1.当前的教学现状及存在问题

1.1现状

长期以来，大部分课程一直采用讲授的方式，教师讲，学生听；讲授按部就班，一般按原理、算法、处理效果等顺序地讲述；学生能系统地学到专业知识，掌握基本的图像处理技术；教师是完全主动的，但学生是完全被动的。

1.2存在问题

学生缺乏分析问题、设计方案并解决问题的能力；

现实中的问题五花八门，往往需要许多算法的综合才能完成，而单一讲授模式教出来的学生面对实际问题，基本束手无策；

学生的创新思维得不到有效的开发；

被动环境下的学习，使学生兴趣减少，主动性变差。

1.3解决方法：研究性教学模式

研究性教学以培养学生的研究能力、创新精神为主要目标，有利于人才的培养。

运用以问题为主导的研究性教学模式，设置适合课程特点和学生水平的三类问题或研究主题。

提高学生综合运用所学理论知识和技术手段分析并解决图像处理问题的能力。

2.研究性教学模式

2.1基本理念

强调学生在教学中的主动性和创造性，它是以培养学生的创新精神和实践能力为核心的一种教学活动方式。

2.2基本内容

开放式研究性教学模式应题目开放、过程开放，要留给学生更多自主思考的空间，充分发挥学生的主体性，让学生主动实践，创新学习。

2.3基本方式

实现师生角色的互换，学生成为教学活动的主角，而教师主要负责教学活动的组织和引导。

2.4教学目标

以“问题”为中心，培养学生解决问题的能力，逐步提高学生的创新能力。

2.5意义

研究性教学强调将教学与研究结合作为大学教学的基本思想，注重提高学生分析问题、解决问题的能力，对培养创造型人才具有重要意义。

2.6研究性教学模式对教师的要求

具备创新特质：作为实施主体的教师首先必须具备创新的特质。以培养学生的研究能力、创新精神为主要目标。

具有科研基础：科研是研究性教学的灵魂，研究性教学是科研的外化。教师的科研意识、科研精神和科研能力与科研成果一同构成研究性教学的基础和条件。

做好教学研究：强调从创设问题情境出发，激励、引导和帮助学生主动发现问题、分析问题和解决问题。要求教师需具备教学、科研等多种能力，教师不仅需要进行教育观念创新，知识结构创新，而且需要很强的科学研究能力和实践能力。

教师在教学中体现的是：

课程的组织者

情感的支持者

学习的参与者

信息的咨询者

研究性教学需要教师付出很大的精力。

2.7研究性教学模式对学生的要求

知识储备：必须具有一定的知识储备。只有知识储备到一定程度，才能有力支撑学生的思考。

主观能动性：研究性教学要求学生要有主动性，使学生的学习状态由“要我学”转化为“我要学”，充分挖掘学生的学习潜能。 

参与性：要求学生主动参与教学过程、讨论等，通过语言交流、实践操作、质疑、探询等过程获得知识，其对知识的认知比被动吸取要深刻得多。

3.设置研究性课堂教学模式的原则

3.1概念

教学模式：是在一定的教育理念支配下，为实现特定的教学目标而创建的一种教学方法。它包括：从教学原理、教学内容、教学目标和任务、教学过程直至教学组织形式的各个环节。

研究性教学包括教与学两个方面，其核心是完成教师和学生在教学活动中角色的转变：教师从知识的传输者变为指导者；学生从知识的被动接受者变为知识的主动建构者。

3.2原则

新的教学模式，应有合适的切入点。在设置研究性教学模式时要注意以下四个原则。

原则一：发现性学习与创造性学习相结合。

研究性学习要求学生以积极、自觉地态度去面对自己尚未理解的问题，在质疑、查找、解疑的过程中进行学习并解决。在研究过程中学生往往会用发散思维进行创造性学习，在获取、加工信息的基础上再生信息，解决实际问题。这是学生不满足现状、不依赖老师，面对自己陌生的领域独自提出多种答案或解决方法，将知识转化为自己的能力的一个主动学习的过程。

原则二：老师指导学习与学生研究性学习相结合

研究性教学强调学生的能动参与意识，但并不排除教师的学习指导，相反对教师提出了更高的学习指导要求。教师要在更高的层次把握课程的整个知识结构体系，并对课程涉及的主要问题进行过深入研究，才能具备指导学生的能力。尤其是开始实施时，老师更要提供一些精心设计的问题让学生去研究，扶着学生走一程，帮助学生建立科学的研究性学习方法，这就要求老师的指导要少而精、指导要得法。

原则三：独立研究和合作研究相结合的原则

研究性学习要求学生自选主题、自我解决，尊重学生的自主意识，积极培养学生的个性。个人独立研究是开展这一教学模式的最基本形式。也可采取小团队合作研究模式。受到学校资源和当前学生个体研究能力等因素的制约，学生个人的力量往往难以解决复杂的问题。可采取小团队合作研究模式，学生之间充分交流、切磋，相互启发，相互争论，从而取得突破性的成果，探索出未知的知识。

原则四：学科学习与跨学科学习相结合的原则。

研究性教学模式力图弥补原有教材的不足，改革单一的课堂教学形式，创造课堂教学独特的意趣。由于每一个问题的研究和解决都会涉及到很多知识，在研究性学习中，学生会很自然的在各学科之间架起桥梁，运用各学科的知识来探寻未知的知识，使自己原有的知识沿着深、广两个方面拓展。注重学生知识视野的开拓、思考问题和解决问题能力的培养及研究素养的提高。

4.研究性教学内容的设置

4.1课程的选择原则

学生要有较好的知识基础：数字图像处理是一门专业课，比较适合采取研究式教学模式。在学习该课程前，学生已学习过相应的专业基础课，如信号与系统分析、数字信号处理等，具备分析问题所需要的一定的知识储备，渴望快速提高自己的专业能力，学习上具有主动性，也能够积极参与。

教师要具有较好的科研基础：长期从事数字图像处理领域的科研工作，近年主持4项图像压缩、图像识别、视频分析方向的省级科研项目，具有深入和广泛的研究基础，为该课程开展研究性教学提供了有力的条件和支持。

数字图像处理课程简介：

本课程以数字图像处理的基本理论和基本应用为主。

主要包括8章内容，即绪论、数字图像处理基础、图像信号的正交变换、图像增强、图像复原、图像压缩、形态学图像处理和图像分割。

算法实例主要用MATLAB或VC++实现。

随着近年来图像处理新原理、新方法的不断出现，为体现课程的特色并跟上时代的步伐，也在相应的章节简单介绍小波变换、图像识别等内容，并结合教师的学术研究成果，介绍学科的发展前沿。

4.2教学内容设置的切入点：问题。

在多年的教学实践中，我们体会到，运用以问题为主导的研究性教学模式是一种较好的方法。结合数字图像处理课程的教学内容，问题要分类，并由简到难，使学生能循序渐进、逐步适应研究性教学模式。我们将问题分为3大类：基础知识类、单一问题类和综合问题类。对不同的问题采取不同的教学模式和研究方法。

基础知识类问题

针对绪论、数字图像处理基础、图像信号的正交变换等基础知识的学习，设置相关的问题。

如问题一：数字图像处理技术在当前的生活和工业生产中有何应用？

同学们的周围实际上就存在着很多应用，稍加留意就能发现，如网上的图像和视频传输就用了图像压缩技术，数码照相机中就有笑脸识别等图像智能识别技术等，通过这一问题广泛和深入的了解，能有效提高学生的兴趣，提高对本课程学习的积极性和进一步研究问题的主动性。

如问题二：各种图像信号的正交变换的相同点和不同点，如何应用？

课程教学内容中涉及五种不同的正交变换，学生学完后普遍反映有点晕，如果由教师简单的归纳，学生往往印象不深，将问题交给学生自己去研究，并在课堂中交流讨论，则能达到较好效果。

这类问题较小，比较容易完成，每章可根据内容设计2~3个问题。

单一技术类问题

主要针对图像增强、图像复原和图像压缩等比较单一的图像处理方法，问题只涉及本章的内容，但包含理论研究和实验研究两部分。

如研究问题：给出一幅含有噪声的图像，要求学生采取不同的去噪方法实现图像的滤波，如均值滤波、中值滤波等，并从主观质量和客观质量两方面比较不同方法的效果，得出自己的结论。

问题延伸：该问题还可在噪声类型、模板大小等方面延伸，做更深入的研究。

问题的研究目的：可使学生对去噪方面的算法原理、算法特点、实现方法、对图像效果的评价等有一个较全面的认识。

这类问题虽然单一，但包含的研究内容并不少，每章可根据内容设计1个经典的必做问题，再设计1~2个较难的选做问题，供不同层次学生选择。

综合问题类

主要针对图像分割以及简单的图像识别等综合性的图像处理方法，问题不但涉及到课本上的知识，还要延伸到课外知识。

最好是以教师的科研项目为依托，给出实际应用的问题，要求学生查阅资料，自己设计解决方案。

如研究问题：以变电站红外图像为研究对象，首先分割出可能有故障的温度过热的区域，其次计算过热区域的面积、最高温度，并识别出过热区域的部位等，为变电站自动故障诊断提供依据。

该问题涉及图像分割方法，学生可选择阈值法、区域生长的方法、数学形态学方法以及先进的图像分割方法等，也涉及到简单的图像表示与描述，能够考察学生综合应用知识分析问题和解决问题的能力。

这类问题综合性较强，来源于教师的科研实践，一般从科研项目分解出适合本科生研究的3~4个问题，分不同层次，由学生选作。

5.研究性教学实施方式

有了较好的研究性教学内容，还要有好的教学实施方式，才能使研究性教学的益处落到实处。

5.1 实施步骤

第一步，教师提出问题。

教师根据课程内容，在课前先提出1～2个问题或研究主题，并向同学介绍这些问题或研究主题的基本情况，回答学生的疑问，解释题目的内涵以及研究要达到的目标。目标或技术指标一定要明确、详细。

第二步，学生查阅文献资料

由于大多数学生没有做过研究，没有系统地查过文献，因此教师需要传授学生查阅文献的方法，例如如何确定关键词、可以在哪些文献库里查找等等。

第三步，学生提出解决问题的方案，并由教师指导确定。

这是最重要、也是最困难的一环，学生由于知识与经验的局限，不能突破思维定势，因此需要教师引导，引导学生开展发散思维，激发学生自主学习和探究的动机。方案指导主要针对综合性问题，抽查进行。

第四步，讲评与总结。

有针对性地选取最好和最不足的解决方案，进行讲评。通过讲解最好方案的研究方法、研究思路、研究结论，使其他的同学能举一反三，提高研究性学习的能力。对不足的解决方案进行讲解，提出缺点在何处，可避免重复犯错。总结可起到画龙点睛的作用，由于学生是通过自学、查阅文献、讨论等方式学习知识，对某个知识点的理解和应用会比较深刻，但对知识的系统性会有所欠缺，通过教师的总结可使涉及到的知识得到进一步的升华。

5.2 实施注意的原则

（1）遵循老师指导学习与学生研究性学习相结合的原则。

根据授课学生对基础知识的掌握情况和分析研究问题的能力，分配好老师指导学习的内容和学生研究性学习的内容。我校为教学研究型大学，学生的研究能力不是很强，而且长期习惯了讲授型的授课方式，对研究型教学模式不能很快适应。所以在实施中教师的指导仍有较大比重。但这时的指导与传统意义上的授课大有不同，不是按部就班的简单叙述。

具体做法：一般以每章为一个教学单元，在第一步教师提出问题后，对本章内容概要讲述，对重点可较详细讲授。在学生确定解决问题的方案时，教师要给予充分的指导，可采用课内讨论和课后答疑的方式进行。

（2）遵循独立研究和合作研究相结合的原则。

针对研究性教学设计的问题类型，在实施时采用循序渐进的方法，先从基础知识类问题入手，使学生逐步适应。基础知识类问题属于简单的归纳性质，比较容易完成，要求一人一题独立完成；单一问题类包含理论研究和实验研究两部分，要求两人一题合作完成；综合问题类由于涉及的知识面较宽，可3~4人组成一个研究小组，并设定一名组长，分工合作共同完成。

（3）特别注意兴趣引导与考核相结合。

一方面设计的问题要尽量生动有趣、贴近生活，通过兴趣来引导；另一方面，要设置适应研究性教学模式的考核方式，通过考核加强教学的效果。

主要措施是对所有研究问题的结论计分，如前两类问题的分数占30%，综合性问题的分数占40%，由于研究的问题并没有标准答案，因此不允许有雷同的结果，避免了作业抄袭现象。另外每次课堂讨论发言、方案陈述、提出创新思路、主动承担研究小组组长等情况均计分，分数占30%，这一措施促进了学生主动表达自己想法的积极性，活跃了课堂气氛。

6.开展研究性教学的体会

结合我校的教学实际情况，将研究性教学模式引入“数字图像处理”课堂教学中，经初步尝试取得了较好的效果。新型的研究性学习方法，对于培养学生综合运用所学科学理论和技术手段，分析并解决图像处理问题的能力起到了很好的促进作用。但在实施中还存在一些困难：

（1）开始实施时遇到的最大困难是学生不主动，长期养成的被动学习习惯一时难以改变。在研究性学习中，知识的获取要通过主动地学习，如何引导学生主动学习的积极性，是一个重要的问题。

（2）学生人数问题。

如果是30人的小班，基本能关注到每个学生，教学效果良好；若推广到60人的教学班，效果将受影响。

（3）教学学时的问题。

研究性教学模式环节多，需要较多的学时才能讨论充分，保证效果，如果学时较少，可以只研究一些典型问题。