图像编程仿真的实验教学

张学军

摘要：本研究针对高校理工科专业电子信息学科本科生“数字图像处理”课程的课堂教学模式，运用互聯网+等现代信息技术手段实施互动型教学，并基于对照结果对其今后的发展和健全提出改善方案和建议，以期达到“金课”标准和要求。

1. 引言

数字图像处理这门课程的基本原理常常需要用抽象的数学表达式进行说明，学生不能形成直观感性的认识和理解。从掌握知识的规律而言应该是”百闻不如一见，百见不如一练“，但是数字图像处理程序编程语言多样，学生掌握的编程基础与技巧不一，很难在课堂上形成有效的知识传输体系【1-5】，不利于让学生在兴趣驱动下进行学习【6-8】。由此可见建立简单易操作的仿真实验非常重要。而图像因其数据量大，网络计算处理时延严重。本实验采用了网络编程与边沿计算相结合的方式，有效地解决了实时响应的难点，使学生能随时随地使用移动设备进行实验。

2. 课程功能设计

数字图像处理课程虚拟仿真教学实验的构建是借助网络技术、虚拟现实技术而形成的各种虚拟实验交互环境，实验者可以像在真实的环境中一样，学习课程的知识要点，完成各种预定的实验项目。该教学实验项目主要划分为学习体验模块、动手实践模块，以及课堂辅助模块三大类。学生能够仅仅使用普通手机就能进行全程实验，无需安装任何插件。在虚拟平台获取得实验结果必须最终回归现实环境，用真实的自选计算机语言来进行编程。相信该“虚实结合”的实验方式将成为未来数字图像处理技术教学的一个至关重要的环节。

通过基于网络软件技术构建的数字图像处理技术综合虚拟仿真实验，学生应该熟练掌握以下几个方面的基础知识：

（1）图像分割技术

（2）图像增强与复原技术

（3）纹理特征分析

（4）图像特征量的提取技术

（5）医学图像的格式

并且能够利用学习到的基本理论知识，使用系统提供的功能模块选项，对特定题目进行求解。比如圆形目标的提取，三维医学图像的建模等。该实验教学平台为学生提供了一种不受时间、地点、实验设备限制的虚拟实验环境，使学生能在互联网上以生动直观、经济、精确以及安全等特征的虚拟仿真教学，将课堂上抽象的内容具体化、形象化;使教师可以以更加开放的方式进行教学活动，从而提高实验教学的伸缩性和适应性，克服实验场地、实验器材、课时数、实验能耗等对学生实践能力培养的限制，为培养具备解决图像处理复杂性工程问题能力的本科人才服务。

3. 实验效果

项目面向实时虚拟仿真和远程在线虚拟仿真两种模式为学生提供不受时空约束的实验环境，整个综合虚拟仿真实验体系模拟了真实图像处理软件设计的编程方式，构建了流程图结构的“搭积木”式的虚拟仿真实验环境。针对《数字图像处理》课程的教学目标要求对其中的图像分割技术、图像增强与复原技术、纹理特征分析、图像特征量的提取技术、医学图像建模等要素开展虚拟仿真实验，通过三维建模、虚拟仿真、人机交互等技术，实时再现图像处理编程的每个过程场景，跟踪三维建模系统中每一步骤的动态过程，探究控制参数对图像处理性能的影响规律，然后回归真实的计算机编程。该虚拟仿真实验体系包括基本算法验证实验和2个综合设计实验。

如图1所示，在真实场景下图像处理的编程活动需要针对具体的编程语言平台以及操作系统。而该虚拟仿真平台模拟了通常使用的程序流程图结构，大大降低了学习图像编程的难度，让学生在虚拟的环境下快速掌握图像处理技巧。也提供了从虚拟平台到实际编程指导意见，最终在网上实验成功后再用实际编程语言去实现该功能。

4. 结语

鉴于在新冠疫情期间网上授课的要求，我们开发并投入使用的《数字图像处理》课程的网上数字图像处理系统平台，同学们可以根据自己的学习进度和要求使用浏览器进行正在讲授的图像处理各个知识点的实验，通过互动式网上系统选择不同的算法观察图像处理后的结果，加强对书本上各种函数，算法的理论理解。每节课上有约40位同学同时在线使用了该系统，程序运行正常流畅，达到预期效果。

参考文献

[1]MOOC中国化的困境与未来.腾讯新闻[引用日期2018-05-18]

[2]顾世民.计算机网络环境下自主学习模式与课堂教学模式的综合应用[J].外语电化教学，2007（3）：67-72.

[3]傅玲芳，杨坚定.基于网络多媒体大学英语教学模式的自主学习能力研究[J].外语与外语教学，2007（10）：36-38.

[4]顾世民.促进大学英语自主学习的课程因素研究[D].上海外国语大学，2013.

[5]李希.大学英语自主学习中学生对教师角色的期待[D].湖北大学，2012.

[6]张丽.慕课背景下我国大学英语教学改革的问题及对策[J].语文学刊（外语教育教学），2015（9）：135-138.

[7]王鉴，王明娣.大学课堂教学改革问题：生活世界理论的视角[J].高等教育研究，2013，34（11）：77-83.

[8]刘献君.论“以学生为中心”[J]. 高等教育研究，2012，33（8）：1-6.

基金项目

该研究受到2021年度广西高等教育本科教学改革工程立项项目“后疫情时代背景下"互联网+"课堂教学模式探索与实践一以电子信息工程专业为例” （项目编号：2021JGB121）;广西创新驱动发展专项“人工智能的交互式智能云音箱研发与产业化”（项目编号：桂科 AA21077007）的资助。