“图像信息处理”课程教辅软件的设计

吴 峰，朱锡芳，刘 浩，徐志超，赵 越

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)

0 引言

在“图像信息处理”课程教学中，任课教师通常会举出一些反映知识点的实例，通过计算机辅助教学CAI(Computer Aided Instruction)进行演示，使抽象的知识变得生动形象，激发学生的学习兴趣。如文献［1]指出，在原理讲解之后，采用Matlab处理实例图片验证基础理论和算法，有助于学生深刻理解理论知识。此外，一些教师采用课题驱动式教学方法，将实际课题引入教学，引导学生运用所学知识解决实际问题。如:文献［3]和［4]将项目教学法引入到数字图像处理课堂，增强学生的实践能力。

由于学生的编程基础较薄弱，他们并不能很好地将理论和算法紧密联系起来，较难理解图象处理的程序实现方法，处理实际问题的能力不强。同时，在课后自学过程中，他们普遍不能顺利使用实例或项目程序。为此还需进一步研究新的教学方法。

本文以建构主义学习理论为基础，提出开发“图像信息处理”课程教辅软件，将之应用于教学实践，以便改善教学效果。为此介绍教辅软件的设计思想，给出设计过程和结果。实践表明，教辅软件具有引导学生开展启发式教学的功能，有助于学生自学和课后复习，提高他们的应用能力。

1 设计思想

传统教学方法通常强调以教师为中心的“教”，而现代教学理论则强调以学生为中心的“教”。建构主义作为现代教育理论的代表，认为学习是学生主动地建构知识意义的过程［5]。基于这一理念，我们开发了“图像信息处理”课程教辅软件，并将该软件应用于教学实践，获得如下的教学效果。

1)培养学生学习兴趣，引导学生自学

首先，该教辅软件是“所见即所得”的视窗软件，能将抽象的理论转化成直观的图片展现，易于学生理解和接受。其次，软件允许安装到每个学生的计算机，便于学生自由操作、随时随地地使用。通过引导学生操作和使用教学软件，培养他们对课程学习的兴趣。再次，教辅软件将大部分演示实例集成为一个有机整体，能重现演示实例。学生也能自主操作软件，观察和思考图象处理的效果，开展探究学习，其自学能力也能因此增强。

2)引导学生参与课堂教学，增强师生互动

教辅软件为师生交流搭建起了一座桥梁，教师引导学生观察图象处理的效果，启发他们思考问题，并归纳和总结知识点。学生通过改变图像处理所需的参数，或是改变原始图像，观察和发现图像处理中的问题，及时和教师交流。软件增强师生互动，帮助学生自主构建知识，成为学习的主体。帮助教师高质量地完成教学任务。

3)增强学生的编程技能，提高其应用能力

程序设计是将数字图像处理理论转化为实际应用的必要技能，在学生编程基础比较薄弱和不可能增加课时强化编程的条件下，教辅软件成为提高他们应用能力的有效工具。首先，它是一款学生无需编程知识就能使用的可视化应用软件，有一定趣味性，这为学生进一步学习创造了条件。其次，软件提供了每次图像处理的程序代码，学生在潜移默化中会关注图像处理结果与程序代码之间的联系，思考图像处理的程序实现方法。最后，经过反复练习，学生编程技能逐步提高，其解决问题能力随之提升。

2 设计过程

Matlab软件具有强大的图像处理功能，其对应工具箱封装了本课程所涉及的基本函数，是学生学习程序设计的理想软件［6]。基于上节设计思想，本文在Matlab软件平台上，利用其图形用户界面GUI(Graphical User Interface)功能，开发设计“图像信息处理”课程教辅软件。

2.1 模块划分

在软件设计之前，依据“图像信息处理”课程教学内容，划分软件模块及其子模块。将软件分成图像基本操作、图像正交变换、图像增强、图像压缩编码、图像分割和图像其他处理等6个模块，每个模块又细分为多个子模块，具体划分如图1所示。

图1 “图像信息处理”课程教学软件主界面

2.2 软件界面设计

软件界面包括主界面和子模块界面。主界面列出了软件系统的6大模块及其子模块，是开展知识点学习的入口，如图1所示。子模块对应课程的重要知识点，反映教学的重点和难点。使用者通过触发主界面上的子模块按钮，打开对应的子模块界面，再进行后期操作。

子模块界面分为图像显示区、参数设置区、菜单栏和工具栏四个部分，根据教学内容选择适当的控件，合理安排它们的布局和功能。图2给出了“图像灰度变换”子模块界面的分布情况，图中的①为图像显示区;②为参数设置区;③为菜单栏和工具栏。

图2 “灰度变换”子模块界面

图像显示区显示原始图像、中间过程图像和处理结果图像，或者以图像方式显示的数据，展现基本原理的应用过程和效果。参数设置区用于修改图象处理条件和参数，并更新图像显示区的图像。

菜单栏用于实现常规的文件操作和编辑图片操作，包括“文件”、“编辑”、“视图”和“帮助”等菜单项。其中“帮助”菜单项是一个设计重点，它包含“实例演示”、“知识点”和“原理讲解”等命令。工具栏部分与菜单栏中几个主要命令相对应，如文件的打开、保存和缩放图片等。

2.3 程序设计和控件功能的实现

软件界面设计完成后，通过程序设计，编写代码，界面中的控件、菜单、工具栏才能响应用户操作，实现预期功能。在GUI设计中，使用者通过点击、拖动、选择控件，或者向文本框输入字符等一系列的操作称为事件。通常编写控件的回调函数，以使它们响应事件。例如，在图2中，从参数设置区“图像旋转”的下拉菜单中选取旋转角度值，图像显示区就会显示旋转结果图，直方图也作相应变化。程序设计是实现教学软件人机交互的必要步骤，也是设计工作的重点。

3 教学软件应用举例

本节以“空域平滑滤波”子模块为例，说明软件在教学中的应用。该子模块的界面如图3所示。

图3 “空域平滑滤波”子模块界面中控件的分布

(1)启发学生掌握空域平滑滤波的作用。在不添加噪声的前提下，引导学生选择不同滤波器，观察平滑滤波的总体效果。学生也能使用菜单栏中“文件”菜单项，开展第二次、第三次等多次滤波。通过以上操作，学生能清楚认识到平滑滤波的作用是滤除图像的高频信号，可用于去噪。

(2)引导学生掌握空域平滑滤波的过程和方法。指导学生选择“帮助”菜单栏中“原理讲解”命令，软件以视频方式讲解空域平滑滤波的过程，帮助学生掌握模板在滤波中的作用。同时，引导学生改变模板大小，启发他们观察滤波效果，思考其成因。此外，再让学生比较不同滤波器处理含噪声图像的结果，明确滤波算法的差异。采用本子模块教学，有助于他们加深理解空域平滑滤波过程。

(3)启发学生思考空域平滑滤波器的分类。学生在操作过程中会发现选择均值滤波器和中值滤波器时，对应的控件分布有差异，如图3(a)和(b)所示。学生通过比较它们的滤波过程，归纳得出空域平滑滤波器可分为线性滤波器和非线性滤波器，明确两类滤波器的特点。

(4)引导学习空域平滑滤波程序设计方法。“帮助”菜单栏中“实例演示”命令提供演示实例的窗口，如图4所示。“实例演示”界面使学生易于掌握关键的程序命令和空域平滑滤波的编程方法。此外，当学生修改部分代码时，软件将马上给出处理效果，这有助于启发学生思考代码和处理结果之间的联系，从而强化他们对理论知识的理解。

图4 “空域平滑滤波”子模块实例演示界面

4 结语

概括起来，本文开发的“图像信息处理”课程教辅软件具有以下作用:

(1)软件充分反映了教学知识点，具有很强的人机交互功能，有利于增强学生的学习兴趣。软件也便于教师有效组织课堂教学内容，开展启发式教学。使学生踊跃思考问题和质疑，提高他们参与教学的积极性，促进其自主构建知识。

(2)软件将教学内容、原理讲解、典型实例集成为一个有机整体，有利于学生课前预习、课后复习和自学。软件允许学生通过反复操作，开展探究学习，便于他们再现课堂学习过程，促进其牢固掌握理论知识，并逐步增强学生自学能力。

(3)软件提供演示实例的程序代码，有助于学生循序渐进地学习程序设计方法，激发学生掌握理论的程序实现方法，提高他们的编程应用能力。

［1] 曹永锋，苏彩霞.“数字图像处理”教学中提高学生主动性的探索［J] .北京:中国电力教育，2013，(13):101-102.

［2] 沈晓晶，池涛，王艳等.计算机专业数字图像处理教学体系及教学方法探讨［J] .长春:长春教育学院学报，2013，29(23):45-46.

［3] 吕勇，牛春晖，刘力双等.基于实践能力培养的《数字图像处理》课教学改革研究［J] .广州:现代计算机(普及版)，2013，(9):60-62.

［4] 刘忠艳，乔付，周波等.项目教学法在数字图像处理教学中的应用［J] .齐齐哈尔:高师理科学刊，2015，(2):75-77.

［5] 李巍巍.建构主义教学的热点与前沿的可视化分析［J] .上海:实验室研究与探索，2014，33(5):148-151.

［6] 柏均，闫红梅，张鸣等.Matlab在“数字图像处理”课程教学中的利弊分析［J] .南京:电气电子教学学报，2010，32(2):82-83，86.