基于OBE理念的教学方法改革与实践

摘  要：数字图像处理作为大多数理工类和综合类院校的一门新兴交叉课程，该课程具有发展速度快、内容覆盖面广、理论难度大和实践要求高的特点。然而，其教学过程往往存在课程教学气氛单调、学生主动性、积极性不高；课程实验任务简单，学生解决复杂问题能力培养不足，以及教学评价依赖期末考核，缺乏动态、完善的评价机制等问题。该文针对这些问题，提出基于OBE理念的数字图像处理教学方法，在“学导互促”教学、项目驱动式教学、动态评价的教学机制三个方面进行探索与实践，培养学生的创新和解决复杂工程问题的能力，提高本科生教学质量。

关键词：数字图像处理；教学方法改革；OBE理念；项目驱动；动态评价

中图分类号：G642     文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）18-0048-04

Abstract： Digital Image Processing is an important and basic course offered by many science and engineering universities or comprehensive universities. It has distinct characteristics in the fast development， wide coverage content， high theoretical difficulty and high practical requirements. However， the teaching process is commonly teacher-centered， and the students lack the ability to solve the complex engineering problems， also the dynamic evaluation is insufficiency in the teaching process. In this paper， we proposed the teaching method based on OBE concept in Digital Image Processing. We make the exploration and practice in three aspects： the teaching with mutual improvement in learning and teaching， the project-driven teaching， and the teaching with dynamic evaluation. The proposed teaching method in Digital Image Processing under OBE can cultivate the ability of innovation and the solution of the complex engineering problems for the students， and to improve the teaching quality of the Digital Image Processing course.

Keywords： Digital Image Processing; teaching method revolution; OBE teaching concept; project driven; dynamic evaluation

OBE（Outcome based Education，OBE）作为一种先进的教育理念，是一种以成果为目标导向，以学生为本的理念，该理念又称为成果导向教育或目标导向教育[1-4]。OBE教育理念最早是1994年，由称为“OBE之父”的美国学者威廉·斯派蒂（Spady W D.）提出，是指“教育系统中的每一项活动设计都应基于最终的学习者学习成果”[5-9]，斯派蒂在其专著《基于成果的教育：关键问题与答案》（Outcome-based Education： Critical Issues and Answers）[10]中指出OBE理念的两个主要内容：一方面学生毕业后具备步入社会所需要的知识、能力和素质；另一方面，加强学校教学，使所有学生都能够实现具有所需要的知识、能力和素质。OBE教育理念重视学生学习过程的学习兴趣和积极性，尤其重视学生解决复杂工程问题能力的培养，此外，OBE教育理念重视学习的持续改进与创新。目前，OBE教育理念已在美国、加拿大等国家产生较大影响力。随着2016年我国工程教育正式加入《华盛顿协议》，我国向工程人才培养的国际化迈出了重要一步[11-13]，而工程教育专业认证的核心理念即OBE理念。因此，近年来，我国对OBE理念下的教育模式也在不断深入研究，并逐步得到认可。

数字图像处理作为通信工程、计算机科学与技术、电子信息科学与技术、测绘科学与技术等工科类专业本科生的一门热门课程，同时也是新时期大多数理工类和综合类院校大数据、人工智能等新工科专业的一门新兴交叉学科[14-17]，具有理论性和实践性均较强的特点，但其教学过程具有教学内容相对抽象、公式多而复杂、理论难度大和实践要求高的特点[18-20]，传统教学模式以教师主动进行知识灌输、学生被动接收知识为主，尤其对于理论性较强的数字图像处理课程[21-23]，表现为明显的课堂教学气氛单调，学生学习的主动性和积极性较低，即使学生掌握了相关知识，但仍有较多学生对知识缺乏辩证性理解，过于相信书本权威。此外，数字图像处理课程实践性较强，多数开课院校存在实验教学，但根据笔者广泛调研[24-34]，大多数院校设计的实验过于简单，难以培养学生解决复杂工程问题的能力。因此，传统数字图像处理教学模式对学生的目标导向教育考虑不足，学生课程学完后，仍难以解决实际中的图像处理任务，不能满足该课程对学生的培养需求，迫切需要改革其教学方法。改革并实践以“学生为中心、以产出为导向”的数字图像处理课程教学新模式。

本文以数字图像处理课程为例，通过课程教学与广泛调研，分析了数字图像处理课程教学过程中存在的问题，提出了OBE理念下的数字图像处理课程教学理论与方法。

一  数字图像处理传统教学存在的问题

（一）  课程教学气氛单调、学生主动性、积极性不高

数字图像处理课程数学公式多而复杂、晦涩难懂，教学内容相对抽象，导致学生对原理内涵的理解产生畏难心理。然而，传统数字图像处理教学模式仍然以教师“主动教”、学生“被动学”为主，教师将课程知识点灌输于学生，未充分调动学生的学习主动性、积极性。学生在“被动学”后，多数学生对所“学”知识点思考少，理解不深甚至不理解，更不能辩证地看待所学知识，导致过于相信所谓的课本权威。

（二）  课程实验任务简单，学生解决复杂问题能力培养不足

传统教学模式下的数字图像处理实验任务过于细化，如空间滤波、频率域滤波、灰度变换分为三个实验，编程实验要求较为简单，而三者均属于图像增强的范畴。此外，传统教学模式下，教师往往把很小的知识点作为实验任务，如在图像去噪中，基于模拟的图像高斯噪声、椒盐噪声布置实验任务，对实际图像中存在的混合噪声考虑不足。学生在编程实验中，通过一堂课完成实验，甚至多数不能完成实验。因此，现有实验设计对复杂工程问题考虑不足，学生分析、解决复杂工程问题的能力培养不足。

（三）  教学评价依赖期末考核，缺乏动态完善的评价机制

传统教学模式下学生的学习效果的评价主要包括学生平时考勤、实验成绩和期末成绩三方面，在部分已获工程认证专业中，会根据学生的期末考试成绩进行达成度分析。但该评价模式，仍然属于“静态评价”，难以及时充分掌握学生平时的学习达成度状况，存在评价过程相对静态、评价机制不完善的问题，导致不能及时的对学生所学知识点进行评价与针对性指导，长此以往，学生很难较好地掌握所学知识。此外，现有评价对课程相关学科竞赛、科研任务、工程任务等考虑不足，评价机制不够灵活完善。

二  OBE理念下数字图像处理教学

本文针对数字图像处理传统教学模式存在的课程教学气氛单调、学生主动性、积极性不高，课程实验任务简单，学生解决复杂问题能力培养不足，以及教学评价依赖期末考核，缺乏动态、完善的评价机制等问题，提出OBE理念下的数字图像处理教学方法，包括学导互促课堂教学、项目驱动式实践教学、教学过程的动态评价（图1）。

（一）  学导互促课堂教学

针对以往教学以教材为中心、以老师为中心，学生“学”和教师“导”相互分离的问题，在教学过程中放弃单向知识灌溉的方式，在课程教授过程中采用双向沟通的方式，首先学生在课堂上不仅听教师授课，而且还能提出自己的见解、观点，与教师、同学共同探索知识，使课堂教学由原来的单纯传授知识转变为一个探索知识的过程。通过这种教学方式充分发挥学生的主动性，激发学生的学习兴趣，激活学生的创造性思维，发挥学生的自主学习精神，让学生由以前单纯的受教育者转变为课堂真正的主人。这里笔者选了“略讲-自学-互动-精讲”深化教学流程来实现“学-导互促”的教学模式。

如在数字图像处理课程第一章知识讲解的课程中，略讲是介绍生活中天气好与不良天气下的拍照经验，生活中医院诊疗CT成像、核磁共振图像存在的优势与缺点等，并简要地介绍图片增强的算法，以提升学生们自学的兴趣，消除学生对于下一堂课的畏难情绪，在下一节课上学生可以通过自学提出自己存疑与感兴趣的地方，老师再进行具体的疑难解答和详细的细节讲解，包括具体的图像算法增强在现实应用的详细原理与步骤，使学生可以生动地掌握课本知识，深化是指在课堂精讲后，教师设置的思考题与文献查阅训练等方式，让学生深化专业知识并进一步延伸。例如，可以让学生考虑不同图像增强算法之间的优恶性，鼓励学生可以尝试对于缺点进行改进的尝试。此外，以分组形式，设立团队队长和队员，学生根据大纲内容和学习进展主动检索文献，调研国内外前沿进展，鼓励学生对传统理论的大胆质疑和创新突破，以团队形式进行部分课程知识的讲解，通过学-导互促教学， 提升学生在课堂上的学习积极性和主动性。

（二） 项目驱动式实践教学

对以往实验课程教学存在任务简单，对学生解决复杂工程问题的能力培养不足的问题，研究面向复杂工程问题的实验设计方案，改革并实践基于项目驱动的实践教学模式，提升学生解决复杂工程问题的能力。

基于国际工程教育改革的最新成果CDIO（Conceive（构思）；Design（（设计）；Implement（实现）；Operate（运作）），改革现有数字图像处理课程实验教学模式。根据工程教育专业认证对数字图像处理课程的毕业要求和指标点，整合课程章节知识点，以项目形式重新设计课程实验内容和目标，如将现有大纲中“基于灰度变换的空间域图像增强”“基于空间滤波的空间域图像增强”“频率域图像增强”三个实验整合为一个实验项目， 以图像去云、去雾、水下图像增强等来源于实际生活以及科研项目中的案例作为实验素材，让学生以团队形式全程参与复杂工程问题分析、文献检索、 提出解决方案、编程实验和结果反馈与优化等，培养学生分析、解决复杂工程问题的能力。比如，以往实验课的实验设计针对的单一知识点，整体知识体系离散，当学生解决复杂工程问题时难以将所学实验知识应用。因此笔者在数字图像处理的实验课上进行了改革，提出“知识-应用”结合的实验课程设计方法。例如将频率域滤波章节的简单实验，同现实生活中对于图像增强算法的结合，形成完整的知识“学习-应用”体系，让实验不是简单地将图片转化到频率域，更加上图像增强算法如何对于图像频率域的处理以达到图像增强目的的相关实验。鼓励学生参加国际国内的学科竞赛，与相关知识结合的数学建模比赛，提高学生对于实验动手的能力与兴趣，从而培养学生解决实际复杂问题的能力。