信息處理綜合實驗情感化設計與實踐

蔡利梅，徐劍韜，李 劍，張曉強

信息處理綜合實驗情感化設計與實踐

蔡利梅1,2，徐劍韜1,3，李 劍1，張曉強1

（1. 中國礦業大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業大學 電工電子國家級實驗教學示范中心，江蘇 徐州 221116；3. 西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071）

為提高實驗教學效果，將“情感化設計”理念引入信息處理綜合實驗教學中。充分考慮技能培養和情感需求，精選綜合實驗項目；通過情感輸入、團隊合作、設計實現、總結反思4步驟組織教學，在訓練與鞏固專業技能時，充分發揮個人的價值訴求與情感認知在主動學習中的重要作用。實踐證明，該方法能有效激發學生的學習積極性，提高學習效率，培養學生良好工作、生活、行為意識，達到技能錘煉、工程意識培養、價值意識塑造的目的，實現教學育人一體化的教育理念。

信息處理；綜合實驗；情感化設計；教學育人一體化

教育是根據社會時代發展和未來的需要，有目的、有計劃、有組織、有系統地引導受教育者獲得知識技能、陶冶思想品德、發展智力和體力的一種活動[1-3]。我校電子信息工程專業培養方案以“注重基礎，知識、能力、素質協調發展”為指導思想，以“夯實基礎、拓寬口徑、突出能力、強化實驗”為教學實驗目標，創新人才培養機制，培養學生基本素養、專業理論、工程技術和實驗創新能力。

基于時代發展及專業培養需要，信息處理綜合實驗課程組成員分析了課程中存在的問題，結合課程的性質和特點，基于情感化設計理念精選實驗項目，重新設計教學內容與組織教學活動，引入工程意識、創新意識培養，通過這些載體實現環保、節能、效率、協作、安全等價值觀的輸入，進一步強化專業知識的認識理解與行為一致性育人理念。

1 目前信息處理綜合實驗存在的問題

電子信息類專業面寬，學生學習了相關的基礎課程，但課程內所學僅限于單科知識，因此對于這些知識在具體工程中的綜合應用、彼此之間的連接關系了解不夠，缺乏一條貫穿知識點的主線。進行綜合實驗，有利于鞏固基礎，加強對信息處理系統的整體理解，鍛煉并提高學生解決實際問題的能力。

但在教學實施過程中，存在強化技能訓練、教學組織方式單一等現象。一般由教師發布實驗題目，學生自主設計，缺乏有效的激發學生熱情的措施；學生為完成設計而實驗，為完成技能要求而訓練，按照教師要求做，并不思考為什么做、目的是什么，導致設計方案不靈活，不會主動去圍繞目標改進方案，缺乏工程訓練意識和創新訓練動力。從實驗題目的選擇到實驗結果考核，只重視理論知識應用成效，弱化認知行為協調性的素質要求，難以做到知識、能力、素質協調發展培養要求。

這些問題的出現，根本原因在于忽略了學生作為學習主體，個人的價值訴求與情感認知在主動學習中的重要性[4-11]。因此，綜合實驗教學既要注重技能訓練與鞏固，也要注重“情感化”輸入實現。情感化設計理念常用于產品設計之中，認知心理學家唐納德·A·諾曼提出情感化設計的3個層次[12]：本能層，即通過視覺感的美好，在情感層次給用戶的撫慰，有助提高工作效率；行為層，即用戶和產品交互的動態過程中獲得的成就感和爽快感；反思層，即用戶由前2個層次的作用，在內心產生的更深度的情感、意識和理解。如果能夠把綜合實驗教學融入情感設計理念，將有助于提高學生學習熱情和學習收獲感，實現教學育人一體化理念。本文將“情感化設計”理念引入信息處理綜合實驗教學中，在進行專業知識教學的同時，提高學生的學習效率、成就感及深化認知，實現育人目標。

2 綜合實驗情感化設計

從實驗選題、實驗教學模式設計與實踐2個方面，圍繞情感化設計的3個層次要求實現設計。

2.1 信息處理綜合實驗選題

首先，綜合實驗選題應滿足培養質量要求，本科電子信息類教學質量國家標準明確要求，信息專業類學生應具有分析、提出方案并解決電子信息領域理論或工程實際問題的基本能力。專業綜合實驗是強化該基本能力的有效途徑，也為信息處理綜合實驗項目選題指明了方向。實驗選題應能夠有效培養學生工程意識、創新意識，實現專業技能性要求，因此，實驗選題應結合工程或應用背景，圍繞社會生產、生活的各個方面展開。工程問題一般具有較好的綜合性，目的明確，有助于學生從工程的角度思考問題，開放性思維，關注實際應用對知識技能的需求，了解所學應如何應用。

其次，實驗選題應具備“情感”因素，以提高學生學習的主動性。從心理角度講，若認為做某件事有意義、有價值、有必要，那么工作、學習的效率會提高，因此，實驗選題應融入認知方面的情感信息。實驗選題圍繞環保、節能、效率、協作、安全等現代崇尚的價值觀展開，讓學生意識到自己的工作帶來的精神文明、技術進步和社會經濟效益，提高學生對專業、實驗以及未來就業的認同感、使命感，滿足個人的價值訴求和情感認知，以提高學習熱情。

基于以上2點要求，結合現有資源、辦學特色、易于教學組織等條件，本校信息處理綜合實驗以“節能教室的設計與實現”“交通違章視頻檢測”“煤礦安全智能處理系統”“基于視頻監測的6S管理系統開發”作為信息處理綜合實驗項目載體，除了鍛煉專業技能外，還培養綠色節能、行為規范、安全、效率、制度和協作意識。

2.2 信息處理綜合實驗教學模式設計

實驗教學模式設計采用情感化輸入、團隊合作、設計實現、反思總結4個環節來組織完成。

實驗組織的第一個環節是讓學生體會到實驗中的情感信息，激發學生學習的熱情及解決問題的使命感。在實驗中，教師收集了視頻、圖片等相關資料，進行數據分析，闡明要解決問題的必要性；題目中融入的多種情感意識，若有一種能給學生以觸動，根據對課題意義的認同感選擇感興趣的題目，是一個良好的實驗開端。

實驗組織的第二個環節是組織合作團隊，由于綜合實驗綜合性強、工作量較大，采用團隊合作方式，根據個人特長承擔分解任務，培養協作能力。

設計實現過程中，做好進度安排及督導，保質保量完成。實驗結束要進行全面分析總結。學而不思則罔，從認知、行為、技能等方面總結反思，強化內心產生的更深度的情感、意識和理解。

3 信息處理綜合實驗情感化設計實踐

本文以基于視頻檢測的教室智能燈光控制設計為案例，闡述基于情感化設計的信息處理綜合實驗教學實施的4個環節。

3.1 案例的總體設計

本案例針對高校教室人走燈不關的現象，基于視頻檢測教室是否有人，在無人情況下自動控制燈光關閉，達到降低電力浪費、節約能源、提升校園智能化水平的目的。

實驗選題致力于解決具體的問題，具有較好的實用性和工程性。采用的方案包含視頻采集、傳輸、處理、存儲、控制5個環節，涉及硬件系統構建、軟件設計、算法設計與實現等技術，綜合性強。方案框圖見圖1，要求能夠實現基本功能，可以在實時性、合理性和降低系統能耗等方面擴展。

圖1 基于視頻檢測的教室智能燈光控制方案框圖

在選題前帶領學生觀看燈火通明的教室空無一人的圖片、視頻，計算電量消耗數據以及發電中帶來的污染等數據，闡述信息處理技術在其中能夠發揮的作用，使學生充分理解專業技能的社會效益，同時間接培養了節約意識、學以致用的觀念，實現情感化輸入。

3.2 模塊劃分與團隊合作

根據設計方案，將整個實驗分為視頻采集、數據通信、視頻處理、終端軟件4個模塊，一個實驗小組4個人，集體討論具體方案、設備選型、各模塊之間的通信，每人負責一個模塊設計，最后形成一個完整的實驗。

3.3 設計與實現

設計與實現可以根據學生個人和團隊對題目的理解，采用不同的方案來進行。在實驗進行中，有一組學生采用了以下設計方案：

采用iTOP4412實驗開發板作為核心硬件平臺，30 W動態分辨率的USB網絡攝像頭作為視頻采集設備，嵌入式操作系統采用ARM Linux系統，視頻采集框架采用V4L2視頻采集庫，算法實現采用了開源視覺庫OpenCV，與上位機通信采用了UDP協議，上位機界面采用C#實現。

3.3.1 視頻采集模塊設計

采用V4L2的API來進行視頻采集。V4L2是針對UVC免驅USB設備的編程框架，用一系列的回調函數來實現諸如設置攝像頭的頻率、幀頻、視頻壓縮格式和圖像參數等。

3.3.2 通信模塊設計

案例中需要傳輸大量圖像數據，且在實際應用中需要遠距離多節點通信，因此采用傳輸速度較快的UDP通信協議實現開發板和上位機之間的通信。

發送數據流程如圖2所示。在接收端采用與上述形式相反的編程方式，使獲得的數據可以正確地還原。

圖2 發送數據流程

3.3.3 視頻處理模塊設計

視頻處理模塊是本案例的核心，在方案設計中，教室檢測到人則開燈，無人自動關燈，因此，視頻中人員目標檢測是關鍵。視頻處理模塊方案如圖3所示。

圖3 視頻處理模塊方案

若視頻光照過弱，說明教室無人，不需要關燈，則不進行檢測。光照強度檢測通過統計視頻數據中分量的平均值，設定閾值來實現，方法簡單，排除一部分視頻的檢測，降低計算量。

教室前景目標通常是自習或聽課的學生，屬于靜止或移動緩慢的目標，很有可能在過一定的時間之后融為背景，導致系統無法檢測前景，本案例中根據前一幀最終檢測結果來判斷像素是否更新。

對于當前幀圖像像素，根據顏色扭曲度和亮度邊界在Codebook中搜索與之匹配的碼字，沒有搜索到，則判定為前景；搜索到匹配碼字，且不在前一幀檢測區域內，則更新背景。遍歷圖像，逐一判斷。測試結果如圖4所示。

圖4 codebook背景建模檢測結果

對當前檢測到的前景區域進行連通域檢測和分析，統計各連通域的面積，若面積小于閾值，認為不是目標區域，則舍棄，避免誤檢。

3.3.4 上位機設計方案

案例中上位機界面采用Qt設計，具有選擇教室、查看實時場景畫面、自動和手動控制燈光2種模式以及整體關閉控制。

如果系統需要讓某盞燈亮，則相對應的正方形顏色變為黃色，熄滅時為淺色，如圖5所示。

圖5 上位機UI界面

3.4 分析與總結

在實驗完成后進行分析，有助于發現問題，實現反思與真正的提高。

首先是進行技術分析。基于數據從運行效率、傳輸速率、檢測準確度等方面分析系統的性能，明確導致性能不高的原因，確定解決的思路。結合性能分析結果，分析方案的合理性，給出修正方案的思路。結合實際情況，分析系統的擴展，完善系統的功能。

其次是進行認知分析。將實驗的過程進行條理化分析總結，應用工程性思考方式分析實驗中的得與失，總結經驗。在實驗環節中，學生已經體驗了認知、思考、實驗、分析等過程，進行認知分析，幫助學生理順、強化認識。

4 結語

教學是一門藝術，承載著知識傳授、技能培養、價值意識塑造等美好期望，良好的教學方式設計能起到事半功倍的效果。信息處理綜合實驗，融合信息獲取、處理、傳輸、存儲等方面的知識，涉及包括數學基礎、數字信號處理、識別、通信、ARM、Linux、編程語言等在內的多門課程，是了解課程內所學知識在具體工程中的綜合應用以及彼此之間的連接關系，培養分析、提出方案并解決電子信息領域工程實際問題的基本能力的關鍵教學環節，在教學中具有舉足輕重的地位。本文將情感化設計引入信息處理綜合實驗，通過情感輸入、團隊合作、設計實現、總結反思的教學模式，實現技能錘煉、工程意識培養、創新思維訓練與認知行為和諧發展的教育功能。實踐證明，該方法能有效提高學生學習熱情、提高實驗效率，培養學生良好工作生活行為意識。

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Emotional design and practice of information processing comprehensive experiment

CAI Limei1,2, XU Jiantao1,3, LI Jian1, ZHANG Xiaoqiang1

(1. School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Electrotechnics and Electronics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

In order to improve the effect of experiment teaching, the concept of "emotional design" is introduced into the comprehensive experiment teaching of information processing. The skill training and emotional needs are fully considered, and comprehensive experimental projects are selected. Through the four steps of emotional input, teamwork, design realization, summary and reflection, the teaching is organized, and full play is given to the important function of personal value appeal and emotional cognition in active learning when professional skills are trained and consolidated. Practice has proved that this method can effectively stimulate students’ learning enthusiasm, improve learning efficiency, cultivate students’ good work, life and behavior awareness, achieve the goal of skill training, engineering awareness training, value awareness shaping and realize the educational idea of integration of teaching and education.

information processing; comprehensive experiment; emotional design; integration of teaching and education

TP 391; G642.0

A

1002-4956(2019)09-0211-04

2019-01-12

國家自然科學基金項目（61501465）；中國礦業大學2017年校“精品課程”項目（2017JPPY03）；中國礦業大學“十三五”品牌專業建設資助項目（電子信息工程）

蔡利梅（1977—），女，河南安陽，博士，副教授，研究方向為信息處理、圖像處理、模式識別。

E-mail: cailimei@cumt.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.054