基于翻转课堂与项目驱动的数字图像处理课程混合教学模式.pdf

145计 算 机 教 育Computer Education第 10 期2023 年 10 月 10 日中图分类号：G642基于翻转课堂与项目驱动的数字图像处理课程混合教学模式何家峰，曹江中，程 昱，李伟彤（广东工业大学 信息工程学院学院，广东 广州 510006）摘 要：为了更好地达成课程教学目标并实现学生实践创新能力培养，提出基于翻转课堂与项目驱动的线上/线下混合教学模式，以数字图像处理课程教学为例，分别从完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式以及半翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式两个教学周期出发，介绍具体教学实践过程，最后通过对比分析说明教学效果。关键词：实践创新能力；翻转课堂；项目驱动；混合教学模式文章编号：1672-5913(2023)10-0145-04基金项目：广东工业大学 2021 年校级本科教学工程项目“数字图像处理混合教学模式探索”（211220044）。第一作者简介：何家峰，男，副教授，研究方向为信号与图像处理、机器学习，。1翻转课堂和项目驱动相结合的教学模式如何更好地培养学生的实践能力和创新能力，在传统的理论课程教学模式下很难找到好的实现路径。另一方面，数字图像处理课程的工程教育专业认证教学目标涉及方案设计及影响因素分析，这些教学目标的实现不能只限于纸上谈兵，还应该在实践中得到体现。这些问题的解决，可借助于翻转课堂和项目教学。翻转课堂能提高学生学习兴趣，能够让教学活动充满趣味性，突出了学生主体性1-3。翻转课堂线上/线下混合式教学提供了一种真正参与度高、具有个性化指导的学习体验4。翻转课堂通过把全部或部分传统课堂授课任务转移到课外线上学生自学，把线下课堂节省下来，线下课堂可以聚焦于学生能力培养，更好地达成工程教育专业认证教学目标。项目式教学有利于培养学生对知识进行自主深化与拓展的能力，锻炼学生的实践能力、分析和解决问题的能力5-6。2第一个教学周期：完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式2.1教学内容及教学目标简介以典型数字图像处理任务所涉及的四大主要知识模块（图像增强、图像分割、图像表示与描述、图像识别）为核心内容，再辅以绪论和数字图像基础，构成课程教学内容。工程教育专业认证的课程教学目标包括 3 个方面。（1）教学目标 1（原理与方法）：掌握和理解图像处理的基本原理及方法。（2）教学目标 2（影响因素分析）：根据图像处理问题的需求分析和设计目标，分析影响设计目标和技术方案的各种限制和矛盾因素。（3）教学目标 3（方案设计）：培养学生通过文献资料分析或相关方法研究，调研和分析图像处理的复杂工程问题，根据问题特征选择图像处理的研究路线以及设计实验方案。在成绩评定方面，教学目标 1 占比 60%，教学目标 2 占比 20%，教学目标 3 占比 20%。2.2完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式总体设计完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式总体设计体现在两个方面。（1）按照完全翻转课堂原则，要求学生全部在线上自学传统授课内容。在具体实施前，需要录制全部教学视频，并把教学视频上传到网上课2023146计 算 机 教 育Computer Education程学习平台，实现线上建课。（2）节省下来的线下课堂，主要聚焦于小组项目作业，加强学生实践创新能力的培养，更好地达成课程教学目标（教学目标 2 和 3）。线下课堂由知识点检查、重点难点解析、小组汇报及指导、图像编程知识讲授、项目开发知识或实例讲授等教学环节构成。图像编程知识讲授以及项目开发流程或项目实例等环节，有助于促进学生完成小组项目作业。2.3完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式实施方法2.3.1 教学活动组织方式按照课前、课中和课后 3 种时段，进行课程教学过程设计。（1）在课前，要求学生学习相关章节的教学视频和教学课件，并完成课前练习。关于课程教学资源，2021 年已在中国大学 MOOC 平台和广东工业大学蕴瑜课堂上线。（2）在课中，教学活动包括：对课前练习所涉及的知识点进行检查；针对重点内容以及课上知识点检查出现的问题，进行重点难点解析；随机抽查 4 个小组进行小组汇报并点评和指导；结合每一次课程学习内容，讲授 Python OpenCV 图像编程；讲授项目开发流程或项目 实例。（3）在课后，要求完成小组项目作业和课外作业（方案设计题及/或影响因素分析题）。2.3.2 小组项目作业设置基于“先专项后综合”的原则，设置了 11个小组项目作业，每一章都涵盖了项目作业。具体包括：绪论项目作业：讨论如何学好数字图像处理课程；数字图像处理基础项目作业：数字图像自适应采样与量化方法及实现，图像彩色变换；图像增强项目作业：编程实现多种图像灰度变换方法，图像加密与解密，实验研究先平滑后锐化与先锐化后平滑的图像处理效果；图像分割项目作业：虹膜定位，指纹图像分割；综合性项目作业：“脸型识别”，涉及典型数字图像处理任务所涵盖的四大主要知识模块（图像增强、图像分割、图像表示与描述、图像识别）。综合性项目作业又分解为 3 个子项目：文献综述（或调研）、方案设计和编程实现，以提高综合性项目作业的质量。2.3.3 课程考核方法期末考试占比 50%，平时成绩占比 50%。平时成绩包括考勤占比 5%，线上活跃度占比 5%，侧重于线上考核，支撑教学目标 1；知识点检查占比 20%，侧重于线上线下相结合的方式进行考核，支撑教学目标 1；项目作业占比 15%，课后作业占比 5%，支撑教学目标 2 和 3，侧重于线下考核。2.4存在问题为了全面了解学生对完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式的认可度，我们面向教学班广泛收集了学生的意见或建议。总体来看，学生意见两极化，反对的学生数略多于支持的学生数。支持的学生认为，这种教学模式能促进学生对知识运用的思考和实践，课外时间虽然忙碌，但感觉很踏实。反对的意见很多，主要体现在以下几个方面。（1）翻转课堂占用较多课外时间。有些学生主要精力放在考研上，有些学生主要精力放在与就业考试相关的学习准备上，有些学生主要精力放在大创活动上，少数学生只想很容易地获得课程学分，这些学生对课程学习占用较多课外时间意见很大。（2）部分学生习惯于传统教学模式，不太适应新的教学模式。（3）许多学生反映项目作业有时不知从何入手，认为讲授的 Python OpenCV 图像编程和开发流程或项目实例，与要完成的小组项目作业没有直接、紧密的关系。（4）部分学生认为线下课堂教学过程设计不太高效，例如部分学生甚至认为 Python OpenCV图像编程讲授完全没有必要。（5）许多学生反映课外作业（方案设计及/或影响因素分析题）不知如何解题。通过学生意见或建议的收集和梳理，加深了我们对学生实际情况的了解以及对翻转课堂的认识，为后续第二个教学周期的教学模式改进奠定了基础。教育与教学研究第 10 期1473第二个教学周期：半翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式3.1半翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式总体设计针对第一个教学周期完全翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式实施过程中学生所反映的主要问题，在第二个教学周期进行相应的教学 改进。（1）针对一些学生“翻转课堂占用较多课外时间”“习惯于传统教学模式”等反馈意见，将完全翻转课堂调整为半翻转课堂，保留相当数量的传统课堂讲授时间，布置适量的项目作业，达到大幅减少课外所需时间的目的。（2）针对许多学生反映的“项目作业不知从何入手”问题，将完善项目作业的实施方法，采用多种举措给予方案设计指导，以便学生顺利完成项目作业。（3）针对“线下课堂教学过程设计不太高效”“课外作业不知如何解题”的问题，重新设计线下课堂教学过程，主要聚焦于项目作业和方案设计及/或影响因素分析习题的指导。半翻转课堂与项目驱动相结合的数字图像处理课程混合教学模式总体框架如图 1 所示。3.2半翻转课堂与项目驱动相结合的教学模式具体实施方法3.2.1 教学活动组织方式本课程 32 学时，每 2 学时一次课，共 16 次课。按照“重点难点授课内容筛选为传统教学方式，次要易学教学内容筛选为翻转课堂教学方式”的原则，11 次课安排为传统课堂教学，5次课安排为翻转课堂教学。对于翻转课堂教学，按照课前和课中两个时段组织教学。课前要求学生在课外时间学习线上教学视频，做课前练习和完成小组项目作业。课中教学活动包括知识点检查、重点难点讲授、小组项目作业抽查汇报与点评、方案设计及/或影响因素分析习题指导4 个方面，侧重于小组项目作业和方案设计，聚焦于教学目标 2 和 3。（1）知识点检查。在课堂上安排随机抽查环节，以检查学生课前教学视频学习及课前练习的完成情况。为了确保被抽查学生独立完成，采用两方面的措施：一是改变课前计算题的数据，要求重新解答；二是空出教室的前两排，被抽查学生坐在第一排，相邻学生间隔两个座位，学生不准带手机，只准带笔解答题卷。（2）重点难点解析。对每次课的重点内容，以及知识点检查所发现的学生存在问题，或者学生课前学习反映的问题，进行详细讲解。（3）小组项目作业抽查汇报及点评。每次课随机抽查 4 个小组进行汇报，鼓励其他学生发问，教师进行点评和指导。（4）方案设计及/或影响因素分析习题指导。安排 30 分钟左右的时间，选讲教材上的方案设计及/或影响因素分析习题。3.2.2 小组项目作业的拟定与指导应采用多种举措，提高学生的方案设计能力，降低项目作业入手的难度。（1）拟定项目作业题目。项目作业题目的拟图 1 半翻转课堂与项目驱动相结合的混合教学模式总体框架课中课前传统教学知识讲授案例讲解项目作业布置与指导课外作业布置翻转课堂教学知识点检查完成项目作业学习教学视频完成课前练习方案设计及/或影响因素分析习题指导项目作业汇报与点评重点难点内容讲授教师学生教学目标1教学目标2教学目标3掌握数字图像处理的基本原理和方法具有一定的影响因素分析能力具有一定的方案设计能力2023148计 算 机 教 育Computer Education定，遵循 3 个方面的原则：拟题既要与授课内容高度相关，又要有一定程度的拔高，留给学生自由发挥的空间；拟题最好在网上搜索不到相应代码，从而促进学生自主完成；每个教学周期重新拟题。所拟定的 5 个小组项目作业，覆盖了主要教学内容。其中，项目作业 1（扇形图像变换为矩形图像）与数字图像基础相关联，项目作业 2（局部直方图均衡化算法改进）与图像增强相关联，项目作业 3（非均匀目标分割）与图像增强、图像分割相关联，项目作业 4（流水线瓶子灌装问题）与图像增强、图像分割、图像描述、图像识别相关联，项目作业 5（自由选题）激励学生学习兴趣。（2）项目作业的直接性指导。传统课堂教学在讲完项目作业涉及的课程内容后，留出一些时间介绍项目作业的要求，并进行项目作业方案设计指导。具体指导内容包括：对项目作业涉及的超出授课内容的相关知识，进行简要介绍；给出一些可能的方案思路及其依据，鼓励学生进一步发挥；给出相关知识和相关资源的网络链接，作为学生项目作业方案设计和实现时的学习 材料。（3）项目作业的辅助性促进手段。传统课堂教学所包含的数字图像处理案例，翻转课堂对应的线下课堂所讲授的方案设计及/或影响因素分析习题指导，以及课外作业中的方案设计及/或影响因素分析题，都涉及方案设计，与项目作业方案设计具有“总体思维框架一致，具体设计有别”的关系。这些讲授和训练，让学生在方案设计方面具有一定的“纸上谈兵”的能力，对项目作业方案设计“实战”起到辅助性促进作用。3.2.3 课程考核方法学生平时成绩占 50%，期末闭卷考试成绩占 50%。平时成绩构成：课堂检查占 20%，线上学习时长和活跃度占 5%，考勤占 5%，课外作业（方案设计及/或影响因素分析作业）成绩占10%，小组项目作业 10%。教学目标 1 由课堂检查、线上学习时长和活跃度、考勤和期末考试进行考核；教学目标 2 和目标 3 由课外作业、小组项目作业和期末考试进行考核。4教学效果我们从多个方面对教改前一个教学周期（2021 年春季）、教改第一个教学周期（2021 年秋季）、教改第二个教学周期（2022 年秋季）的教学效果进行比较。4.1教学目标达成度表 1 是教改前一个教学周期、教改第一个教学周期、教改第二个教学周期 3 个教学班的课程教学目标达成度（0 至 1 之间）比较，数据来源于本校本科教学质量评估与建设中心的本科教学质量管理系统。表 1 学生评分对比教学目标达成度2021 年春季（传统教学模式）2021 年秋季（完全翻转课堂）2022 年秋季（半翻转课堂）教学目标1 达成度0.840 10.917 10.883 8教学目标2 达成度0.704 20.789 80.800 4教学目标3 达成度0.702 00.760 20.874 6可以看出，完全翻转课堂对教学目标 1（原理与方法）的达成最有促进作用，半翻转课堂次之，传统教学模式最差。由于翻转课堂设置了“知识点检查”环节，在平时成绩评定中占有一定的比重，并且加强了防抄袭设计，导致学生在课前自学教学视频和做课前练习时非常认真。而传统教学模式，虽然有课堂讲授与课堂练习，但没有与平时成绩挂钩，且不易采取防抄袭措施，导致部分学生学习不太认真。对于教学目标 2（影响因素分析）和教学目标 3（方案设计），半翻转课堂达成度最高，完全翻转课堂次之，传统教学模式最差。原因是显而易见的，我们在实施半翻转课堂模式时，加强了教学目标 2 和 3 的指导和训练，而传统教学模式时缺少这两方面的指导和训练。4.2项目作业完成情况完全翻转课堂模式时，项目作业完成质量不高且重复度较高，说明指导不充分且存在借鉴网上资源或相互借鉴的现象。半翻转课堂模式时，（下转第153页）教育与教学研究第 10 期153名和注释规范。综上，软件分析与建模知识点需要依托课程实践来消化吸收。本文从实践视角出发，首先创造问题上下文，然后引导学生在理解问题的基础上尝试相关工作，能大大提升学生的学习兴趣和学习效果。3结 语新工科背景下基于实践视角的教学研究完全以实践为中心，以提升学生的工程实践能力、团队协作和沟通能力为重要依据。课程成功开设之后还可以进一步推进开展线上线下的混合式教学和翻转课程，将学生定位为课堂的主角。课堂时间更多用于图形质量评审、软件分析和建模方案讨论等实践化交流讨论，进一步激发学习兴趣。同时，应加强校企合作，与企业合作开展能力认证示范，通过认证结果形成实践化教学 反馈。参考文献：1 吴爱华,侯永峰,杨秋波,等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济J.高等工程教育研究,2017(1):1-9.2 乔保军,韩道军,杜晓玉.计算机类本科生解决复杂工程问题能力培养途径探索:以“两贯通六着重”创新实践项目为例J.软件导刊,2022,21(11):210-215.3 陈志刚,石金晶,奎晓燕.“双一流”建设背景下软件工程国家级一流本科专业建设思路探讨J.中国大学教学,2022(6):27-40.4 谢雅,王京文,唐志航.新工科背景下软件工程专业软件工程课程群构建与研究J.湖南工程学院学报,2019,29(4):109-113.5 廖勇,周世杰,汤羽.面向新工科的软件工程专业核心课程体系建设J.高等工程教育研究,2022(4):10-18.6 杨茂云,张玉,张笃振.面向新工科和新师范的创新教育平台构建J.软件导刊,2021,20(5):206-109.7 倪红军,周巧扣,叶苗.新工科背景下应用型本科高校移动应用开发课程群建设探索J.计算机教育,2022(3):19-23.8 王树梅.新工科背景下算法设计类课程的建设与实践J.计算机教育,2022(11):151-155.9 赵金帅.留学生计算机类课程线上教学的精细化管理J.计算机教育,2022(8):113-117.10 齐苏敏,公冶小燕.面向新工科的软件工程实践教学体系研究J.软件导刊,2020,19(12):113-116.（编辑：孙怡铭）项目作业完成质量高，呈现“百花齐放”的现象，相互之间的重复度低，说明半翻转课堂模式促进了学生完成项目作业的主动性和独立性。5结 语经过两个教学周期的教改实践，最终获得良好的教学效果。我们在教学改革设计、实践、改进的过程中，形成了 3 个方面的认识：只有充分考虑学生实际情况时，教改设计才具有较好的可行性；对于项目作业，需要在项目背景、方案设计等方面进行一定的引导，便于项目作业的顺利实施；为了工程教育专业认证课程目标的达成，教学内容及设计应紧密围绕教学目标进行。参考文献：1 王旭珍,王新葵,宋雪旦,等.基于MOOC的物理化学翻转课堂教学改革与实践J.中国大学教学,2019(5):38-42.2 张亚萍,张红平,霍冀川.基于案例教学法的物理化学课程教学改革探索与实践J.大学化学,2018(11):82-85.3 张现峰,吴中,郭春燕.项目式翻转学习在表界面现象教学中的尝试J.大学化学,2021(1):60-66.4 薄钧戈,乔亚男,吴宁,等.QQ学习群数据图表助力混合式教学J.计算机教育,2023(1):28-34.5 把玉琴.国内基于翻转课堂的项目式教学研究综述J.中国教育信息化,2017(16):4-8.6 朱佳斌,张国洋,刘群群,等.代尔夫特理工大学项目式教学的实践与启示J.高等工程教育研究,2019(3):81-86.（编辑：孙怡铭）（上接第148页）