“數(shù)字圖像處理”課程實驗教學(xué)研究與探索

吳全玉, 劉曉杰, 潘玲佼, 陶為戈， 諸一琦

(江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院 生物信息與醫(yī)藥工程研究所, 江蘇 常州 213001)

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“數(shù)字圖像處理”課程實驗教學(xué)研究與探索

吳全玉, 劉曉杰, 潘玲佼, 陶為戈， 諸一琦

(江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院 生物信息與醫(yī)藥工程研究所, 江蘇 常州 213001)

摘要：本文針對應(yīng)用型本科“數(shù)字圖像處理”課程的實驗教學(xué)，設(shè)計了一套以創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標的實踐教學(xué)體系。提出了以 “驗證理解-模仿設(shè)計-改進創(chuàng)新”為主導(dǎo)的實踐教學(xué)模式，采用偏重實驗過程考核的成績評定體系。結(jié)果表明，該實踐教學(xué)模式有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動自主學(xué)習(xí)的積極性，提高了實踐教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；實踐教學(xué)模式；創(chuàng)新能力

0引言

“數(shù)字圖像處理”課程理論性及實踐性都很強[1，2]。大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時，面對復(fù)雜的圖像處理算法和煩瑣的數(shù)學(xué)公式變換，會產(chǎn)生畏難情緒，感到難以深刻理解圖像處理中的概念和具體算法的物理意義，達不到應(yīng)有的教學(xué)效果[3]。另外，在面臨實際的數(shù)字圖像處理問題時, 學(xué)生往往不知從何下手, 這在很大程度上抑制了學(xué)生的應(yīng)用和創(chuàng)新能力[4,5]。

為激發(fā)學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，除了教師在理論課講授過程中，強調(diào)實踐和應(yīng)用結(jié)合外，特別是在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)方面，我們著力改進了實驗教學(xué)條件和教學(xué)內(nèi)容，提出以“驗證理解-模仿設(shè)計-改進創(chuàng)新”為主導(dǎo)的實踐教學(xué)模式，讓學(xué)生充分參與實際的動手操作和調(diào)試，將深奧的基礎(chǔ)理論與圖像處理算法、以直觀的合理的方式處理并顯示，并通過師生間的充分交互，有效地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。進而引導(dǎo)學(xué)生的自主自覺學(xué)習(xí)。

1實驗教學(xué)條件

1.1實驗平臺

“數(shù)字圖象處理”課程的實驗平臺主要包括硬件設(shè)備和軟件環(huán)境[6,7]。硬件設(shè)備主要包括較高檔次的計算機、掃描儀、數(shù)碼相機、數(shù)字攝像機及其驅(qū)動程序盤等；軟件環(huán)境主要包括常用的圖像處理軟件平臺和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，如Matlab、Visual C、OpenCV和Photoshop等。其中，Matlab 平臺提供了專門的圖像處理工具箱，使學(xué)生不必太多地去關(guān)心圖像的文件格式、讀寫、顯示等細節(jié)，容易建立對圖像處理技術(shù)的感性認識，增強學(xué)習(xí)興趣，主要用于完成基礎(chǔ)性的驗證實驗；隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，學(xué)生還需要熟練應(yīng)用Visual C作為通用的開發(fā)平臺，在其平臺上完成綜合性實驗的圖像處理算法編程，掌握圖像處理算法的實現(xiàn)過程，此外，學(xué)生也可以利用OpenCV 平臺開放的源代碼，學(xué)習(xí)三種平臺相互交融的編程技巧。

借助學(xué)校提供的教學(xué)平臺，開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”課程的網(wǎng)絡(luò)平臺，平臺上有課程教學(xué)大綱、教學(xué)進度安排、電子課件、實驗內(nèi)容、教學(xué)材料和答疑討論等教學(xué)資源，使學(xué)生在遇到問題時，可以快速地了解問題所在，有助于提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力。

1.2實驗教材

“數(shù)字圖像處理”課程中的經(jīng)典教材是文獻[8]．該教材論述嚴謹、內(nèi)容覆蓋面廣且信息量大，同時配套有電子工業(yè)出版社出版的中文譯文版《數(shù)字圖像處理》，但是當我校學(xué)生面對如此厚重的教材時，多數(shù)都認為需要花費太多的時間和精力閱讀，從而產(chǎn)生畏懼心理。

總結(jié)長期的理論和實踐教學(xué)經(jīng)驗，我們編寫了以創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標，以啟發(fā)、引導(dǎo)為切入點的“數(shù)字圖像處理”課程實驗教材[9]。該教材中列出的每個實驗項目都包括10部分內(nèi)容，分別是實驗類型、目的與要求、實驗內(nèi)容與任務(wù)、實驗條件、原理和方法、實驗步驟、結(jié)果記錄與數(shù)據(jù)分析、實驗過程中的注意事項、預(yù)習(xí)與思考題和實驗報告要求。

(1)實驗類型主要分為驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗；

(2)目的與要求告訴學(xué)生通過本實驗了解或掌握什么知識點，訓(xùn)練或培養(yǎng)什么技能；

(3)實驗內(nèi)容與任務(wù)直接或間接指明該實驗涉及了哪幾個具體的知識點，要求完成的實驗內(nèi)容等，并且針對不同的實驗類型給出具體的任務(wù)要求；

(4)實驗條件包括實驗所使用的儀器設(shè)備和相關(guān)文獻資料等；

(5)原理和方法介紹得詳細且系統(tǒng)，以適合于學(xué)生自學(xué)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性；

(6)實驗步驟針對不同的類型給出不同的步驟。對驗證性實驗，詳細給出具體的實驗步驟過程，有利于學(xué)生自主完成驗證實驗內(nèi)容，對于設(shè)計性實驗，根據(jù)由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)的要求，引導(dǎo)學(xué)生自擬實驗步驟。對綜合性實驗，給出引導(dǎo)性的實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生自擬實驗步驟；

(7)實驗報告要求學(xué)生明確撰寫實驗報告的內(nèi)容及具體要求，針對驗證性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗的不同類型分別給出要求。

(8～10)這三部分內(nèi)容含義清晰，不再贅述。

1.3實驗師資

實驗課教師團隊建設(shè)是進行實驗教學(xué)工作的重要保障，在實驗師資結(jié)構(gòu)方面，我們要求理論課教師必須承擔實驗教學(xué)任務(wù)，從教授到助教共同參與實驗教學(xué)，現(xiàn)已形成由教授領(lǐng)銜的高水平、穩(wěn)定的專業(yè)實驗隊伍[6]。另外，鼓勵教師積極參與本學(xué)科相關(guān)的橫向項目，不斷提升工程實踐技術(shù)水平，將課題中的新知識、新技術(shù)和新問題帶到實驗教學(xué)中，始終保持實驗內(nèi)容的先進性。

2實驗教學(xué)內(nèi)容

在實驗教學(xué)內(nèi)容的安排上，以減少驗證性實驗，增加設(shè)計性和綜合性實驗為目標，按照由淺入深、先驗證-再設(shè)計創(chuàng)新的層次化順序。將實驗課內(nèi)容劃分為3個層次：①基礎(chǔ)層次的實驗包括數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)知識的驗證和理解，其特點是對理論課內(nèi)容簡單進行驗證，主要在實驗教師的指導(dǎo)下完成；②提高層次的實驗主要體現(xiàn)在設(shè)計性和綜合性實驗中，需要學(xué)生在理解圖像處理算法的基礎(chǔ)上完成。其特點是要學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)，主要在教師的輔導(dǎo)下學(xué)生自主完成；③創(chuàng)新層次的實驗主要是探索性的，強調(diào)工程設(shè)計，體現(xiàn)在綜合性課外拓展實驗中。其特點是學(xué)生可以自主選題，也可以參與教師的部分科研課題, 實驗教師只負責答疑討論，多名學(xué)生組成小組獨立完成設(shè)計和程序編寫調(diào)試工作，以培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)和解決問題的能力以及團隊合作精神。

2.1驗證性實驗

驗證型實驗主要內(nèi)容列于表1。

表1驗證性實驗項目一覽表

序號項目名稱知識點內(nèi)容1實驗環(huán)境的搭建安裝Matlab和VisualC﹢﹢軟件環(huán)境,同時建立兩者的交互操作平臺,掌握編寫、調(diào)試、保存和運行程序2數(shù)字圖像的表示矩陣使用Matlab的基本讀寫操作函數(shù),完成各種圖像格式文件的操作使用,比較各種圖像格式文件矩陣的不同點3圖像類型的轉(zhuǎn)換掌握二值圖像、灰度圖像、索引圖像和真彩色這四種基本的圖像格式類型判斷和轉(zhuǎn)換的方法

這一部分的實驗?zāi)康闹饕峭ㄟ^增加學(xué)生感性認識促進其對理論知識的深入理解，幫助學(xué)生逐步掌握和鞏固數(shù)字圖像理論課程中的基本概念和基本原理，積累后續(xù)的實踐經(jīng)驗。

2.2設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗內(nèi)容較多，如表2所示。設(shè)計性實驗項目增加了難度，具有實用性、綜合性和擴展性。

這一部分的實驗?zāi)康闹饕沁M一步增強學(xué)生對理論知識和圖像處理算法的深入理解，積累更多的實踐經(jīng)驗。

2.3綜合性實驗

綜合性課外拓展工程實踐項目是驗證性、設(shè)計性實驗內(nèi)容的提升，以弱化單一的實驗項目，主要強化課程內(nèi)容的整體融合來調(diào)動每個學(xué)生的積極性，發(fā)揮自我特長，選擇自己感興趣的項目發(fā)揮，提高自身的整體理論水平和專業(yè)技能，為將來就業(yè)提供一定的幫助。其內(nèi)容示表3。

3實施的教學(xué)模式

我們提出并嘗試了“驗證理解-模仿設(shè)計-改進創(chuàng)新”為主導(dǎo)的實踐教學(xué)模式，達到了預(yù)期的教學(xué)效果。該模式具體實施過程是：在完成每一個驗證性實驗中，由實驗教師帶領(lǐng)學(xué)生一步一步操作調(diào)試，大多數(shù)時間教師提供演示程序，增加學(xué)生的感性認識，積累初步的調(diào)試經(jīng)驗。

接著完成設(shè)計性實驗，學(xué)生兩人一組完成指定實驗項目，這時實驗教師不再提供實例程序，但是要求全過程指導(dǎo)，至少提前3天將學(xué)生實驗項目，具體要求和實驗時間安排公布在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，要求

表2　設(shè)計性實驗項目一覽表

表3　綜合性課外拓展工程實踐項目一覽表

學(xué)生自己準備實驗資料文件程序等，鼓勵學(xué)生結(jié)合實際自行更改、提高項目指標要求，激發(fā)學(xué)生實驗的積極性和興趣。

學(xué)生能夠獨立完成綜合性課外拓展工程實踐項目是這一階段的終極目標，是對驗證性、設(shè)計性實驗的融合提高，實驗教學(xué)實施過程中主要發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，實驗教師只是起引導(dǎo)者的作用，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)相關(guān)其他學(xué)科的知識，提煉最新的算法，查閱文獻資料，進而挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛能和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

4實驗成績評定

目前該課程的期末考核方式是閉卷考試，主要檢查學(xué)生對理論概念掌握的程度。實驗課程則側(cè)重于學(xué)生實踐能力的考核，為此評定實驗成績時采用重過程表現(xiàn)的評定方法，實驗過程包括考勤、預(yù)習(xí)準備、實驗態(tài)度、實驗操作、實驗結(jié)果、實驗創(chuàng)新和參與討論次數(shù)等部分。采用這種成績考核方式，加大了對學(xué)生實驗過程的監(jiān)控，特別是學(xué)生課余時間的利用。

5結(jié)語

本文以學(xué)生的能力培養(yǎng)為核心，構(gòu)建了“數(shù)字圖像處理”課程包括實驗教學(xué)條件、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和成績評定在內(nèi)的實驗教學(xué)體系。通過持續(xù)跟蹤，接受該體系訓(xùn)練的多屆學(xué)生證明，該體系切實可行，既體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用，又充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，極大地提高了學(xué)生的專業(yè)興趣，并發(fā)現(xiàn)學(xué)生對該課程后續(xù)課程的期終考試成績及格率、考研率、報名參與各學(xué)科競賽以及教師科研項目的學(xué)生比例都有明顯提高。

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Research on Experimental Teaching System for Digital Image Processing Course

WU Quan-yu , LIU Xiao-jie , PAN Ling-jiao , TAO Wei-ge ,ZHU Yi-qi

(InstituteofBioinformaticsandMedicalEngineering,SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversityofTechnology,Changzhou213001,China)

Abstract:Considering experimental teaching of Digital Image Processing course for application-based undergraduate in college, we provided an experimental teaching system which is aim to training of innovative and application-based student, it is based on our theory and practical teaching knowledge for many years.We proposed an experimental teaching mode with understanding verification, imitating design and improving innovation in all experimental courses and the result evaluation system, especially paid attention to the student′s study procedure. And it was proved by practice that the teaching system can stimulate the students′ study interest, mobilize their enthusiasm for study autonomously, furthermore cultivate their practical and innovative ability. So it can improve the quality of experimental teaching.

Keywords:digital image processing; experimental teaching model; innovation ability

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0121-04

中圖分類號:G642.O

收稿日期:2015-04-29;修回日期:2015-07- 17基金項目：江蘇理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項目(jg13065)

第一作者：吳全玉(1977-)，男，博士，副教授，主要從事脈搏波信號處理和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面的教學(xué)和研究工作，E-mail：type163@126.com