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电子信息类专业课程设计的教学和
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16871/j.cnki.kjwha.2018.06.030
摘 要“专业课程设计”作为电子信息、通信工程及计算机科学等专业高年级本科生的一门重要专业实践课程在国内许多院校已广泛开设.本文从该课程的教学目标、教学内容、教学方法以及考核方式四个方面结合作者自身的教学经验对该课程的教学进行了研究与探讨.
关键词多媒体通信教学研究电子信息类
Teaching Research on Course Project for the Major ofElectronic and Computer Engineering // Qin Chuan
Abstract "Course Project" is an important professional practicecourse for the undergraduate students majoring in electronic information,communication engineering, computer science andother related fields, which is widely opened in many domestic universities.With the author´s own teaching experience, this paperstudies and discusses the teaching of this course from four aspects,i.e., teaching goals, teaching contents, teaching methodsand assesent methods.
Key words multimedia communication;teaching research;electronicand computer engineering
当今计算机技术和网络技术的飞速发展和普及,给人们的工作和生活带来了诸多的便利,有效提高了信息处理和传输的效率.多媒体数据,包括音频、图像、视频数据等,在平时的工作和生活中非常普及,数字信号处理技术近年来也发展迅猛,在学术界和企业里都获得了持续关注,也是其研发的热点.因此,在电子信息、通信工程、计算机科学等本科专业大三或大四阶段开设与数字信号处理相关的专业实践课程设计十分重要.在本篇论文中,笔者结合自己在上海理工大学光电学院针对通信工程专业本科生“专业课程设计”课程的教学体会,从教学目标、教学内容、教学方法和考核方式四个方面展开该课程的教学研究与探索.
1 教学目标
伴随科技的迅速发展,多媒体信号处理技术也不断更新换代.从早期的单纯文本信息的处理发展到现在的包括图像、音频和视频在内的数据的处理与通信,相关知识和技能对科学技术的进一步发展和日常的工作生活非常重要,且这方面的专业人才的就业需求不断攀升.电子信息类“专业课程设计”这门实践课程的教学目标主要是使学生掌握数字信号处理的基本知识并有实际运用的能力,其次是对数字信号处理领域最新的研究动态有一个全面和透彻的认识,为今后毕业从事数字信号处理算法的研发、设计和测试等工作打下一定的基础.
2 教学内容
常见的数字媒体信息一般包括文本、图像、图形,音频、视频、动画等.而目前人们的日常生活和工作中常用的信息有70%以上来源于图像视觉信息.为此,作为多媒体信息的典型代表,学习和掌握数字图像的处理技术是非常有必要的.在给大三、大四电子信息类专业高年级本科生开设“专业课程设计”时,可确定以数字图像为主要处理对象的算法设计和实现作为核心教学内容.数字图像处理包含的领域广泛,笔者在开设课程设计时,选择了以数字图像修复技术为设计目标的教学内容,具体安排如下.
（1）数字图像基本概念的建立.在开始进行课程设计之前,考虑到部分学生前期可能没有学习过数字图像处理的相关课程,故需要让学生建立起数字图像及其处理的一些基本概念.因此,这部分教学内容主要包括：图像在计算机中的表示和存储方式、图像的像素值、图像的分辨率、灰度图像和彩像的区别等.
（2）课程设计编程工具的掌握.可用于数字图像处理程序设计的编程工具有很多,常见的有Matlab 和Visual C++等.考虑到程序的运行速度和运行环境等原因,笔者选择了Visual C++ 作为该课程设计的开发语言.为此,这部分教学内容包括：Visual C++ 编程环境中工程的建立和打开、源文件和头文件、C++ 基本语法、条件和循环语句的使用等.
（3）图像函数库的安装与配置.与Matlab 类似的图像处理工具箱类似,在Visual C++ 环境下也有强大的图像处理函数库可以使用,如Intel OpenCV 函数库,提供了大量的常用的图像读写和显示、经典算法的例程和函数可以使用.为此,这部分的教学内容是如何在安装OpenCV 后对其进行配置：Windows 环境变量的配置、Visual C++ 环境的配置、工程的配置三个部分,使得可以在Visual C++ 下可以调用OpenCV中的函数.
（4）常见图像处理程序的设计.在Visual C++和OpenCV安装配置完成之后,为了让学生熟悉并较快上手图像处理程序的设计,安排了学生进行了简单的图像处理程序的编写训练.为此,这部分的教学内容包括：灰度和彩像的读取和显示、Iplimage 图像数据类型的了解、图像尺寸和颜色通道数的获取、图像数据的获取、图像亮度的调整、图像的几何变换、处理后图像数据的保存等.
（5）图像修复算法及程序设计.在掌握了基本图像处理函数的使用后,将开展本课程设计的核心内容,即图像修复算法及程序设计.为此,这部分的教学内容为首先调试成功OpenCV 自带的图像修复函数cvinpaint,接着指导学生设计自己的图像修复算法程序.设计算法时需要考虑的内容包括：损伤图像的产生（包括鼠标绘制、读取已有mask 两种方式）、图像损伤区域像素修复顺序的确定、如何利用损伤像素周围的邻域信息来进行修复、修复后图像的视觉质量（PSNR）的计算与cvinpaint 算法修复结果的性能比较等.
3 教学方法
首先,本课程的教学采用多媒体化的授课方式.通过利用PowerPoint 制作课件PPT,并插入丰富的素材,讲解数字图像的基本概念、函数库的安装配置步骤、修复算法的原理及中间结果展示,增加授课过程的生动性,同时也便于将抽象的概念通过直观、形象的方式进行展现,使得知识点便于理解.
第二,本课程的课件PPT 均上传至学校为专业课程设计建立的FTP 上.每门课程的FTP 学生可通过自己的学号登录,主要包含两个文件夹：资料下载区和作业上传区.其中资料下载区中为教师上传的课件资料、测试图像库、安装程序文件、可参考的代码等；作业上传区为学生上传各自的平时作业、实验报告、最终的演示程序代码等.学生对于资料下载区仅有下载权限,没有上传和修改权限；对于作业上传区仅有上传权限,没有下载和修改权限.
第三,本课程在上海理工大学光电信息与计算机学院开设为32学时或两周的短学期时间内完成.每部分的教学安排如下：课程设计内容介绍及数字图像处理基础知识回顾为2 学时,Visual C++ 语法及编程基本方法4 学时,OpenCV 函数库的安装配置为2 学时、基于Visual C++ 和OpenCV 的基本图像处理程序设计为4 学时,基于鼠标的绘图和交互功能设计为4 学时,图像修复算法设计及程序调试为12 学时,课程总结和设计成果演示与验收考核为4 学时.
第四,除由任课老师讲解课程内容和指导学生进行算法程序设计外,为了增加与学生之间的团队合作,专业课程设计的具体组织形式可为：每3-4 位学生分成一个小组,以小组为单位进行图像修复算法方案的讨论、资料和文献的查找、程序设计中的分工合作.这种分组合作的方式可培养和锻炼学生的调研能力和表达能力,也可有效增强学生之间的团队合作精神.
4 考核方式
具体的考核方式由以下四个方面来综合确定：（1）课堂表现；（2）书面实验报告；（3）设计算法程序的演示结果；（4）验收时回答问题情况.四个方面各占最终考核成绩的比重分别为：20%、25%、30%、25%.具体而言,课堂表现主要由出勤率和在算法设计中的投入度决定的.其中出勤率是学习时间的保证,因此是考核的最基本要素之一；作为实践类课程,在算法和程序设计中的投入程度反映了学生的学习态度和最终成果中的实际参与度.课程设计最终会让学生每人提交一份书面的实验报告,报告的内容包括：设计算法的流程图、基本思想和原理、具体步骤、实验结果、设计算法的优缺点、学习体会共六个部分.实验报告的情况是对学生专业知识的理解能力、动手查找资料的能力、专业写作和总结能力的体现.在该课程的最后阶段将对学生以分组为单位进行程序的演示和验收,演示内容包括对灰度和彩像的手动损伤和模板损伤两种模式的修复、与OpenCV 自带cvinpaint算法的比较、程序对于特殊损伤情况是否具有鲁棒性等,验收将根据各小组程序的运行结果情况给予不同等级的评估.另外,在以小组为单位的演示和验收的过程中,将会对小组中的每个成员进行该课程所涵盖内容的提问,让学生分别进行回答,如此可以体现出小组中每个成员的课程学习情况和对算法设计的实际贡献度,有效避免抱团浑水摸鱼的情况.
通过上面四个方面的评估打分统计并加权,可得到学生的该门课程的最终成绩.这种综合性的考核方式避免了传统仅以卷面成绩来评价的弊端,也克服了仅提交程序可能存在拷贝复制的不足,可较好地提高学生的进行课程设计的积极性,也较为客观地反映了学生课程学习情况.
5 结语
本文对“专业课程设计”的教学进行了深入的研究与探索.该课程主要针对电子信息、通信工程、计算机科学等专业高年级本科生开设,是一门专业性强、动手能力和创新性要求高的实践类课程.本文从教学目标、教学内容、教学方法和考核方式四个方面进行了研究：以培养学生以数字图像修复为例掌握数字信号处理技术为教学目标,在教学内容上由浅入深、层层递进,从基础概念到开发环境的安装配置、再从创新性的算法设计到程序的编写和调试、再到最后从实验总结报告的撰写到设计成果的演示与验收；采用分组讨论合作的形式以调动学生的积极性和增加团队合作；考核方式上采取多方面结果相结合的方式,全面客观地评价学生的学习成果.
今后将进一步深入探索该课程在教学中值得改进的方面,如在引入最新的人工智能和深度学习技术到该课程的学习和设计内容中来；另一方面可通过设计学生分组之间设计算法性能的比赛来进一步提高学生的学习积极性并激发创造力.
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