信息处理综合实验情感化设计与实践

蔡利梅，徐剑韬，李 剑，张晓强

信息处理综合实验情感化设计与实践

蔡利梅1,2，徐剑韬1,3，李 剑1，张晓强1

（1. 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 电工电子国家级实验教学示范中心，江苏 徐州 221116；3. 西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071）

为提高实验教学效果，将“情感化设计”理念引入信息处理综合实验教学中。充分考虑技能培养和情感需求，精选综合实验项目；通过情感输入、团队合作、设计实现、总结反思4步骤组织教学，在训练与巩固专业技能时，充分发挥个人的价值诉求与情感认知在主动学习中的重要作用。实践证明，该方法能有效激发学生的学习积极性，提高学习效率，培养学生良好工作、生活、行为意识，达到技能锤炼、工程意识培养、价值意识塑造的目的，实现教学育人一体化的教育理念。

信息处理；综合实验；情感化设计；教学育人一体化

教育是根据社会时代发展和未来的需要，有目的、有计划、有组织、有系统地引导受教育者获得知识技能、陶冶思想品德、发展智力和体力的一种活动[1-3]。我校电子信息工程专业培养方案以“注重基础，知识、能力、素质协调发展”为指导思想，以“夯实基础、拓宽口径、突出能力、强化实验”为教学实验目标，创新人才培养机制，培养学生基本素养、专业理论、工程技术和实验创新能力。

基于时代发展及专业培养需要，信息处理综合实验课程组成员分析了课程中存在的问题，结合课程的性质和特点，基于情感化设计理念精选实验项目，重新设计教学内容与组织教学活动，引入工程意识、创新意识培养，通过这些载体实现环保、节能、效率、协作、安全等价值观的输入，进一步强化专业知识的认识理解与行为一致性育人理念。

1 目前信息处理综合实验存在的问题

电子信息类专业面宽，学生学习了相关的基础课程，但课程内所学仅限于单科知识，因此对于这些知识在具体工程中的综合应用、彼此之间的连接关系了解不够，缺乏一条贯穿知识点的主线。进行综合实验，有利于巩固基础，加强对信息处理系统的整体理解，锻炼并提高学生解决实际问题的能力。

但在教学实施过程中，存在强化技能训练、教学组织方式单一等现象。一般由教师发布实验题目，学生自主设计，缺乏有效的激发学生热情的措施；学生为完成设计而实验，为完成技能要求而训练，按照教师要求做，并不思考为什么做、目的是什么，导致设计方案不灵活，不会主动去围绕目标改进方案，缺乏工程训练意识和创新训练动力。从实验题目的选择到实验结果考核，只重视理论知识应用成效，弱化认知行为协调性的素质要求，难以做到知识、能力、素质协调发展培养要求。

这些问题的出现，根本原因在于忽略了学生作为学习主体，个人的价值诉求与情感认知在主动学习中的重要性[4-11]。因此，综合实验教学既要注重技能训练与巩固，也要注重“情感化”输入实现。情感化设计理念常用于产品设计之中，认知心理学家唐纳德·A·诺曼提出情感化设计的3个层次[12]：本能层，即通过视觉感的美好，在情感层次给用户的抚慰，有助提高工作效率；行为层，即用户和产品交互的动态过程中获得的成就感和爽快感；反思层，即用户由前2个层次的作用，在内心产生的更深度的情感、意识和理解。如果能够把综合实验教学融入情感设计理念，将有助于提高学生学习热情和学习收获感，实现教学育人一体化理念。本文将“情感化设计”理念引入信息处理综合实验教学中，在进行专业知识教学的同时，提高学生的学习效率、成就感及深化认知，实现育人目标。

2 综合实验情感化设计

从实验选题、实验教学模式设计与实践2个方面，围绕情感化设计的3个层次要求实现设计。

2.1 信息处理综合实验选题

首先，综合实验选题应满足培养质量要求，本科电子信息类教学质量国家标准明确要求，信息专业类学生应具有分析、提出方案并解决电子信息领域理论或工程实际问题的基本能力。专业综合实验是强化该基本能力的有效途径，也为信息处理综合实验项目选题指明了方向。实验选题应能够有效培养学生工程意识、创新意识，实现专业技能性要求，因此，实验选题应结合工程或应用背景，围绕社会生产、生活的各个方面展开。工程问题一般具有较好的综合性，目的明确，有助于学生从工程的角度思考问题，开放性思维，关注实际应用对知识技能的需求，了解所学应如何应用。

其次，实验选题应具备“情感”因素，以提高学生学习的主动性。从心理角度讲，若认为做某件事有意义、有价值、有必要，那么工作、学习的效率会提高，因此，实验选题应融入认知方面的情感信息。实验选题围绕环保、节能、效率、协作、安全等现代崇尚的价值观展开，让学生意识到自己的工作带来的精神文明、技术进步和社会经济效益，提高学生对专业、实验以及未来就业的认同感、使命感，满足个人的价值诉求和情感认知，以提高学习热情。

基于以上2点要求，结合现有资源、办学特色、易于教学组织等条件，本校信息处理综合实验以“节能教室的设计与实现”“交通违章视频检测”“煤矿安全智能处理系统”“基于视频监测的6S管理系统开发”作为信息处理综合实验项目载体，除了锻炼专业技能外，还培养绿色节能、行为规范、安全、效率、制度和协作意识。

2.2 信息处理综合实验教学模式设计

实验教学模式设计采用情感化输入、团队合作、设计实现、反思总结4个环节来组织完成。

实验组织的第一个环节是让学生体会到实验中的情感信息，激发学生学习的热情及解决问题的使命感。在实验中，教师收集了视频、图片等相关资料，进行数据分析，阐明要解决问题的必要性；题目中融入的多种情感意识，若有一种能给学生以触动，根据对课题意义的认同感选择感兴趣的题目，是一个良好的实验开端。

实验组织的第二个环节是组织合作团队，由于综合实验综合性强、工作量较大，采用团队合作方式，根据个人特长承担分解任务，培养协作能力。

设计实现过程中，做好进度安排及督导，保质保量完成。实验结束要进行全面分析总结。学而不思则罔，从认知、行为、技能等方面总结反思，强化内心产生的更深度的情感、意识和理解。

3 信息处理综合实验情感化设计实践

本文以基于视频检测的教室智能灯光控制设计为案例，阐述基于情感化设计的信息处理综合实验教学实施的4个环节。

3.1 案例的总体设计

本案例针对高校教室人走灯不关的现象，基于视频检测教室是否有人，在无人情况下自动控制灯光关闭，达到降低电力浪费、节约能源、提升校园智能化水平的目的。

实验选题致力于解决具体的问题，具有较好的实用性和工程性。采用的方案包含视频采集、传输、处理、存储、控制5个环节，涉及硬件系统构建、软件设计、算法设计与实现等技术，综合性强。方案框图见图1，要求能够实现基本功能，可以在实时性、合理性和降低系统能耗等方面扩展。

图1 基于视频检测的教室智能灯光控制方案框图

在选题前带领学生观看灯火通明的教室空无一人的图片、视频，计算电量消耗数据以及发电中带来的污染等数据，阐述信息处理技术在其中能够发挥的作用，使学生充分理解专业技能的社会效益，同时间接培养了节约意识、学以致用的观念，实现情感化输入。

3.2 模块划分与团队合作

根据设计方案，将整个实验分为视频采集、数据通信、视频处理、终端软件4个模块，一个实验小组4个人，集体讨论具体方案、设备选型、各模块之间的通信，每人负责一个模块设计，最后形成一个完整的实验。

3.3 设计与实现

设计与实现可以根据学生个人和团队对题目的理解，采用不同的方案来进行。在实验进行中，有一组学生采用了以下设计方案：

采用iTOP4412实验开发板作为核心硬件平台，30 W动态分辨率的USB网络摄像头作为视频采集设备，嵌入式操作系统采用ARM Linux系统，视频采集框架采用V4L2视频采集库，算法实现采用了开源视觉库OpenCV，与上位机通信采用了UDP协议，上位机界面采用C#实现。

3.3.1 视频采集模块设计

采用V4L2的API来进行视频采集。V4L2是针对UVC免驱USB设备的编程框架，用一系列的回调函数来实现诸如设置摄像头的频率、帧频、视频压缩格式和图像参数等。

3.3.2 通信模块设计

案例中需要传输大量图像数据，且在实际应用中需要远距离多节点通信，因此采用传输速度较快的UDP通信协议实现开发板和上位机之间的通信。

发送数据流程如图2所示。在接收端采用与上述形式相反的编程方式，使获得的数据可以正确地还原。

图2 发送数据流程

3.3.3 视频处理模块设计

视频处理模块是本案例的核心，在方案设计中，教室检测到人则开灯，无人自动关灯，因此，视频中人员目标检测是关键。视频处理模块方案如图3所示。

图3 视频处理模块方案

若视频光照过弱，说明教室无人，不需要关灯，则不进行检测。光照强度检测通过统计视频数据中分量的平均值，设定阈值来实现，方法简单，排除一部分视频的检测，降低计算量。

教室前景目标通常是自习或听课的学生，属于静止或移动缓慢的目标，很有可能在过一定的时间之后融为背景，导致系统无法检测前景，本案例中根据前一帧最终检测结果来判断像素是否更新。

对于当前帧图像像素，根据颜色扭曲度和亮度边界在Codebook中搜索与之匹配的码字，没有搜索到，则判定为前景；搜索到匹配码字，且不在前一帧检测区域内，则更新背景。遍历图像，逐一判断。测试结果如图4所示。

图4 codebook背景建模检测结果

对当前检测到的前景区域进行连通域检测和分析，统计各连通域的面积，若面积小于阈值，认为不是目标区域，则舍弃，避免误检。

3.3.4 上位机设计方案

案例中上位机界面采用Qt设计，具有选择教室、查看实时场景画面、自动和手动控制灯光2种模式以及整体关闭控制。

如果系统需要让某盏灯亮，则相对应的正方形颜色变为黄色，熄灭时为浅色，如图5所示。

图5 上位机UI界面

3.4 分析与总结

在实验完成后进行分析，有助于发现问题，实现反思与真正的提高。

首先是进行技术分析。基于数据从运行效率、传输速率、检测准确度等方面分析系统的性能，明确导致性能不高的原因，确定解决的思路。结合性能分析结果，分析方案的合理性，给出修正方案的思路。结合实际情况，分析系统的扩展，完善系统的功能。

其次是进行认知分析。将实验的过程进行条理化分析总结，应用工程性思考方式分析实验中的得与失，总结经验。在实验环节中，学生已经体验了认知、思考、实验、分析等过程，进行认知分析，帮助学生理顺、强化认识。

4 结语

教学是一门艺术，承载着知识传授、技能培养、价值意识塑造等美好期望，良好的教学方式设计能起到事半功倍的效果。信息处理综合实验，融合信息获取、处理、传输、存储等方面的知识，涉及包括数学基础、数字信号处理、识别、通信、ARM、Linux、编程语言等在内的多门课程，是了解课程内所学知识在具体工程中的综合应用以及彼此之间的连接关系，培养分析、提出方案并解决电子信息领域工程实际问题的基本能力的关键教学环节，在教学中具有举足轻重的地位。本文将情感化设计引入信息处理综合实验，通过情感输入、团队合作、设计实现、总结反思的教学模式，实现技能锤炼、工程意识培养、创新思维训练与认知行为和谐发展的教育功能。实践证明，该方法能有效提高学生学习热情、提高实验效率，培养学生良好工作生活行为意识。

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Emotional design and practice of information processing comprehensive experiment

CAI Limei1,2, XU Jiantao1,3, LI Jian1, ZHANG Xiaoqiang1

(1. School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Electrotechnics and Electronics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

In order to improve the effect of experiment teaching, the concept of "emotional design" is introduced into the comprehensive experiment teaching of information processing. The skill training and emotional needs are fully considered, and comprehensive experimental projects are selected. Through the four steps of emotional input, teamwork, design realization, summary and reflection, the teaching is organized, and full play is given to the important function of personal value appeal and emotional cognition in active learning when professional skills are trained and consolidated. Practice has proved that this method can effectively stimulate students’ learning enthusiasm, improve learning efficiency, cultivate students’ good work, life and behavior awareness, achieve the goal of skill training, engineering awareness training, value awareness shaping and realize the educational idea of integration of teaching and education.

information processing; comprehensive experiment; emotional design; integration of teaching and education

TP 391; G642.0

A

1002-4956(2019)09-0211-04

2019-01-12

国家自然科学基金项目（61501465）；中国矿业大学2017年校“精品课程”项目（2017JPPY03）；中国矿业大学“十三五”品牌专业建设资助项目（电子信息工程）

蔡利梅（1977—），女，河南安阳，博士，副教授，研究方向为信息处理、图像处理、模式识别。

E-mail: cailimei@cumt.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.054