吳峰，朱錫芳，李楊，謝浩

(1.常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002;2.常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

在信息大爆炸的今天，圖像仍然是一種最常見的信息載體，它具有信息量大、直觀和易于理解等特點。發(fā)展數(shù)字圖像處理技術(shù)，對于提高圖像信息利用率，降低圖像采集成本，推動人工智能、機器視覺、工業(yè)自動化等技術(shù)的發(fā)展有重要意義。“圖像傳輸與處理”課程重點講授數(shù)字圖像處理的基本理論和方法，成為電子信息工程專業(yè)的重要課程，它的開設(shè)適應(yīng)了時代信息技術(shù)發(fā)展的需要。

“圖像傳輸與處理”課程內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、信息和計算機等多個學(xué)科，并在遙感、醫(yī)學(xué)、生物制藥、通信以及社會生活的各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。［1］該課程教學(xué)應(yīng)使學(xué)生牢固掌握并靈活運用基本理論，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。教師往往根據(jù)教學(xué)內(nèi)容通過演示和講解圖像處理的實例，活躍課堂氣氛，在鞏固理論知識，提高學(xué)生應(yīng)用能力方面取得了一定的效果。［2-3］然而學(xué)生自學(xué)能力差、消極應(yīng)付作業(yè)等現(xiàn)象屢見不鮮，其解決實際問題的能力提高有限。歸根結(jié)底，上述教學(xué)方式仍沒有脫離傳統(tǒng)的教學(xué)模式。

本文研究建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，討論師生在教學(xué)中的地位及相互關(guān)系，分析知識建構(gòu)的內(nèi)涵，研究以學(xué)生為中心的教學(xué)策略。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計和開發(fā)密切聯(lián)系課程內(nèi)容的教學(xué)輔助軟件，并將之運用到“圖像傳輸與處理”課程教學(xué)中。教學(xué)實踐表明，教輔軟件提供了符合課程內(nèi)容的情境，通過啟發(fā)學(xué)生探究、引導(dǎo)課堂交流和討論，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)圖像處理領(lǐng)域“能學(xué)習(xí)、會應(yīng)用”的有用人才。

1 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的分析

建構(gòu)主義興起于20世紀(jì)80年代，是在研究兒童認(rèn)知規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新的學(xué)習(xí)理論，被譽為“當(dāng)代教育心理學(xué)中正在發(fā)生著的一場革命”［4］。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為知識是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，借助其他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得［5］，指出理想的學(xué)習(xí)環(huán)境由“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”等四部分組成［6］。分析建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，可得出以下結(jié)論。

首先，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主體，教師起指導(dǎo)和輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的作用。傳統(tǒng)教學(xué)過程側(cè)重于老師“教”和學(xué)生“學(xué)”，形成“教師講、學(xué)生聽，教師問、學(xué)生答，教師考、學(xué)生背”的模式。教師支配著教學(xué)過程，是教學(xué)活動的主體，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)的地位。雖然為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教師會精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容［7］，合理安排教學(xué)過程，并充分運用講課藝術(shù)，使教學(xué)內(nèi)容生動，但是學(xué)生不善于主動思考和提問，參與教學(xué)的熱情不高，甚至消極應(yīng)付。教學(xué)不可避免地變成了硬性灌輸知識的過程，學(xué)生難免會表現(xiàn)出厭學(xué)情緒。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論表明知識是學(xué)生自主構(gòu)建的，而不是灌輸?shù)?，教師只起輔助作用。正確處理師生在教學(xué)中的地位和作用，就能解決學(xué)生課堂玩手機、課堂秩序差、逃課和抄襲作業(yè)等問題。教師引導(dǎo)學(xué)生成為教學(xué)活動主體，積極幫助學(xué)生主動建構(gòu)知識，有利于教學(xué)良性發(fā)展。

其次，符合教學(xué)內(nèi)容的情境是學(xué)生聯(lián)系原有知識、建構(gòu)新知識的橋梁。學(xué)習(xí)是一個不斷積累新知識的過程，而原有知識是新知識的生長點，意義建構(gòu)是學(xué)習(xí)過程的最終目標(biāo)。學(xué)生只有對新知識所反映的事物性質(zhì)、規(guī)律和相互關(guān)系產(chǎn)生深刻認(rèn)識，才能理解新知識、掌握新知識，并靈活運用它們。傳統(tǒng)的教學(xué)過程往往忽視學(xué)生的原有知識結(jié)構(gòu)，很少給予密切聯(lián)系新舊知識點的具體內(nèi)容或?qū)嵗?，?dāng)學(xué)習(xí)內(nèi)容難度較大時，學(xué)生經(jīng)常會囫圇吞棗，不能消化和長久地記憶教學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致產(chǎn)生厭學(xué)情緒。如果教師創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容的情境，幫助學(xué)生使用原有知識解釋新現(xiàn)象，建立知識點之間的相互聯(lián)系，將有利于他們順利實現(xiàn)對新知識的意義建構(gòu)。

最后，在學(xué)習(xí)過程中，相互交流、討論必不可少。目前教學(xué)中仍然存在“老師永遠(yuǎn)是對的”觀念，認(rèn)為教師的安排總是正確的，所授知識即是真理。這一觀念束縛學(xué)生不敢思考，制約他們勇于創(chuàng)新，使教學(xué)過程缺乏交流和討論，學(xué)生經(jīng)常害怕被提問，而教師缺乏了解學(xué)生真實的學(xué)習(xí)狀況。理想學(xué)習(xí)環(huán)境中“協(xié)作”、“會話”兩個要素表明，教師和學(xué)生之間、學(xué)生和學(xué)生之間的協(xié)商不可缺少。［8］教師應(yīng)提高教學(xué)互動，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，探討授課內(nèi)容，批判性地學(xué)習(xí)，達到“意義建構(gòu)”的目的。教師則能清楚把握學(xué)生的想法和學(xué)習(xí)狀態(tài)，明確教學(xué)得失，從而改進授課方法，實現(xiàn)教學(xué)相長。

由以上分析可見，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論體現(xiàn)了一切以學(xué)生為本的教育理念，為改革“圖像傳輸與處理”課程教學(xué)方法指明了方向。

2 課程改革的探索

“圖像傳輸與處理”課程理論豐富，知識點實踐性強，應(yīng)用廣泛。圖像作為該課程的主要研究對象，具有直觀、可見、信息豐富等特點。在教學(xué)中，利用多媒體技術(shù)，顯示圖像在傳輸與處理過程中的變化及處理結(jié)果，能使抽象的理論知識形象化，有利于學(xué)生理解和掌握課程知識。同時，計算機程序設(shè)計是將該課程理論轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的橋梁，也是教學(xué)演示的必要基礎(chǔ)。因此，計算機應(yīng)用在“圖像傳輸與處理”課程教學(xué)中具有舉足輕重的作用。另一方面，隨著計算機的普及使用，學(xué)生對計算機技術(shù)興趣高，操作計算機的能力強，學(xué)習(xí)新軟件的效率也很高。以上這些狀況為“圖像傳輸與處理”課程改革提供了思路。本文設(shè)計和開發(fā)教學(xué)軟件，將之運用到教學(xué)實踐中，使學(xué)生能夠在玩中學(xué)，提高他們的自學(xué)能力和應(yīng)用能力，提升教學(xué)質(zhì)量。

2.1 教學(xué)輔助軟件的設(shè)計

在MathsWorks公司的Matlab軟件平臺上，利用其圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)功能，根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，按照模塊化方法，設(shè)計教學(xué)軟件。

第一步，劃分模塊，設(shè)計主界面?！皥D像傳輸與處理”課程主要包含數(shù)字圖像的基本處理、正交變換、增強、復(fù)原、幾何變換、形態(tài)學(xué)處理、壓縮編碼、分割以及圖像特征分析和識別等知識點。其中圖像特征分析和圖像識別屬于圖像高級處理的內(nèi)容，理論復(fù)雜，難度大，只要求學(xué)生有所了解。為此，按照以上教學(xué)內(nèi)容，將軟件分成8個主要模塊。根據(jù)對應(yīng)章節(jié)的知識點，每個模塊又細(xì)分為多個子模塊。由于圖像復(fù)原、幾何變換、形態(tài)學(xué)處理模塊內(nèi)容較少，這幾個模塊不再細(xì)分。在此基礎(chǔ)上，合理安排每個模塊在主界面上的位置，使軟件布局合理、美觀。設(shè)計得到的主界面如圖1所示。

第二步，設(shè)計子模塊界面。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思路，選擇合適的控件安置在子模塊界面上。子模塊設(shè)計成具有友好的人機交互界面，主要由圖像顯示區(qū)、用戶操作區(qū)、程序代碼區(qū)等三部分組成。“圖像采樣與量化”子模塊界面上三個部分的分布如圖2所示。圖像顯示區(qū)顯示原始圖像、處理結(jié)果圖像，或者以圖像的方式顯示中間過程的數(shù)據(jù)，展現(xiàn)基本原理的應(yīng)用過程和效果。用戶操作區(qū)允許用戶自由選擇原始圖像，改變處理條件和參數(shù)。程序代碼區(qū)給出當(dāng)前圖像處理的程序代碼清單，允許用戶修改和執(zhí)行程序代碼。

圖1 教學(xué)輔助軟件主界面

圖2 “圖像采樣與量化”子模塊界面

第三步，進行程序設(shè)計，分別完善各子模塊功能，根據(jù)模塊間的相互關(guān)系，設(shè)計它們相互觸發(fā)的功能。

2.2 教學(xué)軟件應(yīng)用舉例

本節(jié)以“傅里葉基本操作”子模塊為例，詳細(xì)說明軟件在教學(xué)中的具體應(yīng)用。該子模塊的界面如圖3所示，其中左上部分為圖像顯示區(qū)，分別顯示原始圖像、傅里葉頻譜圖、濾波器圖、處理結(jié)果。右邊是用戶操作區(qū)，用戶可以選擇和輸入原始圖像，修改濾波器種類和參數(shù)。程序代碼區(qū)位于界面左下部分，用戶修改其中的代碼，點擊“運行程序”按鈕，圖像顯示區(qū)將顯示執(zhí)行結(jié)果。

首先，學(xué)生使用該子模塊，對如圖4(a)所示圖像作傅里葉正逆變換(選擇高通濾波，截止頻率為0)，觀察傅里葉頻譜圖，如圖4(b)所示。選擇對數(shù)變換和直方圖拉伸處理，觀察頻譜圖，如圖4(c)所示。啟發(fā)學(xué)生比較前后頻譜圖和代碼區(qū)的變化，使他們熟悉傅里葉變換和對數(shù)變換過程，及對數(shù)變換的特點。

然后，學(xué)生分別執(zhí)行低通、高通濾波處理。當(dāng)截止頻率fc分別取最高頻率fmax的10%、20%、30%時，低通、高通濾波結(jié)果如圖5和6所示。啟發(fā)學(xué)生分析截止頻率與濾波結(jié)果的關(guān)系，開展討論，得出傅里葉頻譜中低頻、高頻信息分別代表圖像的概貌和細(xì)節(jié)的結(jié)論。

圖3 “傅里葉基本操作”子模塊界面

圖4 對數(shù)變換前后的頻譜圖

圖5 低通濾波結(jié)果

圖6 高通濾波結(jié)果

接著，針對如圖7(a)所示的圖像，引導(dǎo)學(xué)生思考處理方法。經(jīng)過傅里葉變換，頻譜圖如圖7(b)所示，發(fā)現(xiàn)其中有少數(shù)突出的亮點，分析得出圖像降質(zhì)的原因是原圖受到周期性噪聲的干擾，使用帶阻濾波處理可以改善圖像。通過濾波處理，證實以上想法，結(jié)果如圖7(c)所示。

最后，啟發(fā)學(xué)生思考圖像頻域處理有哪些優(yōu)點，并展開討論，學(xué)生點擊“知識要點”，驗證討論結(jié)果。

實踐表明，采用軟件輔助“圖像傳輸與處理”課程教學(xué)，取得了較好的成效。

圖7 帶阻濾波舉例

第一，學(xué)生在使用軟件的過程中，軟件提供的圖像處理視覺效果能激發(fā)其好奇心，引導(dǎo)他們探究并自我建構(gòu)知識，有助于使學(xué)生成為教學(xué)活動的主體。

第二，軟件提供課程知識點與其他知識相互聯(lián)系的特定情境，學(xué)生自由選擇輸入圖像和前提條件，自由改變程序指令，能充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，使他們加深理解知識之間的關(guān)系，實現(xiàn)意義構(gòu)建的目標(biāo)，并提高其分析問題的能力。

第三，學(xué)生頻繁地接觸常用圖像處理語句和命令，便于逐漸熟悉基本的圖像處理程序設(shè)計方法，有利于掌握編程技巧，提高解決問題的能力。

3 結(jié)語

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)是學(xué)生以自我為中心主動構(gòu)建知識的過程，教師建立符合教學(xué)內(nèi)容的情境有利于學(xué)生理解知識點的內(nèi)涵及其相互聯(lián)系，課堂交流有助于促進教學(xué)相長。本文設(shè)計的教學(xué)輔助軟件緊密聯(lián)系“圖像傳輸與處理”課程教學(xué)內(nèi)容，模塊化設(shè)計合理，運用該軟件開展課程教學(xué)，能引導(dǎo)學(xué)生主動參與教學(xué)，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，成為教學(xué)活動的主體。軟件各模塊與課程重要知識點相對應(yīng)，提供聯(lián)系新舊知識的具體實例及其存在的問題，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)，提高他們的自學(xué)能力和應(yīng)用能力。以該軟件輔助教學(xué)，便于開展啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生討論，增強互動，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

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