摘要：根據(jù)“數(shù)字圖像處理”課程理論性與實用性的特點，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目教學(xué)法的設(shè)計，以及在“數(shù)字圖像處理”課程實驗教學(xué)過程的實踐。結(jié)果顯示，該方法結(jié)合武漢大學(xué)國家電工電子實驗教學(xué)示范中心教改項目的實踐獲得較好效果。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 綜合多層項目教學(xué)法 教學(xué)過程 FPGA Simulink
　　文章編號：1672-5913(2011)18-0074-04 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　建設(shè)”(2011007)；湖北省教學(xué)改革項目“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)碩士博士點培養(yǎng)專業(yè)研究人才打下堅實基礎(chǔ)，它是一門理論性和實踐性都很強的課程。同時，由于該課程理論性強，且在培養(yǎng)體系中處于最后階段，因此，如何設(shè)計理論實踐相結(jié)合的實驗教學(xué)過程，如何培養(yǎng)學(xué)生扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)和實踐創(chuàng)新能力，成為一個亟待研究的課題。
　　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)量提供了新的機會。如計算機技術(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]、合作與競爭學(xué)習(xí)的教育方法[2]、基于項目或者問題的學(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和時間，他們可以在任何時間地點獲取知識。
　　基于多年的教學(xué)實踐，筆者把握課程特點和發(fā)展趨勢，充分利用Simulink軟件和FPGA硬件等試驗設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合項目教學(xué)法等先進教學(xué)
　　理念，設(shè)計并實踐了一種利用綜合多層項目教學(xué)法的“數(shù)字圖像處理”課程的實驗教學(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“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”、“信息論與編碼”等專業(yè)基礎(chǔ)課。瑞典布萊金格理工學(xué)院對這些前置課程與學(xué)生的接受能力之間的關(guān)系進行了研究[4]。通過本課程數(shù)字圖像及成像基礎(chǔ)、二維數(shù)字信號處理基本理論、灰度及彩色圖像壓縮、增強、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、基本理論和基本技能，重點掌握基于圖像變換理論的圖像增強、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、研究內(nèi)容和基本
　　
　　基金項目：武漢大學(xué)教學(xué)研究項目“信號處理系列課程實驗體系的研究與建設(shè)”(201135)；武漢大學(xué)電工電子實驗教學(xué)示范中心教學(xué)改革研究項目“信號處理系列課程實驗體系的研究與建設(shè)”(201001)；湖北省教學(xué)改革項目“基于多層次項目教學(xué)法的信號處理系列課程實驗體系的研究與概念，力爭幫助同學(xué)把握學(xué)科發(fā)展沿革和應(yīng)用方向，了解整體架構(gòu)，建立研究和實踐的興趣。2)理論部分：按照空域處理(包括直方圖、點處理、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)計模型方法的順序進行講解。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的特點，在這個部分教學(xué)中，我們希望加強學(xué)生對前置課程所學(xué)基本理論和方法的深入理解，使其充分認識理論知識在實際應(yīng)用中的指導(dǎo)意義，并體會理論本身的魅力。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)用性強的特點，選擇基礎(chǔ)性和典型性強的圖像壓縮、圖像增強、邊緣提取與圖像分割、圖像特征提取等應(yīng)用，重點講述應(yīng)用基礎(chǔ)理論和方法解決實際問題的常用系統(tǒng)與方法，進一步訓(xùn)練同學(xué)的動手實踐能力，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)用部分涉及并會應(yīng)用到各部分理論，同樣，各理論部分也會在技術(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，并從兩個角度向同學(xué)們展示“數(shù)字圖像處理”這樣一個立體而豐富的專業(yè)方向。
　　
　　2 多層項目教學(xué)法的實驗教學(xué)過程實踐
　　2.1 多層項目設(shè)計
　　項目教學(xué)法是針對課程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計出一系列學(xué)習(xí)單元項目，項目設(shè)計圍繞著具有典型性、啟發(fā)性的關(guān)鍵問題，學(xué)生通過參與項目完成的全過程實現(xiàn)對課程內(nèi)容系統(tǒng)而深入的掌握[7]。項目教學(xué)法真正實現(xiàn)了以學(xué)生為中心、以教學(xué)目標為中心，實現(xiàn)理論方法學(xué)習(xí)與實踐動手能力培養(yǎng)的緊密結(jié)合，同時，它培養(yǎng)具有扎實理論功底和實踐創(chuàng)新能力的高水平人才。有學(xué)者設(shè)計了一個利用兩個獲取鏈的問題學(xué)習(xí)框架用來進行儀器課程的實驗教學(xué)[3]，利用虛擬(仿真)模塊獲取鏈和真實的模塊鏈共同幫助學(xué)生在較高的認知水平上解決問題。
　　本項目基于上述研究成果并給予發(fā)展，設(shè)計出一個多層項目教學(xué)方法，并用于“數(shù)字圖像處理”課程的實驗教學(xué)過程實踐。第一層次基于Simulink軟件工具，設(shè)計多種虛擬模塊，幫助學(xué)生對圖像處理中的主要問題進行快速全局的理解；第二層次基于FPGA硬件工具，設(shè)計并提供真實的模塊，構(gòu)成一個完整的處理過程，學(xué)生在實踐中通過測試這些模塊并做適當(dāng)改進，以獲得完善的結(jié)果。
　　2.2 項目設(shè)計與分析
　　針對前面分析過的“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)目標要求，同時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