图像工程课程群实验体系构建与实践

蔡利梅，李　剑，王利娟

(中国矿业大学　信息与电气工程学院，江苏　徐州　221116))



图像工程课程群实验体系构建与实践

蔡利梅，李剑，王利娟

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221116))

摘要图像工程技术是现代信息处理技术的研究热点。为增强图像工程课程群建设实践效果，提出并构建了“三阶梯、五层次”的塔式图像工程课程群实验体系，详细描述了塔式图像工程课程群实验体系的建设思想、内容和实现过程。实践证明，该实验体系的构建显著提高了图像工程课程群的实践教学效果，增强了学生的综合工程素质，有助于实现卓越工程师的培养；同时，对于教师教学也有很好的促进作用。

关键词图像工程；课程群；实验体系；构建与实践

图像工程是一门系统地研究运用各种图像理论、技术和设备的综合应用学科，相关技术是现代信息处理技术的研究热点，应用范围已非常广泛。目前信息专业所开设的图像处理、图像通信、模式识别、计算机图形学实际上都是图像工程技术中的不同方面。因此，提出了将这4门课程实验体系一体化，进行综合性建设，使学生最大限度地理解掌握图像工程学科体系的相应知识，保证和提高教学效果。

1图像工程课程群体系建构的背景

为促进学生学习，众多教育工作者提出了多种具有创新性的实验教学方法。文献[1]通过实验项目的设计实现隐形分层教学；文献[2]介绍了基于DSP的数字图像基本处理实验教学；文献[3]探讨了信号与信息处理课程群教学改革；文献[4]构建了信号处理课程群三平台、五层面的实践教学模式；文献[5]针对信息理论与编码课程实验教学，提出单独设课，建立层次化实验内容等方法；文献[6]则提出了以“项目为中心”的实验实践教学体系等。图像工程课程群建设中，需要强化培养学生的工程能力和创新能力，对实践环节提出高要求。

综上所述，中国矿业大学信息与电气工程学院结合图像工程课程群特点，综合考虑培养卓越工程师的教学目标，经过实践摸索，依托校信息工程实验中心，提出并构建了“三阶梯、五层次”的塔式图像工程课程群实验体系，强调“厚基础、重综合、强创新”，注重渐进提高，辅以过程考核，提高学生的图像工程技术水平，达到实践教学的目的。

2“塔式”图像工程课程群实验体系建设的原则

有3个原则：1)注重基础能力培养；2)注重递进性，包含内容递进、深度递进和综合性递进，使学生逐步提高，避免实验内容过易或过难，造成时间浪费或因望而生畏而放弃；3)注重自适应性，综合考虑不同基础、不同兴趣学生的学习需求，既要保证学生能够完成实验，也要避免因简单而不感兴趣。

3“塔式”图像工程课程群实验体系模式

综合以上建设原则，针对图像工程课程群特点，设计了金字塔式的实验体系。

3.1底层

底层是基础性实验，分演示型、基本型设计和复合型设计实验3层。注重基础能力的培养，充分体现基础性、递进性和自适应性，即“厚基础”。

3.1.1演示型实验

演示型实验针对刚接触课程的学生，是整个实验体系的最底层，属于演示、验证型实验。刚接触课程的学生，对理论基础不够熟悉，对仿真工具在各课程仿真中的应用也不熟练，直接进行设计型实验是不现实的，通过教师演示、进行验证型实验更为合适。

演示型实验内容是所学习课程的最基本算法验证，可以在课堂进行，以教师演示为主，通过演示，加强学生对基本算法原理的理解，初步接触算法仿真程序设计，同时对算法效果有初步认识。演示型虽然简单、基础，但对初学者效果显著，是整个实验环节中不可或缺的部分。

在图像工程课程群实验建设中，针对群内课程，设计了教学演示软件，如图1所示。实现了对各基本算法的仿真设计与效果演示，并在教学中取得较好效果。

3.1.2基本型设计实验

基本型设计实验是整个实验体系的第二层次，在课程进行约一半时在实验室进行。经过一段时间的学习，学生对于课程、仿真已经有了一定的了解，适当提高实验的深度更有利于学生的学习。

图1　图像工程课程教学演示软件示意图

基本型设计实验内容是针对某一具体目标，由学生自己选择算法来实现。如在图像处理实验中，给出受噪声污染的图像，由学生自己分析、选择滤波方法并设计程序；给出质量较差的图像，由学生通过分析、选择增强方法并设计程序；在模式识别实验中，给出特征数据，由学生自己分析选择模式分类器并进行设计。基本型设计实验内容难度不大，但通过实验，可以加深学生对各个知识点的理解，同时提高学生对于所学知识的全面认识。

基本型设计实验保证学生对基本知识的掌握，为以后逐步提高奠定基础。

3.1.3复合型设计实验

复合型设计实验是整个实验体系的第三层次，在课程后期课后进行。通过前期学习和实验，学生对于课程知识、仿真方法已有较全面的了解，需要进一步提高实验的综合性以便加强知识的融会贯通。

复合型设计实验重点在于要求综合运用课程内多个知识点来完成设计要求。如给出含有车辆、人物或特定目标的图像，要求实现目标分割，则需要学生充分利用图像平滑、增强、锐化、分割等多方面的技术，锻炼学生灵活应用所学知识、综合考虑问题的能力。如图2所示为实验中的一个简单的复合型设计，要求对图2(a)实现文字分割，一种常规的方法需要平滑去噪、灰度化、二值化、投影、分割等方面的算法。

图2　复合型设计题目示例

复合型设计实验主要采用课程小设计的方法进行，设计题目具有一定的层次性，学生根据自身情况自主选择。如简单的采用几何变换、代数运算的合成图像生成；复杂一些的如人脸检测、车牌定位分割。设计题目难易程度不一，学生可以根据个人兴趣、愿望以及编程能力自由选择，甚至自拟题目，充分考虑学生的主观性，构建一个宽松的实验氛围，使得每个人都可以在原来的基础上得到相应的提高。

演示型实验、基本型设计实验和复合型设计实验构成整个基础性实验框架，扎实的基础对于学习至关重要，因此，基础性实验采用由浅入深、逐渐递进的设计方法，在整个实验体系中占较重比例。3个层次的实验难度、深度、综合性递进，使得学生的能力逐渐提高，为以后进行综合性实验及创新性实验奠定基础。

3.2中层

中层是综合性实验，包括基于硬件环境和软件编程两个方面，加强综合性练习，即“重综合”。

群内课程结束后，综合群内课程知识，进行综合性实验。实验题目由教师指定或自拟。根据课程群的特点，综合性实验从内容设计上主要包括图像处理识别、图像处理传输、图像处理传输识别或图像处理识别传输3个方面，要求所设计的系统符合其中一种。从工具应用上包括基于软件编程的综合实验和基于硬件环境的综合实验两个方面，由学生根据个人爱好或特长选择。基于软件编程的综合实验可以采用Matlab或者VS进行；基于硬件环境的综合实验采用TMS320C54系列DSP硬件实验装置进行。实验方式采用团队合作方式，每一小队由3～5名学生组成，以学生独立设计为主，教师指导为辅完成实验。

综合实验对学生的学习和能力的培养具有重要意义。1)综合实验综合了多门课程的知识点完成一个设计任务，使得学生了解知识点彼此之间的关联，增强学生对知识的综合性、系统化理解。2)通过综合实验引导学生去完成一个小系统，虽然设计内容不一定很复杂，但‘麻雀虽小五脏俱全’，学生需要完成选题、选择工具、查阅资料、确定方案、模块化设计(以便分工合作)、编程调试、撰写报告等多项任务。通过这个过程，使学生了解应该如何去完成一个具体的项目，为以后的工作和研究打下基础。3)采用团队工作方式，锻炼学生的协调、分工、合作能力，提高学生的综合素质。

3.3高层

高层为创新性实验，涵盖大学生创新训练项目和毕业设计，突出创新性培养，即“强创新”。创新性实验作为图像工程课程群实验体系的最高层，主要是面向对图像工程感兴趣或准备进行深入研究的学生。实验方式主要是学生自主进行的“大学生创新训练项目”、统一的毕业设计环节以及参与教师的科研项目。这些项目是综合性实验内容的进一步提升，能充分培养学生对专业知识的应用能力、解决问题的能力。

3.4实验考核方法设计

考核是一种有效的督促手段，有助于帮助学生克服惰性，增强实验效果，因此，在实验体系建设中，也要充分利用考核方法的优点，围绕整个实验体系的建设原则，针对不同的实验阶段，分别制定合理的考核方式：基础性实验伴随课程进行，其考核跟随课程考核，根据设计方法性能优劣考核；综合性实验可采用团队考核，根据设计方案的可行性、设计结果的有效性、报告的规范严谨性确定团队成绩；创新性实验则根据不同的项目由指导老师评定。

4实验教学效果

所设计的塔式图像工程课程群实验体系，既保证了基础知识的锻炼，同时注重学生能力的逐步提高以及专业素质培养。经实践应用，取得了较明显的效果。看到自己所设计的实验程序效果，学生有明显的成就感，提高了对图像工程技术的兴趣，相当一部分学生在毕业设计环节直接选择了相关方向的课题。工程创新实践能力有所提高，自2010年以来，共有10余项图像工程方面的毕业设计被评为校级优秀毕业设计，其中2项获江苏省普通高等学校本专科优秀毕业设计奖。

5结束语

由于图像处理、图像通信、模式识别、计算机图形学是图像工程技术中的不同方面，课程研究内容相关，联系紧密，在图像工程中交叉应用，因此，把4门课程群化，进行综合性优化建设。实验是图像工程课程群中的重要环节，经过实践摸索，依托校信息工程实验中心，提出并构建了“三阶梯、五层次”的塔式图像工程课程群实验体系。强调“厚基础、重综合、强创新”的实验教学思路，注重渐进提高，辅以过程考核，提高该课程群的教学效果，强化学生的综合工程素质，有助于实现卓越工程师培养。

参 考 文 献

[1]李庆嵘.《数字图像处理》实验中隐形分层教学的应用[J].实验科学与技术，2013，11(4)：240-242.

[2]施帮利，韩武红，杨奕.基于DSP的数字图像基本处理实验教学探讨[J].中国电力教育，2013(10)：171-173.

[3]欧阳华，杨忠林，李辉.“信号与信息处理”课程群教学改革研究[J].中国电力教育，2013(19)：70-71，77.

[4]王艳芬，张剑英，张晓光，等.信号处理课程群实验教学体系的构建[J].实验室研究与探索，2013，32(4)：132-134，139.

[5]胡康秀，王兵贤，王泽文.信息安全课程群中《信息理论与编码》课程实验教学探索[J].东华理工大学学报(社会科学版)，2013，32(1)：84-86.

[6]张华卫，蒋占军，王紫婷，等.以项目为中心的电子技术综合型实验体系改革[J].实验室研究与探索，2013，32(6):168-170.

Construction and Application of Image Engineering Course Group Experimental System

CAI Limei，LI Jian，WANG Lijuan

(SchoolofInformationandElectricalEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Xuzhou221116，China)

AbstractImage engineering is a hotspot in the research of modern information process technologies.In order to enhance the effect of practice in image engineering course group construction，a pyramidal experimental system with tri-ladder and five-levels was proposed and constructed.The experimental system emphasizes deep foundation，comprehensiveness and innovational，focuses on developing the students’ abilities gradually，and exams during exprements.In the paper，the pyramidal experimental system construction’s way，content and implementation were described detailed.Practice shows that the construction of the image engineering course group experimental system has achieved remarkable results.It strengthens the students’ overall qualities which will help to mould a student into a brilliant engineer，and it promotes teaching properly.

Key wordsimage engineering; course group; experimental system；construction and practice

收稿日期:2015-01-10

基金项目：江苏省高等教育教改立项研究课题基金(2011JSJG273)；中国矿业大学信息电器工程学学院卓越工程师计划教学改革基金——“图像工程课程群建设与创新性人才培养”。

作者简介：蔡利梅(1977-)，女，博士，副教授，主要从事图像处理与识别的教学与科研工作。

中图分类号G642.423；TN911.73

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.032