以學(xué)生和科研項(xiàng)目為案例驅(qū)動(dòng)的多媒體技術(shù)課程內(nèi)容和教學(xué)方法研究

張振花，李慧盈，楊瀛濤

（吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

多媒體技術(shù)課程是計(jì)算機(jī)及其他相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課，該課是理論與實(shí)踐相結(jié)合很強(qiáng)的一門課程[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體技術(shù)成為信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一門技術(shù)。作為計(jì)算機(jī)類及其相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課，其課程內(nèi)容應(yīng)隨著其應(yīng)用的發(fā)展而做相應(yīng)的調(diào)整。再者多媒體技術(shù)這門課理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，因此為了讓學(xué)生能對(duì)每種媒體的原理和應(yīng)用都有所了解，設(shè)置合適的教學(xué)案例很重要[3-4]。以學(xué)生本人的照片為教學(xué)素材，拉近教學(xué)與生活的距離，成為吸引學(xué)生興趣的驅(qū)動(dòng)力。將科研項(xiàng)目作為教學(xué)案例，既可以吸引學(xué)生的注意力和興趣，又能開拓學(xué)生的視野，為今后進(jìn)一步的學(xué)習(xí)或者工作奠定基礎(chǔ)。

1 課程內(nèi)容的改進(jìn)

以前多媒體技術(shù)的教材和課件過(guò)多涉及硬件部分知識(shí)，這部分內(nèi)容由于在低年級(jí)時(shí)所上的其他專業(yè)課中有所涉及，因此在此舍棄大部分硬件內(nèi)容，加入學(xué)生易混淆的各種媒體之間的對(duì)比，引進(jìn)非可見光成像的圖像部分內(nèi)容以及目前比較火的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)內(nèi)容。

1.1 顏色知識(shí)獨(dú)立成章

顏色這部分內(nèi)容在其他的教材或課件中，只在圖形圖像那一章簡(jiǎn)單提及或者根本沒(méi)有。顏色本身是一門很復(fù)雜的學(xué)科，涉及物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)和材料學(xué)等多種學(xué)科。因?yàn)轭伾侨说拇竽X對(duì)物體的一種主觀感覺(jué)，所以用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述這種感覺(jué)是一件很困難的事，因此出現(xiàn)了很多有關(guān)顏色的理論、測(cè)量技術(shù)和顏色標(biāo)準(zhǔn)，但迄今為止還沒(méi)有一種人類感知顏色的理論和表示方法在各種領(lǐng)域被一致接受。

鑒于顏色這部分內(nèi)容的復(fù)雜性和在多媒體中的重要性，將其作為單獨(dú)的一章比較系統(tǒng)講解更為合適，有助于學(xué)生今后對(duì)其他媒體的理解和學(xué)習(xí)。

1.2 非可見光成像原理

一般教材或者課程在圖像這章關(guān)注的都是可見光成像，圖像的像素值是圖像中物體的顏色或者亮度。但是醫(yī)學(xué)、軍事、航空等領(lǐng)域存在的圖像不是可見光圖像。例如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的X 射線圖像、CT 圖像、核磁圖像、B 超圖像等。這類圖像的像素值并不代表顏色。除了醫(yī)學(xué)圖像之外，還有紅外成像、激光雷達(dá)成像、遙感成像等均是非可見光成像。

圖1 X 光圖

圖2 腦部CT 圖

我們每個(gè)人都接觸過(guò)醫(yī)學(xué)圖像，在拍醫(yī)學(xué)圖像的時(shí)候是否考慮過(guò)醫(yī)學(xué)圖像的成像與相機(jī)或攝像機(jī)成像有什么不同呢。圖1 是X 光圖，圖1 中的灰度代表X 光透過(guò)人體組織結(jié)構(gòu)時(shí)被吸收的程度。圖2 是腦部CT 圖，其灰度值也并非亮度信息。有人見過(guò)彩色的CT 圖，其顏色并不是人體腦部組織本身的顏色，而是為了增加分辨率經(jīng)過(guò)假彩色處理的顏色。

將非可見光成像部分內(nèi)容納入課程，可以開闊學(xué)生們有關(guān)圖像方面的眼界，有利于學(xué)生更好地理解圖像的原理和應(yīng)用。

1.3 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

日常生活能夠制造數(shù)據(jù)的領(lǐng)域遍布各個(gè)行業(yè)。面對(duì)展示在眼前的龐大數(shù)據(jù)，不僅不直觀，也讓人甚感枯燥，但數(shù)據(jù)若以圖形、圖像甚至動(dòng)畫的形式展現(xiàn)出來(lái)，既美觀又直觀，更易理解。如何將最基本的媒體——數(shù)據(jù)以圖形圖像的形式展示呢？這就需要數(shù)據(jù)可視化技術(shù)。這部分內(nèi)容是目前比較火的研究領(lǐng)域之一，這個(gè)領(lǐng)域原數(shù)據(jù)以及顯示后的形式都是媒體類型，只是不同類型的媒體而已，但這部分內(nèi)容在其他多媒體教材和多媒體課程中沒(méi)有涉及。所以將其引人到多媒體技術(shù)課程中來(lái)，講解不同媒體之間的轉(zhuǎn)換，有利于擴(kuò)展學(xué)生的視野，深化對(duì)多媒體的理解。

例如某大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目按照研究類、工程類和其他這三種分類，從2013 到2016 年研究類型的畢業(yè)論文數(shù)依次是135、145、135、150，從2013 到2016 年工程類型的畢業(yè)論文數(shù)依次是148、157、135、150，從2013 到2016 年其他類型的畢業(yè)論文數(shù)依次是12、18、13、25。如果將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成堆積柱形圖形式（見圖3），枯燥的數(shù)字變成簡(jiǎn)單明了的圖，一目了然。

圖3 畢業(yè)論文類型柱形圖

2 教學(xué)方法的研究

為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，保證教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)方法起到至關(guān)重要的作用。在現(xiàn)代教學(xué)理念指導(dǎo)下的教學(xué)方法打破傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限，提倡交往、互動(dòng)、開放，更好地提高了教學(xué)效率，保障教學(xué)質(zhì)量。

2.1 以科研項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法

案例教學(xué)法就是根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)內(nèi)容的需要，選取與科研項(xiàng)目相關(guān)的例子作為教學(xué)案例，拓寬學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

以基金委面上項(xiàng)目——汽車復(fù)雜約束下的多目標(biāo)集成控制研究為案例驅(qū)動(dòng)，以自主汽車上的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和車載相機(jī)的視頻為數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)是一種最早出現(xiàn)的一種媒體，但有時(shí)候這種媒體的描述并不直觀。就拿車載雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，雷達(dá)數(shù)據(jù)是激光掃描到周圍障礙物對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，被掃描到的物體會(huì)有很多的掃描點(diǎn)，這樣雷達(dá)數(shù)據(jù)不僅多，而且非常不直觀。若將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形或圖像，以這種直觀的形式展現(xiàn)則能讓人一目了然，起到千言萬(wàn)語(yǔ)不如一幅畫作用。圖4 就是將雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成點(diǎn)云圖的形式顯示出來(lái)，結(jié)果明顯比枯燥的文字?jǐn)?shù)據(jù)要清晰直觀。

將反應(yīng)點(diǎn)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)到的目標(biāo)以圖點(diǎn)的形式顯示出來(lái)，并結(jié)合車載攝像機(jī)拍攝的圖研究物體的位置和形狀等。

雷達(dá)數(shù)據(jù)具有探測(cè)物體位置準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，但卻缺乏物體的顏色、亮度等信息，而相機(jī)拍攝的圖像則正好有這個(gè)優(yōu)勢(shì)，但卻不能直接給出畫中的物體尺寸以及物體的距離，即使通過(guò)各種算法識(shí)別物體，求得其距離，但其準(zhǔn)確性以及精確性都有不盡如人意之處。所以若將這兩種數(shù)據(jù)源融合到一起，優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)互補(bǔ)，則是在無(wú)人車和機(jī)器人領(lǐng)域追求的目標(biāo)。圖5 是車載攝像機(jī)拍攝的圖像。將雷達(dá)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)融合，對(duì)車前物體的形狀判定、識(shí)別，這是今后進(jìn)一步研究的課題。

圖4 雷達(dá)數(shù)據(jù)

圖5 車載攝像機(jī)圖

這個(gè)來(lái)源于科研項(xiàng)目的例子，既解釋了什么是數(shù)據(jù)可視化（雷達(dá)返回的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形），同時(shí)也以實(shí)例說(shuō)明了多種傳感器結(jié)合的好處，證明了數(shù)據(jù)融合的價(jià)值。除此之外，這個(gè)科研案例還可以解釋圖形與動(dòng)畫、圖像與視頻之間的關(guān)系。將一幀的雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖形，如圖4。若將一系列幀的雷達(dá)數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化成圖形并連續(xù)播放則成了動(dòng)畫。另外，車載攝像機(jī)數(shù)據(jù)源是視頻，在視頻中抽取視頻中的一幀保存，則得到一幅圖像，如圖5，二者對(duì)比則顯而易見地解釋了圖像和視頻的關(guān)系：圖像是離散的視頻，視頻是連續(xù)的圖像。

這種將科研項(xiàng)目作為教學(xué)案例引入教學(xué)改革中，結(jié)合課程內(nèi)容對(duì)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此作為驅(qū)動(dòng)力，既讓學(xué)生提前了解科研項(xiàng)目，又方便理論結(jié)合實(shí)踐和科研，促使學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，了解科研項(xiàng)目，學(xué)以致用。

2.2 引入個(gè)性化素材作為教學(xué)實(shí)例的方法

正如前面所說(shuō)，多媒體技術(shù)課程涉及的媒體種類繁多，所以在對(duì)每種媒體講解時(shí)都需要例子和素材，而個(gè)性化素材，尤其是學(xué)生或者老師自己的素材作為調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣的驅(qū)動(dòng)力，不僅在素材采集過(guò)程中增添趣味性和好奇心理，在素材的處理過(guò)程中也會(huì)促使學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)各種處理算法，以期將自己的素材處理的漂亮、滿意。這樣學(xué)生既是操作者（處理素材）也是被操作者（本身的素材被處理），這種雙重身份讓學(xué)生有更強(qiáng)的參與感與成就感，從而化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

例如處理學(xué)生本人身穿某單色衣服的照片，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)RGB 顏色空間描述轉(zhuǎn)到HSV 顏色空間描述，并將圖像中的衣服顏色改變成其他顏色，例如變成原衣服顏色的互補(bǔ)色。這個(gè)轉(zhuǎn)變只需要改變HSV 顏色空間中的H 值即可，當(dāng)然S、V 值也可以改變，其操作簡(jiǎn)單、方便，然而若在RGB 顏色空間去做這個(gè)轉(zhuǎn)換則相對(duì)困難得多。

這個(gè)案例作為顏色空間和顏色空間轉(zhuǎn)換的例子，通過(guò)這個(gè)顏色空間的轉(zhuǎn)換很好地說(shuō)明了為什么存在不同的顏色空間，證明多種顏色空間描述的必要性，同時(shí)這個(gè)案例正好可以作為假彩色圖像的例子，可以說(shuō)是一舉多得的實(shí)例。

2.3 課堂報(bào)告

作為教師不但要教給學(xué)生知識(shí)，更重要的是激發(fā)學(xué)生自主探究的積極性，培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)的能力，為今后持續(xù)不斷地學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式以灌輸為主，教師的教與學(xué)生的學(xué)基本是“授”與“受”的關(guān)系，學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)新性被限制住。因此，轉(zhuǎn)變教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。改變學(xué)生原有的單純接受的學(xué)習(xí)方式，通過(guò)布置給學(xué)生比較有針對(duì)性任務(wù)要求和給定的多個(gè)題目，例如財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化、多個(gè)視頻的疊加、個(gè)人聲音的簡(jiǎn)單處理等，要求學(xué)生根據(jù)自己的興趣，選擇自己感興趣的題目，查閱資料，編寫程序，課堂做報(bào)告，分析出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出不足和今后的改進(jìn)，撰寫研究報(bào)告等。

在學(xué)生做課堂報(bào)告時(shí)，主講老師針對(duì)學(xué)生的講述內(nèi)容提出問(wèn)題并要求做報(bào)告的同學(xué)解答，并鼓勵(lì)其他同學(xué)提問(wèn)題，最后由老師點(diǎn)評(píng)與總結(jié)。

通過(guò)學(xué)生主講，老師點(diǎn)評(píng)的過(guò)程，學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探究、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

以個(gè)人素材為數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)自己的照片進(jìn)行處理，這種“玩”與學(xué)相結(jié)合，“玩”有所得的教學(xué)方法值得我們進(jìn)一步的探索。

通過(guò)引入科研項(xiàng)目作為教學(xué)案例，不僅能很好地解釋各種媒體之間的聯(lián)系與區(qū)別，同時(shí)拓寬學(xué)生的視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，從而為今后的繼續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

課堂報(bào)告是一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，不僅培養(yǎng)了學(xué)生查閱資料的能力，鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力以及分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。通過(guò)組織學(xué)生課堂講座，深化了專業(yè)知識(shí)的理解，鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，也促進(jìn)了其他同學(xué)的思考。

學(xué)生只有對(duì)所學(xué)的知識(shí)產(chǎn)生興趣，才能積極思考，努力探索，進(jìn)而推動(dòng)教學(xué)，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。怎樣讓教學(xué)內(nèi)容吸引學(xué)生，怎樣通過(guò)教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的興趣，是今后思考的內(nèi)容，引進(jìn)與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)案例和研究出激發(fā)學(xué)生熱情的教學(xué)方法是今后不懈努力的目標(biāo)。