“数字图像处理”课程实验教学研究与探索

吴全玉, 刘晓杰, 潘玲佼, 陶为戈， 诸一琦

(江苏理工学院 电气信息工程学院 生物信息与医药工程研究所, 江苏 常州 213001)



“数字图像处理”课程实验教学研究与探索

吴全玉, 刘晓杰, 潘玲佼, 陶为戈， 诸一琦

(江苏理工学院 电气信息工程学院 生物信息与医药工程研究所, 江苏 常州 213001)

摘要：本文针对应用型本科“数字图像处理”课程的实验教学，设计了一套以创新应用型人才培养为目标的实践教学体系。提出了以 “验证理解-模仿设计-改进创新”为主导的实践教学模式，采用偏重实验过程考核的成绩评定体系。结果表明，该实践教学模式有利于激发学生的学习兴趣、调动自主学习的积极性，提高了实践教学质量。

关键词：数字图像处理；实践教学模式；创新能力

0引言

“数字图像处理”课程理论性及实践性都很强[1，2]。大多数学生在学习该课程时，面对复杂的图像处理算法和烦琐的数学公式变换，会产生畏难情绪，感到难以深刻理解图像处理中的概念和具体算法的物理意义，达不到应有的教学效果[3]。另外，在面临实际的数字图像处理问题时, 学生往往不知从何下手, 这在很大程度上抑制了学生的应用和创新能力[4,5]。

为激发学生对该门课程的学习兴趣和培养其创新能力，除了教师在理论课讲授过程中，强调实践和应用结合外，特别是在实验教学环节方面，我们着力改进了实验教学条件和教学内容，提出以“验证理解-模仿设计-改进创新”为主导的实践教学模式，让学生充分参与实际的动手操作和调试，将深奥的基础理论与图像处理算法、以直观的合理的方式处理并显示，并通过师生间的充分交互，有效地调动学生的学习主动性和积极性。进而引导学生的自主自觉学习。

1实验教学条件

1.1实验平台

“数字图象处理”课程的实验平台主要包括硬件设备和软件环境[6,7]。硬件设备主要包括较高档次的计算机、扫描仪、数码相机、数字摄像机及其驱动程序盘等；软件环境主要包括常用的图像处理软件平台和网络教学平台，如Matlab、Visual C、OpenCV和Photoshop等。其中，Matlab 平台提供了专门的图像处理工具箱，使学生不必太多地去关心图像的文件格式、读写、显示等细节，容易建立对图像处理技术的感性认识，增强学习兴趣，主要用于完成基础性的验证实验；随着学习的不断深入，学生还需要熟练应用Visual C作为通用的开发平台，在其平台上完成综合性实验的图像处理算法编程，掌握图像处理算法的实现过程，此外，学生也可以利用OpenCV 平台开放的源代码，学习三种平台相互交融的编程技巧。

借助学校提供的教学平台，开设了“数字图像处理”课程的网络平台，平台上有课程教学大纲、教学进度安排、电子课件、实验内容、教学材料和答疑讨论等教学资源，使学生在遇到问题时，可以快速地了解问题所在，有助于提高学生主动学习的能力。

1.2实验教材

“数字图像处理”课程中的经典教材是文献[8]．该教材论述严谨、内容覆盖面广且信息量大，同时配套有电子工业出版社出版的中文译文版《数字图像处理》，但是当我校学生面对如此厚重的教材时，多数都认为需要花费太多的时间和精力阅读，从而产生畏惧心理。

总结长期的理论和实践教学经验，我们编写了以创新应用型人才培养为目标，以启发、引导为切入点的“数字图像处理”课程实验教材[9]。该教材中列出的每个实验项目都包括10部分内容，分别是实验类型、目的与要求、实验内容与任务、实验条件、原理和方法、实验步骤、结果记录与数据分析、实验过程中的注意事项、预习与思考题和实验报告要求。

(1)实验类型主要分为验证性实验、设计性实验和综合性实验；

(2)目的与要求告诉学生通过本实验了解或掌握什么知识点，训练或培养什么技能；

(3)实验内容与任务直接或间接指明该实验涉及了哪几个具体的知识点，要求完成的实验内容等，并且针对不同的实验类型给出具体的任务要求；

(4)实验条件包括实验所使用的仪器设备和相关文献资料等；

(5)原理和方法介绍得详细且系统，以适合于学生自学，激发学生自主学习积极性；

(6)实验步骤针对不同的类型给出不同的步骤。对验证性实验，详细给出具体的实验步骤过程，有利于学生自主完成验证实验内容，对于设计性实验，根据由学生自行设计实验方案并加以实现的要求，引导学生自拟实验步骤。对综合性实验，给出引导性的实验方案，引导学生自拟实验步骤；

(7)实验报告要求学生明确撰写实验报告的内容及具体要求，针对验证性实验、设计性实验、综合性实验的不同类型分别给出要求。

(8～10)这三部分内容含义清晰，不再赘述。

1.3实验师资

实验课教师团队建设是进行实验教学工作的重要保障，在实验师资结构方面，我们要求理论课教师必须承担实验教学任务，从教授到助教共同参与实验教学，现已形成由教授领衔的高水平、稳定的专业实验队伍[6]。另外，鼓励教师积极参与本学科相关的横向项目，不断提升工程实践技术水平，将课题中的新知识、新技术和新问题带到实验教学中，始终保持实验内容的先进性。

2实验教学内容

在实验教学内容的安排上，以减少验证性实验，增加设计性和综合性实验为目标，按照由浅入深、先验证-再设计创新的层次化顺序。将实验课内容划分为3个层次：①基础层次的实验包括数字图像处理基础知识的验证和理解，其特点是对理论课内容简单进行验证，主要在实验教师的指导下完成；②提高层次的实验主要体现在设计性和综合性实验中，需要学生在理解图像处理算法的基础上完成。其特点是要学生自行设计实验方案并加以实现，主要在教师的辅导下学生自主完成；③创新层次的实验主要是探索性的，强调工程设计，体现在综合性课外拓展实验中。其特点是学生可以自主选题，也可以参与教师的部分科研课题, 实验教师只负责答疑讨论，多名学生组成小组独立完成设计和程序编写调试工作，以培养学生自我学习和解决问题的能力以及团队合作精神。

2.1验证性实验

验证型实验主要内容列于表1。

表1验证性实验项目一览表

序号项目名称知识点内容1实验环境的搭建安装Matlab和VisualC﹢﹢软件环境,同时建立两者的交互操作平台,掌握编写、调试、保存和运行程序2数字图像的表示矩阵使用Matlab的基本读写操作函数,完成各种图像格式文件的操作使用,比较各种图像格式文件矩阵的不同点3图像类型的转换掌握二值图像、灰度图像、索引图像和真彩色这四种基本的图像格式类型判断和转换的方法

这一部分的实验目的主要是通过增加学生感性认识促进其对理论知识的深入理解，帮助学生逐步掌握和巩固数字图像理论课程中的基本概念和基本原理，积累后续的实践经验。

2.2设计性实验

设计性实验内容较多，如表2所示。设计性实验项目增加了难度，具有实用性、综合性和扩展性。

这一部分的实验目的主要是进一步增强学生对理论知识和图像处理算法的深入理解，积累更多的实践经验。

2.3综合性实验

综合性课外拓展工程实践项目是验证性、设计性实验内容的提升，以弱化单一的实验项目，主要强化课程内容的整体融合来调动每个学生的积极性，发挥自我特长，选择自己感兴趣的项目发挥，提高自身的整体理论水平和专业技能，为将来就业提供一定的帮助。其内容示表3。

3实施的教学模式

我们提出并尝试了“验证理解-模仿设计-改进创新”为主导的实践教学模式，达到了预期的教学效果。该模式具体实施过程是：在完成每一个验证性实验中，由实验教师带领学生一步一步操作调试，大多数时间教师提供演示程序，增加学生的感性认识，积累初步的调试经验。

接着完成设计性实验，学生两人一组完成指定实验项目，这时实验教师不再提供实例程序，但是要求全过程指导，至少提前3天将学生实验项目，具体要求和实验时间安排公布在网络教学平台上，要求

表2　设计性实验项目一览表

表3　综合性课外拓展工程实践项目一览表

学生自己准备实验资料文件程序等，鼓励学生结合实际自行更改、提高项目指标要求，激发学生实验的积极性和兴趣。

学生能够独立完成综合性课外拓展工程实践项目是这一阶段的终极目标，是对验证性、设计性实验的融合提高，实验教学实施过程中主要发挥学生的主观能动性，实验教师只是起引导者的作用，引导学生自学相关其他学科的知识，提炼最新的算法，查阅文献资料，进而挖掘学生的创新潜能和动手能力，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

4实验成绩评定

目前该课程的期末考核方式是闭卷考试，主要检查学生对理论概念掌握的程度。实验课程则侧重于学生实践能力的考核，为此评定实验成绩时采用重过程表现的评定方法，实验过程包括考勤、预习准备、实验态度、实验操作、实验结果、实验创新和参与讨论次数等部分。采用这种成绩考核方式，加大了对学生实验过程的监控，特别是学生课余时间的利用。

5结语

本文以学生的能力培养为核心，构建了“数字图像处理”课程包括实验教学条件、教学内容、教学模式和成绩评定在内的实验教学体系。通过持续跟踪，接受该体系训练的多届学生证明，该体系切实可行，既体现了教师的主导作用，又充分发挥了学生的主观能动性，极大地提高了学生的专业兴趣，并发现学生对该课程后续课程的期终考试成绩及格率、考研率、报名参与各学科竞赛以及教师科研项目的学生比例都有明显提高。

参考文献:

[1]马卫红，倪晋平，田会．“数字图像处理”课程教学内容优化的探索和实践[J]．北京：中国电力教育．2011(31):99-100

[2]朱福珍，杨自恒，蒋爱平，王晓飞，甄佳奇，付丽．基于“卓越计划”的“数字图像处理”课程教学研究[J]．北京：中国电力教育．2013(28):128-133

[3]赵洁，张艳，武斌．实验案例教学法在数字图像处理课程教学中的应用[J]．天津：天津城市建设学院学报．2013，19(3):231-234

[4]朱幼莲，钱志文，贾中宁，陶为戈．应用型本科院校通信工程专业实践能力培养方案探索[J]．常州：江苏技术师范学院学报(自然科学版)．2009，15(4):58-61

[5]张辉．数字图像处理课程的教学建设与改革研究[J]．北京：中国校外教育．2013(10):72-73

[6]陶为戈，钱志文，贾子彦，宋伟，陈兴瑞．ZigBee无线传感器网络实验教学体系研究与探索[J]．北京：实验技术与管理．2012，29(11):163-167

[7]曾洪，王爱民．“测试信号分析与处理”课程教学改革[J]． 南京：电气电子教学学报．2015，37(2):11-13

[8]Rafael C. Gonzalez，Richard E. Woods．Digital Image Processing [M]．(Edition, Third)． 北京：电子工业出版社，2010

[9]杨杰，黄朝兵．数字图像处理及MATLAB实现[M]．(第二版)．北京：电子工业出版社，2013

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

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0121-04

中图分类号:G642.O

收稿日期:2015-04-29;修回日期:2015-07- 17基金项目：江苏理工学院教学改革与研究项目(jg13065)

第一作者：吴全玉(1977-)，男，博士，副教授，主要从事脉搏波信号处理和无线传感网络等方面的教学和研究工作，E-mail：type163@126.com