吳 峰，朱錫芳，劉 浩，徐志超，趙 越

(常州工學院電氣與光電工程學院，江蘇常州213002)

0 引言

在“圖像信息處理”課程教學中，任課教師通常會舉出一些反映知識點的實例，通過計算機輔助教學CAI(Computer Aided Instruction)進行演示，使抽象的知識變得生動形象，激發(fā)學生的學習興趣。如文獻［1]指出，在原理講解之后，采用Matlab處理實例圖片驗證基礎理論和算法，有助于學生深刻理解理論知識。此外，一些教師采用課題驅動式教學方法，將實際課題引入教學，引導學生運用所學知識解決實際問題。如:文獻［3]和［4]將項目教學法引入到數(shù)字圖像處理課堂，增強學生的實踐能力。

由于學生的編程基礎較薄弱，他們并不能很好地將理論和算法緊密聯(lián)系起來，較難理解圖象處理的程序實現(xiàn)方法，處理實際問題的能力不強。同時，在課后自學過程中，他們普遍不能順利使用實例或項目程序。為此還需進一步研究新的教學方法。

本文以建構主義學習理論為基礎，提出開發(fā)“圖像信息處理”課程教輔軟件，將之應用于教學實踐，以便改善教學效果。為此介紹教輔軟件的設計思想，給出設計過程和結果。實踐表明，教輔軟件具有引導學生開展啟發(fā)式教學的功能，有助于學生自學和課后復習，提高他們的應用能力。

1 設計思想

傳統(tǒng)教學方法通常強調以教師為中心的“教”，而現(xiàn)代教學理論則強調以學生為中心的“教”。建構主義作為現(xiàn)代教育理論的代表，認為學習是學生主動地建構知識意義的過程［5]?；谶@一理念，我們開發(fā)了“圖像信息處理”課程教輔軟件，并將該軟件應用于教學實踐，獲得如下的教學效果。

1)培養(yǎng)學生學習興趣，引導學生自學

首先，該教輔軟件是“所見即所得”的視窗軟件，能將抽象的理論轉化成直觀的圖片展現(xiàn)，易于學生理解和接受。其次，軟件允許安裝到每個學生的計算機，便于學生自由操作、隨時隨地地使用。通過引導學生操作和使用教學軟件，培養(yǎng)他們對課程學習的興趣。再次，教輔軟件將大部分演示實例集成為一個有機整體，能重現(xiàn)演示實例。學生也能自主操作軟件，觀察和思考圖象處理的效果，開展探究學習，其自學能力也能因此增強。

2)引導學生參與課堂教學，增強師生互動

教輔軟件為師生交流搭建起了一座橋梁，教師引導學生觀察圖象處理的效果，啟發(fā)他們思考問題，并歸納和總結知識點。學生通過改變圖像處理所需的參數(shù)，或是改變原始圖像，觀察和發(fā)現(xiàn)圖像處理中的問題，及時和教師交流。軟件增強師生互動，幫助學生自主構建知識，成為學習的主體。幫助教師高質量地完成教學任務。

3)增強學生的編程技能，提高其應用能力

程序設計是將數(shù)字圖像處理理論轉化為實際應用的必要技能，在學生編程基礎比較薄弱和不可能增加課時強化編程的條件下，教輔軟件成為提高他們應用能力的有效工具。首先，它是一款學生無需編程知識就能使用的可視化應用軟件，有一定趣味性，這為學生進一步學習創(chuàng)造了條件。其次，軟件提供了每次圖像處理的程序代碼，學生在潛移默化中會關注圖像處理結果與程序代碼之間的聯(lián)系，思考圖像處理的程序實現(xiàn)方法。最后，經(jīng)過反復練習，學生編程技能逐步提高，其解決問題能力隨之提升。

2 設計過程

Matlab軟件具有強大的圖像處理功能，其對應工具箱封裝了本課程所涉及的基本函數(shù)，是學生學習程序設計的理想軟件［6]。基于上節(jié)設計思想，本文在Matlab軟件平臺上，利用其圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)功能，開發(fā)設計“圖像信息處理”課程教輔軟件。

2.1 模塊劃分

在軟件設計之前，依據(jù)“圖像信息處理”課程教學內容，劃分軟件模塊及其子模塊。將軟件分成圖像基本操作、圖像正交變換、圖像增強、圖像壓縮編碼、圖像分割和圖像其他處理等6個模塊，每個模塊又細分為多個子模塊，具體劃分如圖1所示。

圖1 “圖像信息處理”課程教學軟件主界面

2.2 軟件界面設計

軟件界面包括主界面和子模塊界面。主界面列出了軟件系統(tǒng)的6大模塊及其子模塊，是開展知識點學習的入口，如圖1所示。子模塊對應課程的重要知識點，反映教學的重點和難點。使用者通過觸發(fā)主界面上的子模塊按鈕，打開對應的子模塊界面，再進行后期操作。

子模塊界面分為圖像顯示區(qū)、參數(shù)設置區(qū)、菜單欄和工具欄四個部分，根據(jù)教學內容選擇適當?shù)目丶侠戆才潘鼈兊牟季趾凸δ?。圖2給出了“圖像灰度變換”子模塊界面的分布情況，圖中的①為圖像顯示區(qū);②為參數(shù)設置區(qū);③為菜單欄和工具欄。

圖2 “灰度變換”子模塊界面

圖像顯示區(qū)顯示原始圖像、中間過程圖像和處理結果圖像，或者以圖像方式顯示的數(shù)據(jù)，展現(xiàn)基本原理的應用過程和效果。參數(shù)設置區(qū)用于修改圖象處理條件和參數(shù)，并更新圖像顯示區(qū)的圖像。

菜單欄用于實現(xiàn)常規(guī)的文件操作和編輯圖片操作，包括“文件”、“編輯”、“視圖”和“幫助”等菜單項。其中“幫助”菜單項是一個設計重點，它包含“實例演示”、“知識點”和“原理講解”等命令。工具欄部分與菜單欄中幾個主要命令相對應，如文件的打開、保存和縮放圖片等。

2.3 程序設計和控件功能的實現(xiàn)

軟件界面設計完成后，通過程序設計，編寫代碼，界面中的控件、菜單、工具欄才能響應用戶操作，實現(xiàn)預期功能。在GUI設計中，使用者通過點擊、拖動、選擇控件，或者向文本框輸入字符等一系列的操作稱為事件。通常編寫控件的回調函數(shù)，以使它們響應事件。例如，在圖2中，從參數(shù)設置區(qū)“圖像旋轉”的下拉菜單中選取旋轉角度值，圖像顯示區(qū)就會顯示旋轉結果圖，直方圖也作相應變化。程序設計是實現(xiàn)教學軟件人機交互的必要步驟，也是設計工作的重點。

3 教學軟件應用舉例

本節(jié)以“空域平滑濾波”子模塊為例，說明軟件在教學中的應用。該子模塊的界面如圖3所示。

圖3 “空域平滑濾波”子模塊界面中控件的分布

(1)啟發(fā)學生掌握空域平滑濾波的作用。在不添加噪聲的前提下，引導學生選擇不同濾波器，觀察平滑濾波的總體效果。學生也能使用菜單欄中“文件”菜單項，開展第二次、第三次等多次濾波。通過以上操作，學生能清楚認識到平滑濾波的作用是濾除圖像的高頻信號，可用于去噪。

(2)引導學生掌握空域平滑濾波的過程和方法。指導學生選擇“幫助”菜單欄中“原理講解”命令，軟件以視頻方式講解空域平滑濾波的過程，幫助學生掌握模板在濾波中的作用。同時，引導學生改變模板大小，啟發(fā)他們觀察濾波效果，思考其成因。此外，再讓學生比較不同濾波器處理含噪聲圖像的結果，明確濾波算法的差異。采用本子模塊教學，有助于他們加深理解空域平滑濾波過程。

(3)啟發(fā)學生思考空域平滑濾波器的分類。學生在操作過程中會發(fā)現(xiàn)選擇均值濾波器和中值濾波器時，對應的控件分布有差異，如圖3(a)和(b)所示。學生通過比較它們的濾波過程，歸納得出空域平滑濾波器可分為線性濾波器和非線性濾波器，明確兩類濾波器的特點。

(4)引導學習空域平滑濾波程序設計方法。“幫助”菜單欄中“實例演示”命令提供演示實例的窗口，如圖4所示。“實例演示”界面使學生易于掌握關鍵的程序命令和空域平滑濾波的編程方法。此外，當學生修改部分代碼時，軟件將馬上給出處理效果，這有助于啟發(fā)學生思考代碼和處理結果之間的聯(lián)系，從而強化他們對理論知識的理解。

圖4 “空域平滑濾波”子模塊實例演示界面

4 結語

概括起來，本文開發(fā)的“圖像信息處理”課程教輔軟件具有以下作用:

(1)軟件充分反映了教學知識點，具有很強的人機交互功能，有利于增強學生的學習興趣。軟件也便于教師有效組織課堂教學內容，開展啟發(fā)式教學。使學生踴躍思考問題和質疑，提高他們參與教學的積極性，促進其自主構建知識。

(2)軟件將教學內容、原理講解、典型實例集成為一個有機整體，有利于學生課前預習、課后復習和自學。軟件允許學生通過反復操作，開展探究學習，便于他們再現(xiàn)課堂學習過程，促進其牢固掌握理論知識，并逐步增強學生自學能力。

(3)軟件提供演示實例的程序代碼，有助于學生循序漸進地學習程序設計方法，激發(fā)學生掌握理論的程序實現(xiàn)方法，提高他們的編程應用能力。

［1] 曹永鋒，蘇彩霞.“數(shù)字圖像處理”教學中提高學生主動性的探索［J] .北京:中國電力教育，2013，(13):101-102.

［2] 沈曉晶，池濤，王艷等.計算機專業(yè)數(shù)字圖像處理教學體系及教學方法探討［J] .長春:長春教育學院學報，2013，29(23):45-46.

［3] 呂勇，牛春暉，劉力雙等.基于實踐能力培養(yǎng)的《數(shù)字圖像處理》課教學改革研究［J] .廣州:現(xiàn)代計算機(普及版)，2013，(9):60-62.

［4] 劉忠艷，喬付，周波等.項目教學法在數(shù)字圖像處理教學中的應用［J] .齊齊哈爾:高師理科學刊，2015，(2):75-77.

［5] 李巍巍.建構主義教學的熱點與前沿的可視化分析［J] .上海:實驗室研究與探索，2014，33(5):148-151.

［6] 柏均，閆紅梅，張鳴等.Matlab在“數(shù)字圖像處理”課程教學中的利弊分析［J] .南京:電氣電子教學學報，2010，32(2):82-83，86.