數(shù)字圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)

　　摘要：根據(jù)“數(shù)字圖像處理”課程理論性與實(shí)用性的特點(diǎn)，在分析其課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)代新技術(shù)和教學(xué)理念，文章介紹綜合多層項(xiàng)目教學(xué)法的設(shè)計(jì)，以及在“數(shù)字圖像處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的實(shí)踐。結(jié)果顯示，該方法結(jié)合武漢大學(xué)國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教改項(xiàng)目的實(shí)踐獲得較好效果。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 綜合多層項(xiàng)目教學(xué)法 教學(xué)過程 FPGA Simulink
　　文章編號(hào)：1672-5913(2011)18-0074-04 中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　建設(shè)”(2011007)；湖北省教學(xué)改革項(xiàng)目“通信工程特色專業(yè)建設(shè)研究”(2009016)。
　　
　　“數(shù)字圖像處理”是高校電子信息類本科生的重要專業(yè)課，在信號(hào)處理系列課程中扮演重要角色，它的任務(wù)是為相關(guān)碩士博士點(diǎn)培養(yǎng)專業(yè)研究人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，它是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。同時(shí)，由于該課程理論性強(qiáng)，且在培養(yǎng)體系中處于最后階段，因此，如何設(shè)計(jì)理論實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，如何培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，成為一個(gè)亟待研究的課題。
　　目前，新型教育理念和技術(shù)手段的發(fā)展為提高教育質(zhì)量提供了新的機(jī)會(huì)。如計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為教育系統(tǒng)創(chuàng)造了許多新概念[1]，包括“虛擬教育”、“虛擬教室”、“因特網(wǎng)教育”，這些概念為傳統(tǒng)意義的教育鋪設(shè)了新的發(fā)展道路；新技術(shù)使很多新的教育理念的發(fā)展實(shí)踐成為可能。如基于網(wǎng)絡(luò)的綜合學(xué)習(xí)方法模型[1]、合作與競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)的教育方法[2]、基于項(xiàng)目或者問題的學(xué)習(xí)[3]，等等。新技術(shù)的發(fā)展使學(xué)生不再依賴教育地點(diǎn)和時(shí)間，他們可以在任何時(shí)間地點(diǎn)獲取知識(shí)。
　　基于多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者把握課程特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，充分利用Simulink軟件和FPGA硬件等試驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合項(xiàng)目教學(xué)法等先進(jìn)教學(xué)
　　理念，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了一種利用綜合多層項(xiàng)目教學(xué)法的“數(shù)字圖像處理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，希望學(xué)生系統(tǒng)地把握和深入理解這門課程的基本理論和方法。
　　1 “數(shù)字圖像處理”課程的教學(xué)體系結(jié)構(gòu)
　　“數(shù)字圖像處理”課程的前置課程除了“高等數(shù)學(xué)”等公共基礎(chǔ)課，還包括信息與通信工程學(xué)科方向的“信號(hào)與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“信息論與編碼”等專業(yè)基礎(chǔ)課。瑞典布萊金格理工學(xué)院對(duì)這些前置課程與學(xué)生的接受能力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[4]。通過本課程數(shù)字圖像及成像基礎(chǔ)、二維數(shù)字信號(hào)處理基本理論、灰度及彩色圖像壓縮、增強(qiáng)、分割等基本處理算法的學(xué)習(xí)，學(xué)生熟悉并掌握數(shù)字圖像處理方面的基本知識(shí)、基本理論和基本技能，重點(diǎn)掌握基于圖像變換理論的圖像增強(qiáng)、圖像壓縮和圖像分割等處理算法，它為深入學(xué)習(xí)數(shù)字圖像處理及其在專業(yè)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
　　在教學(xué)實(shí)踐中，我們將“數(shù)字圖像處理”的教學(xué)體系結(jié)構(gòu)分為三個(gè)模塊[9-10]：1)緒論部分：這一部分主要介紹數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史、研究?jī)?nèi)容和基本
　　
　　基金項(xiàng)目：武漢大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“信號(hào)處理系列課程實(shí)驗(yàn)體系的研究與建設(shè)”(201135)；武漢大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教學(xué)改革研究項(xiàng)目“信號(hào)處理系列課程實(shí)驗(yàn)體系的研究與建設(shè)”(201001)；湖北省教學(xué)改革項(xiàng)目“基于多層次項(xiàng)目教學(xué)法的信號(hào)處理系列課程實(shí)驗(yàn)體系的研究與概念，力爭(zhēng)幫助同學(xué)把握學(xué)科發(fā)展沿革和應(yīng)用方向，了解整體架構(gòu)，建立研究和實(shí)踐的興趣。2)理論部分：按照空域處理(包括直方圖、點(diǎn)處理、代數(shù)處理、幾何處理)、頻域處理(傅立葉等離散正交變換、濾波器處理)、統(tǒng)計(jì)模型方法的順序進(jìn)行講解。在這一部分，我們遵循系統(tǒng)深入的原則，基于圖像處理的例子，幫助學(xué)生系統(tǒng)復(fù)習(xí)總結(jié)并領(lǐng)會(huì)各種理論方法之間的邏輯順序與本質(zhì)。由于圖像處理具有理論性和可視化強(qiáng)的特點(diǎn)，在這個(gè)部分教學(xué)中，我們希望加強(qiáng)學(xué)生對(duì)前置課程所學(xué)基本理論和方法的深入理解，使其充分認(rèn)識(shí)理論知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的指導(dǎo)意義，并體會(huì)理論本身的魅力。3)應(yīng)用部分：在這一部分教學(xué)中，我們充分發(fā)揮圖像處理應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，選擇基礎(chǔ)性和典型性強(qiáng)的圖像壓縮、圖像增強(qiáng)、邊緣提取與圖像分割、圖像特征提取等應(yīng)用，重點(diǎn)講述應(yīng)用基礎(chǔ)理論和方法解決實(shí)際問題的常用系統(tǒng)與方法，進(jìn)一步訓(xùn)練同學(xué)的動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
　　在教學(xué)中，我們可以看到應(yīng)用部分涉及并會(huì)應(yīng)用到各部分理論，同樣，各理論部分也會(huì)在技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮作用。我們可以將理論部分和應(yīng)用部分作為一橫一縱，并從兩個(gè)角度向同學(xué)們展示“數(shù)字圖像處理”這樣一個(gè)立體而豐富的專業(yè)方向。
　　
　　2 多層項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程實(shí)踐
　　2.1 多層項(xiàng)目設(shè)計(jì)
　　項(xiàng)目教學(xué)法是針對(duì)課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一系列學(xué)習(xí)單元項(xiàng)目，項(xiàng)目設(shè)計(jì)圍繞著具有典型性、啟發(fā)性的關(guān)鍵問題，學(xué)生通過參與項(xiàng)目完成的全過程實(shí)現(xiàn)對(duì)課程內(nèi)容系統(tǒng)而深入的掌握[7]。項(xiàng)目教學(xué)法真正實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心、以教學(xué)目標(biāo)為中心，實(shí)現(xiàn)理論方法學(xué)習(xí)與實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)的緊密結(jié)合，同時(shí)，它培養(yǎng)具有扎實(shí)理論功底和實(shí)踐創(chuàng)新能力的高水平人才。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一個(gè)利用兩個(gè)獲取鏈的問題學(xué)習(xí)框架用來進(jìn)行儀器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]，利用虛擬(仿真)模塊獲取鏈和真實(shí)的模塊鏈共同幫助學(xué)生在較高的認(rèn)知水平上解決問題。
　　本項(xiàng)目基于上述研究成果并給予發(fā)展，設(shè)計(jì)出一個(gè)多層項(xiàng)目教學(xué)方法，并用于“數(shù)字圖像處理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程實(shí)踐。第一層次基于Simulink軟件工具，設(shè)計(jì)多種虛擬模塊，幫助學(xué)生對(duì)圖像處理中的主要問題進(jìn)行快速全局的理解；第二層次基于FPGA硬件工具，設(shè)計(jì)并提供真實(shí)的模塊，構(gòu)成一個(gè)完整的處理過程，學(xué)生在實(shí)踐中通過測(cè)試這些模塊并做適當(dāng)改進(jìn)，以獲得完善的結(jié)果。
　　2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與分析
　　針對(duì)前面分析過的“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)，并結(jié)合教學(xué)大綱與教學(xué)目標(biāo)要求，同時(shí)參考了部分美國康奈爾大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)相關(guān)課程的項(xiàng)