辑学在大学生素质教育中的重要性[D].重庆：西南大学，2009：19-24.

[4]王姿燕.竞争就业中本科生逻辑思维能力培养的思考[J]. 湖北函授大学学报，2014，27(1)：33-34.

[5]葛缨，何向东，吕进.大学生逻辑思维能力与创造力倾向关系的研究[J].青年探索，2006(4)：50-51.

[6]靳晓燕，智育.重在学什么[EB/OL].光明日报光明网.[2014-01-28]. http：//news.gmw.cn/2014-01/28/content_10249299.htm.

[7]王淑花，吴尚义.国外思维能力培养研究综述[J].教育与职业，2010(18)：176-178.

[8]马向华.大学生逻辑思维能力现状调查研究[D].厦门：厦门大学，2005.

[9]周海芳.“数字图像处理”课程研讨式教学[J].计算机教育，2010(24)：93-97.

Logical Thinking and Expression Ability Training-Oriented Teaching Method Discussion and Practice of Digital Image Processing

ZHANG Yong-fei

(School of Computer Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Abstract：With the fast development of the society and high-tech，the college student are facing more and more opportunities as well as challenges. To remain invincible in the fierce competition，it is necessary to improve college students' comprehensive quality. One of the very important points is to improve students' logical thinking and expression ability，which is also the key to cultivating innovative talents. “Digital Image Processing” is an important course in Information Science in colleges and universities. Based on the analysis of the importance of cultivating the logical thinking and expression ability，this paper presents some exploratory teaching method to cultivate students' logical thinking and expression ability，with special focus on the teaching of “digital image processing” course. This paper provide a reference for the better development of “digital image processing” course teaching and help gradually develop and enhance students' logical thinking and expression ability and finally better promote and enhance the students' comprehensive qualities and abilities.

Key Words：college education；logical thinking and expression；Digital Image Processing

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1671-9719(2016)4-0056-04

作者简介：张永飞(1982-)，男，陕西宝鸡人，副教授，研究方向为视频图像的处理编码与传输。

收稿日期：2016-02-25修稿日期：2016-03-15