高校课程主导一主体式教学模式改革探索

陈晓冬 汪毅 田庆国 蔡怀宇

[关键词]主导一主体式;教学模式改革;光电图像处理课程;工程实例;逻辑主线式;渐进式实践;教学评价

本科教育是高等教育人才培养的基础与核心。2018年8月，教育部印发了《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》（教高函[2018]8号），要求各高校“打造‘金课”“切实提高课程教学质量”。“金课”即具有高阶性、创新性和挑战度的课程，以培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维为目标，课程内容具有前沿性，教学形式具有先进性和互动性，评价机制能够客观反映每个学生的学习效果。

光电图像处理课程是《电子信息类专业教学质量国家标准》（2014年版）列出的光电信息科学与工程专业课程。近年来随着人工智能的兴起，光电图像处理技术因属于人工智能获取信息的重要渠道而成为研究热点。据不完全统计，目前国内开设光电图像处理课程或同类课程的学校超过200所。

天津大学光电信息科学与工程专业于20世纪80年代初开设光电图像处理专业必修课程，至今已完成2次教材升级，并于2019年完成了在线开放课程建设。课程教研组在授课及课程建设中发现课程存在“内容与工程实际脱节”“注重教师讲解，缺乏与学生互动”“评价机制不能体现学生综合能力”等问题，难以达到“金课”的要求及专业培养目标。

为了了解决上述问题，课程教研组以“培养胜任光电信息技术及相关领域的科学研究、设计开发和项目管理等工作的卓越人才”的目标为导向，着重培养学生的自主学习能力和综合工程实践能力。课程教研组打破传统以教师为主体的教学模式，探索了主导一主体式教学模式，通过精选具有前沿性、工程性的教学内容，采用教师引导性教学方式，以学生为学习主体，利用多次渐进式实践训练内容，锻炼学生的学习能力及高阶思维，提升光电图像处理课程教学质量，打造光电图像处理“金课”。

一、精选前沿性、工程性的教学案例

光电图像处理作为一门工科的专业课程，教学内容应可应用于解决工程实际问题。但原来的光电图像处理课程的教学内容理论性强、缺乏与实际应用的联系，学生难以将所学模型、理论与实际成像系统及其相关问题联系起来。为了解决该问题，需要将光电成像系统教学案例引入教学。

教师在教学中引入光电成像系统实例需注意处理好以下问题：①案例要具有常见性。教学案例应为日常生产生活中常见的成像设备，确保学生无需额外学习也能理解该案例的功能。②案例要具有简单性。教学案例的结构应尽可能简单，避免在教学中出现由与成像无关的功能或结构所带来的影响。③案例要具有吸引力。教学案例应具有一定时代前沿性，能引起学生的兴趣。④案例要具有统一性。在一定的教学阶段（比如一章内容）内，所使用的教学实例应统一，以保证学生学习与思考的连贯性。

在光电图像处理课程的改革中，课程教研组选择智能手机摄像系统作为教学案例。近年来新型智能手机层出不穷，其中很多以拍摄能力作为卖点，学生对智能手机摄像系统如何实现广告中的强大功能感兴趣，因此该实例既可满足熟悉、简单的要求，又对学生有较强的吸引力。

选定教学案例后，教师需从特定的角度出发，引导学生思考，进而提出问题，最终解决问题。下面以2个教学案例为例进行说明。

（一）案例一：光电图像处理系统

該案例旨在使学生掌握光电图像处理系统的组成及原理，其教学思路如图1所示。教师首先提出问题：为什么使用多摄像头？针对该问题，引导学生从光电图像处理系统的各组成模块及其作用人手，分析单摄像头的局限性，再通过对多摄像头中各摄像头的作用、多摄像头协同工作原理、布局要求、镜头防抖等技术细节的分析，使学生深入理解光电图像处理系统的组成、原理、相互关系及性能制约因素，进而能够针对具体工程要求，掌握分析、设计以及构建光电图像处理系统的能力。

（二）案例二：彩色图像的获取

该案例旨在使学生掌握光电成像系统获取彩色图像的原理，其教学思路如图2所示。教师首先展示手机摄像头中与色彩信息相关的器件、位置及其作用;接着在灰度图像获取系统的基础上，分析常用彩色器件即滤光片和滤镜层提取色彩信息的原理、应用特点以及与之相应的彩色图像合成方法;然后针对使用滤光片和滤镜层会出现分辨率下降的问题，引导学生思考解决思路，继而以黑白+彩色双摄手机为例提出高分辨率彩色图像获取方法。

在上述2个教学案例中，教师以讲解与引导为主，以问题引导学生思考，使学生在逐步深入思考中掌握知识。在此过程中，为保证学生学习注意力集中，教师要求学生每次思考的时间不超过1分钟，接着互相讨论1分钟，进一步加深对所思考问题的理解，发现其中的不足，进而能够提出问题，增强对教师下一步讲解的关注度和理解力。

二、教师引导逻辑主线式教学

以工程实际案例为核心的教学方式可有效提升学生作为学习主体的兴趣和学习积极性，并使学生能够将所学与实际应用联系起来。但光电图像处理课程的部分教学内容具有较强的理论性，难以仅仅使用工程案例来开展教学。因此在教学改革中，课程教研组采用了教师引导逻辑主线式教学，通过教师讲解基础知识一提出图像处理需求一学生思考并提出解决方法一教师讲解理论模型一学生思考并提出优化方法一教师提出工程问题一学生利用所学知识解决问题等一系列步骤，使学生在教师的引导下一步步理解、掌握枯燥的理论知识，建立数学理论模型与光电图像物理表现间的联系，进而掌握对已有图像处理方法进行改进、融合以解决实际工程问题的能力。下面以4个案例说明逻辑主线式教学的思路。

（一）案例一：线性空域滤波

本教学案例旨在使学生理解线性空域滤波为什么采用数学卷积模型，其教学思路如图3所示。教师首先讲解一维信号的低通与高通滤波，并将其扩展，获得二维图像空域滤波的特性;接着从空域滤波的过程人手，引导学生对比该过程与数学卷积过程的对应性;最后通过卷积运算中常见的数据扩展现象启发学生思考空域滤波中二维图像边缘保留问题。

（二）案例二：线性空域平滑滤波器的设计

本教学案例旨在使学生理解并掌握不同的空域平滑滤波器的特性以及内在联系，其教学思路如图4所示。教师从BOX均值模板数学模型人手，讲解该模板对图像的平滑作用，并引导学生思考目标周边的像素对目标的影响是否相同，进而提出对BOX均值模板的改进思路。在此基础上，教师讲解双边滤波模板的保边平滑原理，使学生建立滤波核变化这一数学模型与物理图像滤波结果问的联系。接下来教师提出工程问题即桥梁裂缝检测，在讲解现有的Frangi裂缝提取算法的基础上引导学生思考该算法的不足之处及改进思路，最终提出利用双边滤波代替原Frangi算法中高斯滤波的改进算法。

（三）案例三：空域锐化滤波器的设计

本教学案例旨在使学生理解并掌握不同的空域锐化滤波器的区别及联系，其教学思路如图5所示。教师首先通过对数学模型的分析，使学生了解图像中目标边界作为高频信息可通过数学差分方法进行增强，即图像锐化。接下来，教师从最简单的数学模型即梯度算子人手，实现了梯度滤波器的设计，并引导学生思考其不足及相应的改进方法，最终提出Roberts算子、Sobel算子和Priwitt算子3种空域锐化滤波器。

（四）案例四：Canny算子边缘检测

本教学案例旨在使学生理解并掌握边缘检测滤波器，并能够在此基础上进行优化和改进，其教学思路如图6所示。教师首先讲解用于边缘检测的Canny算子，再从边缘检测性能3指标即好的检测能力、定位能力和响应能力人手，引导学生思考Canny算子的改进方向：利用双边滤波器代替高斯滤波器，提升边缘保持效果;利用Sobel算子代替4方向梯度锐化，优化边缘提取效果;采用自适应双阈值代替固定双阈值，消除外部环境光变化对图像整体灰度的影响。

教师在上述教学案例中，通过理论讲解一引申思考一实践问题思考的流程，引导学生完成了基础一创新、理论一实践的过程，使学生掌握了利用已有知识获取新知识以及对工程实例的解决方案进行评估、分析和改进的能力，将学习的重心从教师维度转移到学生维度，突出了学生在学习中的主体地位，变“教学生知识”为“教学生如何学习知识”，极大地提高了学生的学习积极性和学习效果。

三、引入渐进式综合实践

在完成上述理论教学与实践案例教学后，为了进一步深化学生对所学知识的理解，培养学生的工程思维及学以致用解决工程实际问题的能力，课程教研组在本次教学改革中还引入了综合实践训练。教研组针对不同的训练目的，设计了一系列不同难度的实训题目，通过难度逐渐加大的实训，逐步培养学生综合运用所学知识独立解决问题的能力。

（一）练习一：基础概念、方法训练

光电图像处理课程中有较多概念和方法，如空间频率、频谱、空域锐化方法等，为加强学生对概念的理解和对方法的掌握，课程教研组设计了具有一定综合性的实训题目1和题目2，如图7和图8所示，侧重于锻炼学生在实践中应用所学知识解决具体问题的能力。图7为2个平面波干涉形成的干涉条纹，该题目要求学生设计频域图像处理方法实现条纹间距的自动计算，旨在深化学生对频域图像、空间频率、频谱、空域频域采样间隔等概念的理解。图8为人体骨骼的CT图像，该题目要求学生根据图像特点设计增强算法，以突出骨骼的更多细节，同时需要抑制背景噪声，旨在深化学生对空域锐化方法特性的理解和掌握。

（二）练习二：新知识、新方法自学训练

实际工程问题千变万化，其解决方法必然涉及课程没有学过的知识和方法，为了锻炼学生对实际问题的综合分析能力以及通过自主学习解决问题的能力，课程教研组设计了较复杂的综合实训题目3至题目5，如图9、图10、图11所示。图9为不同尺寸的同一幅图像，展示了远看和近看不一样的图像效果，该题目要求学生查阅资料学习这类图像的合成原理，并设计方案合成任意2幅图像，实现远近观察形成不同图像的效果。图10为光照不均衡的内镜图像，该题目要求学生自学图像的增强原理，并设计方案实现图像的光照均衡和细节增强。图11为学生在教室上课时的集体照，该题目要求学生编写自动识别算法以实现2个功能：①数出集体照里的人数;②利用自己的个人照片在集体照中找到自己。

目前已有5届学生完成了综合实训，学生反馈良好，图12至图14为学生的实训成果。对于基础性实训，学生反馈“实现原理不难，但实现过程充满趣味，也比较曲折”。对于难度较大的综合实训，70%的学生能够积极查找文献中的知识和方法，并获得一定的解决思路和较好的处理结果。

四、采用综合教学评价体系

教学评价体系包括衡量学生学习效果的形成性评价和衡量教师教学质量的结果性评价。其中，形成性学习成果评价应能全面评估学生的学习效果，具有全程性、多样化等特点嘲;结果性教学质量评价则以学生为中心，基于“学生的学习收获”，由学生进行评判。

（一）形成性学习成果评价

在本次教学改革中，教学评价机制的优化重点是体现学生作为学习主体的自学能力和解决工程问题的综合能力，且评价机制贯穿学生学习全过程，杜绝“临阵磨枪”式的学习。

评价考核由6部分组成：2次月考，每次占总成绩的5%;1次期中考试，占总成绩的10%;期末考试，占总成绩的40%;平时作业与出勤，占总成绩的10%;2次综合实践训练，每次占总成绩的10%;实验，占总成绩的10%。其中，月考、期中考试和期末考试采取闭卷形式，主要考查学生对基础知识的掌握情况以及对图像处理相关问题的分析和解决能力;实验室实验主要考查学生设计、调试光电成像系统，以及编写图像采集、处理、显示程序，與光电成像系统配合解决工程实际问题的能力;综合实践训练，题目从5个综合实践训练题目中选取，基础性与综合性题目各选1题，主要考查学生的基础知识掌握情况和自学能力。

上述形成性评价机制综合考查了学生在学习全过程中的表现，激励学生改变以往“考前突击学习”的不良学习习惯，注重在日常学习中归纳总结、锻炼自己分析与解决工程实际问题的能力。

（二）结果性教学质量评价

为考查光电图像处理课程的改革效果，及时优化改革措施，课程教研组对学生进行期末匿名评价教学质量反馈调查。以2020级学生为例，调查参评学生100人，有效参评学生86人。在86份有效参评反馈中，93%的学生认为该课程的教学能够激发学习兴趣并调动学习积极性;94%的学生认为课程教学条理清晰，富有启发性;93%的学生认为通过该课程的教学，学会了将知识运用于实践，并锻炼了自学能力、沟通能力等;95%的学生认为形成性评价方式能够公平、真实地反映学生的学习效果。学生在反馈中评价“课程兼具科普性、专业性和扩展性”“老师很注重思考过程”“实践训练很有思考性和开放性，很能锻炼能力”。可见，光电图像处理课程的改革取得了较满意的效果。

五、总结与讨论

根据教育部打造“金课”的要求，天津大学光电信息科学与工程专业光电图像处理课程教研组展开教学改革，将原有的“教师教，学生学”模式转变为“教师引导，学生思考”模式，使学生成为学习的主体。教研组采用生活中的实例进行教学，激发了学生的兴趣;通过教师启发引导，使学生在逐层深入思考中掌握了理论知识及其应用;利用实践综合训练培养了学生自主学习新知识、解决问题的能力;采用综合教学评价体系评估学生学习效果与教师教学质量。这样的教学改革使光电图像处理课程成为一门学生能够在结课后学以致用，并进一步独立深入研习、解决相关科研与工程问题的“金课”。