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摘要：为了在数字图像处理双语教学中更好地对学生现代工程能力进行培养，探索了科研项目与教学相结合，让学生与老师角色互换的翻转课堂教学方法。首先，分析了数字图像处理的教学现状和现代工程能力的内涵；之后，分析了目前教学面临的困难和解决思路；最后，提出了科研引导、课堂讲授、学生实践的教学方法，用于在数字图像双语课程中培养学生的现代工程能力，得到了较好的教学效果。
关键词：图像处理；双语教学；工程能力
本文引用格式：孙斌等.数字图像处理双语教学中的现代工程能力培养[J].教育现代化，2019，6（7）：31-33+37
数字图像处理是一门发展速度快、复杂程度高、应用范围广的学科，目前国内将它作为电气工程、电子信息工程、信号处理、自动化、光学工程、测控技术与仪器、生物医学工程等众多工科专业的一门专业必（选）修课，具有广泛的受众群体。它涉及数学、光学、控制理论、生理学、心理学、计算机科学等多个领域的知识，各学科的发展以及它们之间的交叉、集成和渗透，推动着数字图像技术迅猛发展，在军事、文化、旅游、考古、交通、城市管理、医学等很多领域，数字图像处理技术都得到了广泛应用[1]。课程中包含高等数学、线性代数、概率论、泛函分析、随机数学等数学理论，内容较为抽象，学生感觉课程枯燥，较难理解，不清楚这一课程的实用性好重要性。根据教学经验，在双语授课过程中主要存在如下问题：(1)理论推导和公式证明较多，使学生产生枯燥感和畏难情绪；(2)讲授过程注重理论介绍，不重视图像处理在工程上的应用，学生往往难以理解教学大纲所规定的内容；(3)实验教学时，往往只通过某些特定场景下的图像处理应用进行介绍，学生难以掌握图像处理从系统论证到系统开发再到系统实现的全过程，不利于学生创新能力的培养。传统的数字图像处理教学主要采用中文授课的方式，针对数字图像处理数学复杂，内容抽象，难以理解的问题，许多教学工作者提出了切实可行的办法，杨淼等人从实践教学的角度对案例法在数字图像处理课程中的应用进行了探讨，该方法应用到教学过程中，收到了较好的效果，对提高课程教学质量[1]，李建忠根据数字图像处理特点，提出在数字图像处理课程中应用项目驱动教学模式，取得良好的教学效果[2]，汪军等人提出了一种从工程应用实例现象的演示到理论分析，再到处理算法的设计实现，最后在工程实践中应用图像处理算法的教学模式，这种教学模式不仅提高了学生对该门课程的学习兴趣，而且能够使学生将学习的知识应用于实际的项目，对培养学生的工程应用能力和实际开发能力起到了良好的作用[3]，邓运生提出把各个知识点和其对应的重要应用紧密结合起来加以讲解、阐释，进而将其放到具体的工程实践中，让学生直观深刻地感受到课程实用性，有效提高教学效果[4]，高伟等人通过分析遥感科学与技术专业本科毕业生不同角色类型专业能力培养的社会需求，探讨如何开展角色—能力主导的遥感数字图像处理课程实践教学，并基于开源软件设计实现教学实验软件，可以针对学生的特点和角色类型实现分层次多目标教学，有助于面向社会需求的专业人才培养[5]，贾永红从“数字图像处理”课程教学内容体系、教材、教学方法与手段、实践教学和师资队伍等方面的建设与改革入手，探讨精品课程建设和教学改革的途径[6]。
数字图像处理不但应用范围广，而且发展迅速，随着人工智能、信息融合、图像重建等技术的发展，SCI和EI数据库中与图像处理相关的研究论文呈逐年增长的趋势，考虑到让学生能够掌握学科前沿，将最新的科学成果应用到工程中，南京邮电大学自动化学院开设了数字图像处理双语课程，为了使学生更好地理解图像处理的内涵，本文对数字图像处理双语课程的教学方法进行探讨，提出采用科研和项目驱动的教学模式进行课程教学，调动学生学习主动性，培养学生关于图像处理的工程能力。
一 现代工程能力
工程能力是工科学生最基本、最重要的基本素质，高等教育必须很好地培养学生的工程能力，以便适应国家发展的需求。它是人脑对事物、经济环境、自然环境这个“大工程”的能动反应，就是在充分掌握自然规律的基础上，要有能够尊重自然、保护自然，合理合法地开发利用自然条件，去完成某项工程，创造出新的物质财富的能力[7-9]。从教育角度来说，现代工程能力包括：(1)对于所掌握知识的应用能力和分析能力；(2)根据实际情况，解决工程问
题的能力和创新能力；(3)组织能力、合作能力、法律意识。由此可见，对于现代工程能力来说，它包含了以上三个方面，只具备一个方面或某一些方面，不能称作具备现代工程能力。在以上三个方面中创新能力和法律意识具有极其鲜明的时代特征，对于改革开放前的工程师来说，他们只需要执行多年的工作流程，会仿制已有的系统即可，对市场、效率、竞争等问题不要做更多的思考。而如今已经进入互联网时代，知识成为一个国家软实力的体现，科学技术突飞猛进，知识产权意识的提高，国家与国家之间的竞争越来越激烈，这就要求培养出的工程技术人员不但具备较强的专业知识，而且还要具有创新、合作、法律等更为全面的能力，应对纷繁变化的世界，所以对于学生工程能力的培养必须符合科学技术和社会发展的规律。
现代工程能力是一名合格工科类毕业生的必备能力之一，但是在工作中遇到的工程问题往往是复杂的、非鲁棒的、不确定的，有时候甚至包括未发现的科学，此时必须用解决工程问题特有的思路和方法进行工程设计。所以，在理工科教育中必须加强学生现代工程能力的培养，使他们可以独立的分析和思考各种问题，抓住问题的主要矛盾和次要矛盾，具备工程简化能力，使他们成为优秀的高级工程技术人才是本科教学的基本任务，这一阶段的学生善于接收新事物，可塑性强，求知欲强，对他们工程能力的培养是今后能否取得重大工程创新成果的关键环节，因此从现代工程能力的内涵出发，培养学生的工程能力势在必行。
二 面临问题及解决思路
现代工程能力的培养是如今高等教育的薄弱环节之一，根据现代工程能力培养的要求，学生在毕业后除了可以解决实际工程问题外，还必须具有不断更新自我的能力和团队精神。受到传统教育的影响，目前在本科教学中，重视理论教学，强调数学推导，对考试分数的强调，忽视工程能力培养的现状没有得到改变，实践教学仅仅是对现有的简单程序进行机械的验证，而针对实际工程问题的训练尚未系统组织，学生的工程意识较弱，目前停留在考试通过的层面上，组织能力、开发能力、表达能力存在明显短板；学习能力、思维方式、应用知识解决问题的能力、资料查询、技术情报收集等方面有待提高。在进行现代工程能力培养的同时，对于传统理论的教学要求不能降低，因为优秀的工程技术人员需要理论、实践、创新三者结合，任何一个方面不能出现短板，学生纪要拥有扎实的理论基础，又要具备很好的工程创新能力，这给数字图像处理的教学提出了更高的要求。
根据教学经验和课堂的实际情况，在数字图像处理双语课程的教学中可以从课程的设计、调动学生积极性和教学方法三个方面进行调整可以解决上述问题：(1)有针对性地调整课程结构，使其适应现代工程能力的培养；(2)增强学生工程意识，使现代工程能力的概念深入人心；(3)在课堂中引入科研实例和工程实例，做到理论联系实际，采用科研引导、课堂讲授、学生实践的方法培养学生的现代工程能力。根据现代工程能力的要求，对传统的课程结构进行调整，传统的课程结构主要以图像处理的基本理论为主，注重对数学公式的推导以及图像处理方法的灌输，学生的主要目的就是考试、学习和修学分，体现现代工程能力培养的内容较少，合理调整课程结构，在现有课程结构的基础上融入工程模拟、知识产权保护、团队协作、工程概念与大工程观、交流表达能力等方面的教育，让学生在教学过程中与工程实践零距离接触，将所学的知识运用在实际的工程项目中，培养学生将所学知识应用到工程实践的能力，使其适应工程实践的需求。由于我国的高考模式，绝大部分本科生在高中阶段接受的是灌输式教育，在他们的潜意识里学习的主要任务就是做题和考试，忽略了工科类学科学习的目的，学生只有认识到工程能力的重要性，才能发挥主观能动性，进而提高学习效果，在课堂教学时，对学生加强工程能力培养重要性的介绍，注意对知识的讲授与启发，不断强调工程能力是合格工科学生的基础，告诫他们书本上的理论知识仅是学习的一小部分，应该对自己现代工程能力的加以重视。对于理工科的学生，需要具备扎实的理论基础和较强的工程实践能力，在进行授课时加强学生基础知识的同时，有针对性地将教师在科研和工程项目中的问题引入课堂，结合书本上的理论知识，训练学生理论联系实际的能力，根据实际情况让学生从科研项目和文献中寻找数字图像处理与工程项目相关的内容，将学生分成不同的小组，课后采用不同的工具实现所分配的任务，之后在上课时留一些时间让学生到讲台上汇报工作情况，这样不但提高了学生们的工程实现能力，为数字图像处理的学习打下了扎实的基础，而且在项目的实施过程中使他们养成团结合作的习惯，对知识产权的了解，采用到讲台上汇报的方式，提高了他们的表达能力，完全符合现代工程能力的培养要求。
三 培养工程能力的图像处理双语教学
（一）中文教学
数字图像处理是一门与信号处理、光学工程、计算机等学科相关的专业必修课，主要讲授了数字图像处理的发展和概念；将信号与系统、数字信号处理等课程所介绍的一维信号拓展到二维空间中，在二维空间中介绍图像处理的常用方法，如：图像增强、图像分割、特征分类等，这其中包含较为复杂的数学推导，学生普遍反应理解较为困难，课程内容较为抽象，一些高维空间的图像处理算法需要有良好的数学基础和较高的理解能力，这对于工科类本科生来说提出了不小的挑战。
针对上述问题，在进行中文授课时，用简洁生动的语言让学生掌握数字图像处理的基本内容，打牢基础，宜遵循少而精，重理解的原则，精选课程讲授的内容，突出图像处理的重点，弱化理论推导，选择容易理解，与工程实践结合紧密的内容进行详细讲授，主要使学生对图像处理的工程应用有感性的认识，让他们在最短的时间内获得最大的收获。在讲授课本知识的同时，补充数字图像处理系统的设计方法相关的知识，首先，介绍CCD、CMOS、红外焦平面、量子肼、像增强器等不同图像传感器的原理以及它们的相对应的光机结构；之后，讲授常用数字图像处理系统的结构，从基于计算机处理的图像处理结构和基于嵌入式的图像处理结构进行介绍；然后，引导学生进行与图像处理相关的软件学习，强调C/C++、OPENCV等编程工具的学习；最后，介绍数字图像处理在工程实践时的注意事项和实现技巧，力求讲授内容新颖，使学生在理论素养和工程应用方面都有较大地收获和体会。
（二）英文教学
开展数字图像处理双语教学的目的是通过外语进行专业课教学，培养和提高学生运用外语的能力，创造学生运用外语的机会，使他们能用外语进行学术交流和科学研究，同时双语教学也是培养具有外语听说读写能力的创新人才的重要途径，也是我国大学步入世界一流大学的重要手段。数字图像处理是一门涉及范围广、应用种类多、研究热度高的前沿学科，每年有大量的与其相关的研究论文被SCI和EI收录，它们中大部分论文由英文发表，论文中提出了大量的可以用于实际工程的方法和算法。为了使学生在今后的工作中可以第一时间阅读到与数字图像处理相关的最新成果，将它们应用在工程实践中，在数字图像处理双语课中，对学生进行英文文献的阅读进行指导，并且归纳总结与数字图像处理的相关的词汇。由于授课对象是本科生，它们基本没有受过与科研相关的训练，对于英文文献的阅读和理解比较陌生，不知道将科研论文转换为工程实践的方法，并且大部分同学的英文水平仅停留在考试上，应用能力有待提高，同时他们的英文词汇停留在与生活相关的内容上，与科技和专业的词汇储备量较低。
针对以上问题，再进行英文授课时，选取五篇影响因子较高的SCI论文作为范文，进行英文论文阅读方法的讲授，范文中选取一篇综述类文章，两篇算法类文章，两篇系统设计类文章，其中系统设计类文章分为图像处理软件系统设计类论文和图像处理硬件系统设计类论文，并且文章的应用背景各不相同，让学生感受到数字图像处理的应用方法和应用场合，激发他们对数字图像处理及其工程设计兴趣；了解目前数字图像处理的发展情况，对算法设计、系统设计、工程实现方面有一个感性的认识。剖析英文论文的结构，对与工程实现相关的内容进行详细分析，使学生掌握阅读方法，建立数字图像处理专业词汇库，在进行英文范文授课时，进行专业词汇讲解，提高学生阅读英文文献，将文献内容转换成实际方法，解决工程问题的能力。
（三）翻转课堂
以在研的南京邮电大学校级项目：NY215086，NY214057，以及已经结题的国家自然科学基金61101195，江苏省产学研联合创新资金，“十二五”总装预研项目中与图像处理工程相关的内容作为翻转课堂作为基础，以图像处理系统的实际作为理论学习与现代工程能力的培养作为切合点，将科研项目中与现代工程问题相关的内容分解成小课题，之后让学生根据所学的理论知识对实际问题加以实现，在所学理论的基础上进行工程训练，作为教师在课堂上对它们加以引导，在学生进行工程训练时及时加以指导。所布置的任务没有标准答案，只有技术指标，学生根据自己的所学和对项目的理解自行选择设计方案和设计思路。在翻转课堂教学时，将学生5-6人分成一个小组，根据现代工程能力的培养要求，让学生进行项目分工，课后搜集与课题相关的资料，训练他们的团队协作能力和知识产权意识；项目实施过程中，图像处理的开发环境由同学自己选择，包括了现在的主流平台，如：C++、OPENCV，DSP等，训练他们解决工程问题的能力；项目实施完成后，让每组派一个同学在上课时到讲台前向大家介绍自己团队项目实施情况，包括设计思路、项目背景、现有知识产权情况、项目实施情况和遇到的问题等，通过大家相互交流可以更进一步的互相学习，取长补短，培养他们的表达能力。每个小组中学生扮演的角色有：项目经理、论文和专利搜集者、程序编写者、方案设计者、PPT制作及文档写作者等，由于是双语教学，在所有工作完成后，每个小组用英文撰写项目结题报告和学习感想，训练学生用英语的表达能力。课程结束前让同学将实施翻转课堂教学时的资料上交，包括项目方案、项目实现程序、英文结题报告、英文学习感想、汇报PPT，教师根据上交材料的质量以及同学课堂汇报时的表现进行打分，作为学生本课程的平时分。
四 结语
根据现代工程能力的基本内涵，以及数字图像处理双语教学的特点，提出了将科研内容中的工程问题引入本科课堂教学，结合翻转课堂的方法对学生进行现代工程能力的培养方法。通过课堂讲授书本内容，加深同学对图像处理理论的理解，将科研与工程问题相关的内容引入课堂，让同学们针对某一工程问题进行方案设计，采用不同的方法实现设计方案。在方案设计时引导学生进行英文文献查阅，了解世界最新科研成果，将这些成果应用于工程设计，将5-6名同学分成一组，让他们在工程项目实施过程中分工合作，在项目结束时，用英文撰写结题报告和学习感想。实现了在数字图像处理双语教学中对于学生现代工程能力的培养，取得了较好的教学效果。
参考文献
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[9]罗兵,何周浩,殷政,周巨.结合工程应用的《数字图像处理》教学改革[J].教育现代化,2018,5(06):44-46.
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