摘要：针对数字图像处理课程知识点繁多、复杂数学公式推导晦涩难懂以及课程与诸多实际项目紧密联系等特点，将“翻转课堂”教学模式和“实际应用案例驱动”结合起来引入到该课程教学，并设计了教学模式的总体结构。教学实践表明，翻转课堂和实际应用案例驱动的结合改变了传统先教后学的教学模式，提高了学生的课程参与度和自主学习意识，有助于课程知识内化和学生工程实践能力的培养。

关键词：翻转课堂 实际应用案例驱动 数字图像处理 教学模式

中图分类号： G642.41 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0217-02

数字图像处理是应用计算机对图像进行分析、加工、处理的一门学科。该课程是一门涉及光学、电子学、矩阵论、数学分析和随机过程等领域的综合性交叉学科[1-4]，随着人工智能的迅猛发展，已成为光电信息类专业本科生重要的专业课。然而，数字图像处理课程的理论性和实践性都较强，课程教学中存在着大量的数学公式及相关数学理论推导，需要学生有较好的数学基础，同时理论知识还需要学生上机编程实践才能更好地透彻理解理论知识，对学生的编程能力又提出了较高要求。这些都给学生学习和掌握本门课程带来了相当难度[5-6]。

数字图像处理课程内容主要可分为七部分，由绪论、数字图像基础、灰度变换与空域滤波、频域滤波、图像压缩编码、形态学图像处理和图像分割等组成。而各部分也可细化为若干的小知识模块，各知识模块又可能涉及诸多复杂的数学公式推导和晦涩的专业领域知识，如灰度变换与空域滤波中的直方图均衡化、高斯平滑滤波，以及图像压缩编码中的Huffman编码、Walsh-Hardamard变换，图像分割中的Canny边缘检测、分水岭算法等。基于数字图像处理的课程体系与结构组成进行分析，可发现该课程具有如下特点。

1）课程涉及多领域学科，知识点繁多，教学内容丰富，应用性强。

2）课程以数学、线性代数、概率论、数字信号处理为基础，对数学公式的推导和专业知识能力要求较高。

3）课程内容和许多实际应用项目如二维码识别、车牌识别、手写汉字识别、指纹识别、行人检测等紧密相关，对学生分析问题能力和综合编程能力要求较高。

4）课程内容繁杂，难度偏大，并且实践性很强，由于教学时间有限，难以将全部内容一一讲透。

由于其鲜明独特的课程特点，使得数字图像处理课程教学模式必须适应于其丰富的内容体系。一种有用而得当的教学模式应该能够极大激发学生的学习兴趣，充分调动学生的积极性，有效培养学生分析问题和解决实际问题的能力，进而提高教学质量。而当前数字图像课程经典教学模式有以下特点。

1）以基本理论讲解为主，配合以实验结果演示以及学生对基本理论的验证性实验强化教学效果。该教学模式虽然能让学生体会到抽象理论的具体应用，但忽视了理论的具体实现步骤，使得学生对复杂数学公式望而却步，也不能有效掌握算法具体的实现细节，从而逐渐失去对课程的学习兴趣。

2）课程侧重于经典理论和案例的讲解，实验也辅助于经典理论的验证性实验，教学内容较少涉及图像处理领域中较新的研究成果，同时忽略了理论和实际的有机结合，从而很难使学生积极主动地参与到课程学习，不能有效培养学生的工程实践和科研探索能力。

3）教师是知识传授者、课堂管理者，学生是被动接受者；课前教师对学生没有了解，课堂中以教师为中心；教师单向讲授知识内容，学生被动接受知识； 课后学生通过作业理解和消化所学知识；课堂技巧为内容展示；评价方式为纸质测试。即“你讲我听”的传统教学模式，教师以PPT方式授课，学生以记笔记的形式强化重点知识点。在学生刚开始接触课程的时候会认为这种图像处理教学方式新鲜有趣，但是这种视觉冲击产生的兴趣并不能维持太久，一旦触及专业知识，就会影响接受效果。在这样的被动教学过程中，学生的参与度不高，不利于学习主动性的培养，不利于学生实际动手能力的培养。

4）课程均采用“以教为主”即教师主宰课堂的授课方式，这一方式可以充分发挥教师的主导作用，便于课堂组织，但是由于这一过程过于强调学生在学习过程中主要任务就是要消化、理解老师讲授的内容，因而忽略了学生的主观能动性和创造性。

鉴于当前数字图像处理课程教学模式的不足，为了达到以学生为中心、培养学生的创新实践能力的目的，积极探索一种适合数字图像处理课程教学的新模式已迫在眉睫。本文将“翻转课堂”和“实际应用案例驱动”相结合融入于数字图像处理课程教学体系中，该方法打破传统的“先教后学”模式，加强学生的课程参与度，同时辅以实际应用案例驱动如车牌识别、骨架提取、图像分割等实际应用与理论教学相结合，有效地培养了学生学习积极性和工程实践能力。

1 结合“翻转课堂”与“实际应用案例驱动”的教学模式

“翻转课堂”最早被称为“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，其涵义是打破常规教学模式时间安排重新调整课堂内外的时间。它采用“先学后教”代替“先教后学”模式，将学习的主动权从教师转移给学生，从而激发了学生的主观能动性[6-7]。在该教学模式下，教师端的课程教学工作可划分为在线教学视频资源的创建、课程教案文档制作与专题讨论组织以及课程考核方案的设计等三部分组成；与教师端相对应，学生学习安排被分为课前、课中和课后三阶段，课前学生自主观看、学习在线教学视频并对基础知识点进行总结整理；课堂上与老师互动、小组协作学习、专题讨论、疑难点研讨等多种方式巩固和强化课程内容，同时课上对相关重难点知识模块进行细化讲解与研讨；课后学生以小组协作方式完成“课程项目案例”以及相关课程作业。一般认为，知识传授和知识内化是课程教学两个主要阶段，常规的教学模式是教师在课堂上先完成知识传授，而后课下学生通过课程作业和笔记复习等方式实现知识内化。不同于常规的教学模式，“翻转课堂”是将知识传授和知识内化两个阶段进行翻转，即课前学生完成在线教学视频的观看学习，课上以小组讨论、重要知识点講解和专题研讨的方式实现知识内化[6]。在该教学模式中，教师扮演学习指导者、引导者，学生才是真正的主动研究者。

“实际应用案例驱动”教学法则是指教师将精心挑选的图像应用案例任务分配布置给学生（可以以个体或者多人为组织形式），让在学生查询相关资料和编程实现过程中充分地将课程理论知识内化。同时，“实际应用案例驱动”也能够很好应用于以实验性、实践性与操作性较强的教学内容，它富有趣味性，能充分激发学生的学习主动性与好奇心，它把与教学内容紧密结合的实际课题案例作为载体，使学生在完成特定任务时获得知识与技能。

结合“翻转课堂”与“实际应用案例驱动”的内涵，本文给出的数字图像课程教学设计的总体结构如图1所示。

结合“翻转课堂”与“实际应用案例驱动”的数字图像处理教学模式具有如下两个鲜明的特点。1）学生借助在线视频、参考书籍、课程讲义等教学资源实现课前知识传授，通过师生互动和分组讨论方式实现课堂知识内化。2）教师通过精心设计在线视频、参考书籍、课程讲义、实际应用案例库等方式，培养学生借助理论知识解决实际问题的能力，同时通过程序设计，强化基础理论知识和复杂数学公式的算法性理解。

2 数字图像处理课程教学设计与实施

结合“翻转课堂”与“实际应用案例驱动”的数字图像处理教学模式具体实施可分为课前视频学习、课中问题讨论与答疑、课后的应用案例实现与作业完成以及课程考核四个部分，下面将对各部分的知识安排给出详细的任务描述。

1）课前学习。教师端提前在相关在线平台如慕课、SPOOC平台、蓝墨云软件、即时沟通软件等发布课程视频、参考书籍、课程讲义，在线辅助教学材料可提供如学习指南、学习任务和课程视频（内容主要针对数字图像处理课程的基础知识点）等，这些课程材料力求短小精悍、紧扣课程基础知识点的同时且具有一定的吸引力。而为了翻转课堂的实现，每节课需要附加部分知识点探索或者拓展性题目，在方便课上开展讨论的同时来引发学生思考，从而加深对相关知识点的理解。这些题目必须要求具有一定可讨论性、复杂度、紧扣重要知识点，比如在图像压缩与编码章节，给出相关问题：结合现实案例，给出图像压缩编码的理由？图像的冗余有哪些表示形式？结合具体实例，给出霍夫曼编码基本原理与特点？

2）课堂学习。课堂教学任务的核心是教师与学生、学生与学生之间以讨论和互动的方式来让学生有效地实现知识内化。该部分讨论的主题主要为在线视频中涉及的思考题以及教师在课堂教学中涉及的讨论题，具体讨论形式采用分组讨论、课堂汇报、组间提问、组间打分、教师点评和总结的方式实现，即小班分组（如60人分为12组）、小组讨论（5人的组内讨论）、小组汇报（每组派出两人以上组员进行课堂汇报，发言涉及定义、方法、具体步骤、实例和结果讨论等方面）、组间提问（针对该组的论述和展示，给出相关问题）、组间打分（针对该问的实际汇报情况，客观地给出小组得分）、老师点评和总结（针对给讨论问题，教师端在客观评价的前提下也需要给出该问题合理明确答案或者解决思路）。

3）课后学习。课后作业可分为两部分，其一完成每章节课后作业题，在督促学生巩固深化知识点的同时，掌握学生的实际学习情况；其二，以“实际应用案例驱动”为主旨，即在课程教学过程中给出部分针对性的实际图像处理应用“案例”以供学生挑选，而后以个人或者3人小组的形式完成整个项目案例，该任务可包括数据收集、数据处理与算法编写、结果分析和展示以及项目案例完成报告等。该方式以数字图像处理实际应用案例为手段，强化学生将课程中讲授的理论知识和实践相结合的意识，能有效督促学生巩固、深化知识点。

4）课程考核。课程考核以平时成绩、学习过程成绩和期末闭卷笔试成绩组成，由各模块有机结合，形成综合考核。个模块权重分值可设计为：平时表现5%，课前学习笔记10%，课堂小组讨论成绩15%，课后作业5%，实际应用案例15%，期末闭卷笔试50%等组成。期末笔试成绩则侧重考查对基础知识、基本原理以及课程中讨论题目的具体掌握情况。

3 结语

本文针对《数字图像处理》课程的特点，结合多年教学实践，探索了将“翻转课堂”与“实际应用案例驱动”有机融合的教学模式。通过“翻转课堂”的设计激发了学生对课程的兴趣和主动性，通过课堂上学生学习小组和教师有的放矢的讨论，使得以前比较晦涩难懂的知识得以快速理解；其次，通过“实际应用案例驱动”环节，不仅及时锻炼了学生将课程理论知识应用于实际问题的能力，而且有效培养了学生的工程实践和算法编程能力。通过课后匿名问卷的方式调查学生对课程教学的真实感受，大部分学生反映课题教学模式设置合理，有助于学生对课程知识点的深入理解，学生也普遍认为采用“翻转课堂”和“实际应用案例驱动”方式能提高自身的学习效率。

参考文献：

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[2] 何朝霞. 數字图像处理课程的分层实践教学体系研究[J]. 电脑知识与技术， 2018，14（1）：185-186.

[3] 赵泉华，王崇倡，姜勇.《Matlab数字图像处理》教学过程中三个转变的实现[J]. 中国多媒体与网络教学学报（电子版）， 2017（4）：171-173.

[4] 谢亮，廖宏建. 线上线下混合式图像处理教学模式设计与研究[J]. 中国教育信息化， 2017（10）：53-56.

[5] 王旭初，潘银松.《数字图像处理》实验的课题驱动式教学探索[J]. 电脑知识与技术，2010，6（34）：9810-9811.

[6] 曹芳，赵继勇. 数字图像处理课程翻转课堂实践探索[J]. 中国教育技术装备， 2017（18）：128-130.

[7] 李洁，张乾燕. 翻转课堂环境下计算机专业《操作系统》课程教学的思考[J]. 电脑知识与技术，2018，14（4）：111-112.

【通联编辑：王力】