信号处理课程群可视化教学模式的研究

曲中水

（哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨150080）

信号处理课程群可视化教学模式的研究

曲中水

（哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨150080）

分析归纳了计算机专业信号处理课程群的特点，提出在传统教学模式下运用MATLAB实现可视化作为信号处理类课程新的教学模式.该模式包括抽象概念的可视化、算法的可视化、输入输出的可视化等3个方面的可视化.数字图像处理课程的教学实践证明，这种教学模式提高了教师授课的效率及学生学习的主动性.

信号处理；课程群；可视化

教学模式可以定义为是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序.作为结构框架，突出了教学模式从宏观上把握教学活动整体及各要素之间内部的关系和功能；作为活动程序则突出了教学模式的有序性和可操作性.教学模式通常包括理论依据、教学目标、操作程序、实现条件和教学评价5个因素，这5个因素之间有规律的联系就是教学模式的结构[1-3].

在信息类专业的课程设置中，各学校信号处理类课程的开设不尽相同.根据国家教育部对专业课程设置的要求，结合各高校的具体情况，信号处理类的课程一般包括信息论、信号与系统、数字信号处理、语音信号处理和数字图像处理等基本课程.这些课程都是针对信息处理的各个环节而设置的，如信号与系统针对信息的获取[4-5]；数字信号处理针对信息采集与处理技术；而对于信号的理解与识别技术，开设了语音信号处理[6]及数字图像处理[7-8]等课程.这些课程的教学内容在理论与实践中有着密切的内在联系，因此，利用此联系可以科学地构建成信号处理群这一新的课程体系.我校的计算机专业是信息类专业之一，针对专业特点，在教学计划中开设信号处理类的部分课程是信息技术行业创新人才培养的需要.

1 信号处理课程的特点及难点分析

1.1 数学基础广泛

主要涉及高等数学、线性代数、工程数学和计算方法等课程.因此，在理论教学中部分学生缺乏这些准备知识，如果教师不能提出恰当的要求，并采取适当的教学处理方法，这些工具性知识会成为学生学习的障碍，甚至造成学生学习上的畏难情绪，影响教学效果.

1.2 抽象算法多

处理媒体信息如声音、图像的数学模型复杂，推理过程是在数学体系下完成的.因此，在理论教学中学生不易把握其内涵.在例题讲解上也给教师增加了很大的难度.

1.3 实践要求高

信息处理能否可视化是使教学过程变枯燥为生动的主要问题.因此，在理论教学中容易演变为数学课程的延伸，失去了信号处理课程的本质.

因此，在传统教学模式下研究可视化问题将成为信号处理类课程的新的教学模式.

2 可视化教学模式的研究

由信号处理课程的特点及教学中存在的难点分析可见，信号处理类课程教学中的可视化问题包括抽象概念的可视化、算法可视化和输入输出可视化3个方面.

从课堂知识讲解、课堂实例演示和实践3个环节着手建立可视化教学体系.前2个环节是理论教学中在知识讲解的同时，紧密结合教材内容开发课件，在讲解原理算法的同时，给出丰富的图示实例；实践环节可以分为：验证性实验、综合性设计性实验和课程实习3个层次.验证性实验是理论教学的延伸，是教学内容的深入理解过程，只需要学生掌握基本的编程方法，根据提供样例通过简单编程实现基本的处理方法；综合性设计性实验是对一个教学环节的小结性练习；课程实习是包含整门课程的基础知识和编程技巧的一个大作业，其中有很大一部分空间是让学生自我发挥的，这是对学生综合运用所学知识解决问题能力的一个考查.如果课时允许，可适当开设综合性设计性实验和课程实习.

3 数字图像处理课程教学中的可视化教学模式

信号处理课程涉及的课程较多，且开设在不同的学期，而数字图像处理是一门综合性和理论性较强的课程，一般开设在大学本科阶段的第7学期.教学内容是应用信号与信息处理课程的理论分析和解决数字图像处理和分析领域的实际问题，因此选择该课程进行教学设计具有一定的代表性.以数字图像处理课程为例，说明教学中的可视化教学模式，即在传统教学模式下灵活运用MATLAB，用MATLAB实现可视化问题将成为数字图像处理课程的新的教学模式[8].

数字图像处理课程是一门重要的信号处理课程，处理对象的信息载体为数字图像文件.数字图像处理课程的特点是基本概念比较抽象，数学公式推导较为繁琐，涵盖的研究应用领域也很广泛.学生如果没有一个感性认识，接受起来就比较困难，容易失去学习兴趣.据研究，一般本科教学计划开设在第6，7学期，本科阶段的主要内容可分为5个方面[9-10]：

（1）数字图像处理方法理论有2种，即空域法和频域法.这2种处理方法为后续的数字图像处理奠定了基础，是数字图像处理课程的基石.

（2）数字图像的增强.可采用空域方法和频域方法进行灰度图像和彩色图像的增强，可采用的具体技术有直接灰度变换、直方图修改技术、空域滤波和频域滤波等.

（3）数字图像的恢复.可采用空域方法和频域方法进行灰度图像和彩色图像的恢复，可采用的具体技术有空域滤波和频域滤波等.

（4）数字图像的编码.可采用的具体技术为基于熵的统计编码、预测编码和变换编码.

（5）数字图像的分割.可采用梯度算子的方法进行边缘检测作为分割的前提，在检测的基础上进行图像算法的理论研究.

根据5个方面的内容，可将理论教学的可视化内容分为图像变换、图像增强、图像恢复、图像编码和图像分割五大模块[9-10].

例1 在数字图像处理课程设计中，直方图的曲线拟合分析结果可以作为图像质量评价的扩展标准，基于直方图拟合的理想图像增强质量评价问题的图像见图1，其中图1a是256×384×3的RGB模型的彩色图像；图1b是图1a的256色量化的结果图像；图1c是图1b的拟合曲线；图1d是原始图像的灰度化结果图像Y；图1e是Y的直方图；图1f是图1e的拟合曲线.

图1 基于直方图拟合的理想图像增强质量的评价结果图像

不同噪声强度的图像增强质量评价问题的图像见图2～4.

图2 基于直方图拟合的含噪图像（脉冲噪声强度为0.002）增强质量的评价结果

图 3 基于直方图拟合的含噪图像（脉冲噪声强度为0.02）增强质量的评价结果

图 4 基于直方图拟合的含噪图像（脉冲噪声强度为0.2）增强质量评价结果

由图2～4可知，随着噪声强度的增减图像的质量下降可以用直方图的拟合曲线表示，增加说服力，有助于学生的深入理解.对于验证性实验部分，对于本科学生来说，多数学生的编程水平有限，数字图像处理实验内容多，任务量大，有的难度高[11].因此，精心地设计适合本科学生使用的实验教学内容是决定数字图像处理课程开设成功的关键之处.

4 结论

综上所述，计算机专业开设信号处理课程是信息技术行业人才需求的要求，考虑到计算机专业的专业特点，研究并应用可视化教学模式能使教师的授课由浅入深，结合实例，更加生动，提高了课堂学习的效率.系列实验课程的设置使学生自己动手将复杂的算法和深奥的公式以图形、图像的形式展示，在轻松愉快的学习气氛中逐步领会信号处理技术的魅力，提高了学习的主动性.

参考文献：

[1]胡新荣.基于任务驱动式教学的计算机专业人才培养模式[J].长江大学学报：自然科学版，2008（1）：335-337

[2]孙岱，谢锴.非计算机专业“C++程序设计”教学方法与体会[J].计算机工程与科学，2014，36（A2）：259-261

[3]张铁军，贾银江.计算机专业学生编程创新能力的培养研究[J].高师理科学刊，2015，35（5）：89-91

[4]马英辉.可视化教学法在“信号与系统”教学中的运用[J].中国电力教育，2013（4）：71-72

[5]金波.基于Matlab 的“信号与系统”实验演示系统[J].实验技术与管理，2010，27（12）：104-107

[6]罗敏娜，蔡云凤.MATLAB在数字语音课程教学中的应用[J].沈阳师范大学学报：自然科学版，2015，33（3）：400-404

[7]贾永红.“数字图像处理”课程的建设与教学改革[J].高等理科教育，2007，71（1）：96-99

[8]张坤华，纪震.“数字图像处理”可视化教学体系探索[J].电气电子教学学报，2007，29（1）：113-115

[9]张智高.数字图像处理演示系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2012：21-43

[10]郑君理.信号与系统[M].2版.北京：高等教育出版社，2012：70-89

[11]姚敏.数字图像处理[M].2版.北京：机械工业出版社，2012：65-67，196-200

Research of visual teaching mode of signal process course series

QU Zhong-shui
（School of Computer Science and Technology，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

After analyzing and summarizing the same characteristic of the signal process course series of computer specialty，it raises the realization of visualization by using MATLAB as the new teaching mode under the traditional teaching mode that involves three kind of visualization such as the abstract concept visualization，the arithmetic visualization and the in-out visualization.The teaching practice of digital image processing proves that the mode advances the teaching efficiency and study initiative.

signal process；course series；visualization

TP391.4∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.023

2016-09-10

哈尔滨理工大学教学研究课题项目（200800019）——TRIZ理论在信号处理课程教学中的应用

曲中水（1971-），男 ，山东龙口人，副教授，硕士，从事信号与信息处理研究.E-mail：zhongshqu@hrbust.edu.cn

1007-9831（2016）12-0088-05