以学生和科研项目为案例驱动的多媒体技术课程内容和教学方法研究

2019-10-23张振花李慧盈杨瀛涛

计算机教育 2019年10期

张振花，李慧盈，杨瀛涛

（吉林大学计算机学院，吉林长春 130012）

0 引言

多媒体技术课程是计算机及其他相关专业的专业课，该课是理论与实践相结合很强的一门课程[1-2]。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，多媒体技术成为信息技术领域发展最快、应用最广的一门技术。作为计算机类及其相关专业的专业课，其课程内容应随着其应用的发展而做相应的调整。再者多媒体技术这门课理论性和实践性都很强，因此为了让学生能对每种媒体的原理和应用都有所了解，设置合适的教学案例很重要[3-4]。以学生本人的照片为教学素材，拉近教学与生活的距离，成为吸引学生兴趣的驱动力。将科研项目作为教学案例，既可以吸引学生的注意力和兴趣，又能开拓学生的视野，为今后进一步的学习或者工作奠定基础。

1 课程内容的改进

以前多媒体技术的教材和课件过多涉及硬件部分知识，这部分内容由于在低年级时所上的其他专业课中有所涉及，因此在此舍弃大部分硬件内容，加入学生易混淆的各种媒体之间的对比，引进非可见光成像的图像部分内容以及目前比较火的数据可视化技术内容。

1.1 颜色知识独立成章

颜色这部分内容在其他的教材或课件中，只在图形图像那一章简单提及或者根本没有。颜色本身是一门很复杂的学科，涉及物理学、生物学、心理学和材料学等多种学科。因为颜色是人的大脑对物体的一种主观感觉，所以用数学方法来描述这种感觉是一件很困难的事，因此出现了很多有关颜色的理论、测量技术和颜色标准，但迄今为止还没有一种人类感知颜色的理论和表示方法在各种领域被一致接受。

鉴于颜色这部分内容的复杂性和在多媒体中的重要性，将其作为单独的一章比较系统讲解更为合适，有助于学生今后对其他媒体的理解和学习。

1.2 非可见光成像原理

一般教材或者课程在图像这章关注的都是可见光成像，图像的像素值是图像中物体的颜色或者亮度。但是医学、军事、航空等领域存在的图像不是可见光图像。例如医学领域的X 射线图像、CT 图像、核磁图像、B 超图像等。这类图像的像素值并不代表颜色。除了医学图像之外，还有红外成像、激光雷达成像、遥感成像等均是非可见光成像。

图1 X 光图

图2 脑部CT 图

我们每个人都接触过医学图像，在拍医学图像的时候是否考虑过医学图像的成像与相机或摄像机成像有什么不同呢。图1 是X 光图，图1 中的灰度代表X 光透过人体组织结构时被吸收的程度。图2 是脑部CT 图，其灰度值也并非亮度信息。有人见过彩色的CT 图，其颜色并不是人体脑部组织本身的颜色，而是为了增加分辨率经过假彩色处理的颜色。

将非可见光成像部分内容纳入课程，可以开阔学生们有关图像方面的眼界，有利于学生更好地理解图像的原理和应用。

1.3 数据可视化技术

日常生活能够制造数据的领域遍布各个行业。面对展示在眼前的庞大数据，不仅不直观，也让人甚感枯燥，但数据若以图形、图像甚至动画的形式展现出来，既美观又直观，更易理解。如何将最基本的媒体——数据以图形图像的形式展示呢？这就需要数据可视化技术。这部分内容是目前比较火的研究领域之一，这个领域原数据以及显示后的形式都是媒体类型，只是不同类型的媒体而已，但这部分内容在其他多媒体教材和多媒体课程中没有涉及。所以将其引人到多媒体技术课程中来，讲解不同媒体之间的转换，有利于扩展学生的视野，深化对多媒体的理解。

例如某大学计算机专业毕业设计题目按照研究类、工程类和其他这三种分类，从2013 到2016 年研究类型的毕业论文数依次是135、145、135、150，从2013 到2016 年工程类型的毕业论文数依次是148、157、135、150，从2013 到2016 年其他类型的毕业论文数依次是12、18、13、25。如果将这些数据转化成堆积柱形图形式（见图3），枯燥的数字变成简单明了的图，一目了然。

图3 毕业论文类型柱形图

2 教学方法的研究

为实现教学目标，保证教学质量，教学方法起到至关重要的作用。在现代教学理念指导下的教学方法打破传统教学方法的局限，提倡交往、互动、开放，更好地提高了教学效率，保障教学质量。

2.1 以科研项目为驱动的教学方法

案例教学法就是根据教学目的和教学内容的需要，选取与科研项目相关的例子作为教学案例，拓宽学生思维，引导学生深入思考，培养学生的科研素养。

以基金委面上项目——汽车复杂约束下的多目标集成控制研究为案例驱动，以自主汽车上的激光雷达数据和车载相机的视频为数据源。数据是一种最早出现的一种媒体，但有时候这种媒体的描述并不直观。就拿车载雷达数据来说，雷达数据是激光扫描到周围障碍物对应点的三维坐标，被扫描到的物体会有很多的扫描点，这样雷达数据不仅多，而且非常不直观。若将这些数据转化成图形或图像，以这种直观的形式展现则能让人一目了然，起到千言万语不如一幅画作用。图4 就是将雷达数据转化成点云图的形式显示出来，结果明显比枯燥的文字数据要清晰直观。

将反应点对雷达检测到的目标以图点的形式显示出来，并结合车载摄像机拍摄的图研究物体的位置和形状等。

雷达数据具有探测物体位置准确的优势，但却缺乏物体的颜色、亮度等信息，而相机拍摄的图像则正好有这个优势，但却不能直接给出画中的物体尺寸以及物体的距离，即使通过各种算法识别物体，求得其距离，但其准确性以及精确性都有不尽如人意之处。所以若将这两种数据源融合到一起，优势劣势互补，则是在无人车和机器人领域追求的目标。图5 是车载摄像机拍摄的图像。将雷达数据和图像数据融合，对车前物体的形状判定、识别，这是今后进一步研究的课题。

图4 雷达数据

图5 车载摄像机图

这个来源于科研项目的例子，既解释了什么是数据可视化（雷达返回的三维数据转化为图形），同时也以实例说明了多种传感器结合的好处，证明了数据融合的价值。除此之外，这个科研案例还可以解释图形与动画、图像与视频之间的关系。将一帧的雷达数据转化成图形，如图4。若将一系列帧的雷达数据均转化成图形并连续播放则成了动画。另外，车载摄像机数据源是视频，在视频中抽取视频中的一帧保存，则得到一幅图像，如图5，二者对比则显而易见地解释了图像和视频的关系：图像是离散的视频，视频是连续的图像。

这种将科研项目作为教学案例引入教学改革中，结合课程内容对案例进行设计，以此作为驱动力，既让学生提前了解科研项目，又方便理论结合实践和科研，促使学生更好地理解课程内容，了解科研项目，学以致用。

2.2 引入个性化素材作为教学实例的方法

正如前面所说，多媒体技术课程涉及的媒体种类繁多，所以在对每种媒体讲解时都需要例子和素材，而个性化素材，尤其是学生或者老师自己的素材作为调动学生兴趣的驱动力，不仅在素材采集过程中增添趣味性和好奇心理，在素材的处理过程中也会促使学生认真学习各种处理算法，以期将自己的素材处理的漂亮、满意。这样学生既是操作者（处理素材）也是被操作者（本身的素材被处理），这种双重身份让学生有更强的参与感与成就感，从而化被动学习为主动学习，提高学生的学习效果。

例如处理学生本人身穿某单色衣服的照片，通过编程实现RGB 颜色空间描述转到HSV 颜色空间描述，并将图像中的衣服颜色改变成其他颜色，例如变成原衣服颜色的互补色。这个转变只需要改变HSV 颜色空间中的H 值即可，当然S、V 值也可以改变，其操作简单、方便，然而若在RGB 颜色空间去做这个转换则相对困难得多。

这个案例作为颜色空间和颜色空间转换的例子，通过这个颜色空间的转换很好地说明了为什么存在不同的颜色空间，证明多种颜色空间描述的必要性，同时这个案例正好可以作为假彩色图像的例子，可以说是一举多得的实例。

2.3 课堂报告

作为教师不但要教给学生知识，更重要的是激发学生自主探究的积极性，培养他们学习的能力，为今后持续不断地学习打下坚实的基础。传统的教学方式以灌输为主，教师的教与学生的学基本是“授”与“受”的关系，学生的能动性和创新性被限制住。因此，转变教学方式和学习方式具有重要的现实意义。改变学生原有的单纯接受的学习方式，通过布置给学生比较有针对性任务要求和给定的多个题目，例如财务数据的可视化、多个视频的叠加、个人声音的简单处理等，要求学生根据自己的兴趣，选择自己感兴趣的题目，查阅资料，编写程序，课堂做报告，分析出现的问题，并提出不足和今后的改进，撰写研究报告等。

在学生做课堂报告时，主讲老师针对学生的讲述内容提出问题并要求做报告的同学解答，并鼓励其他同学提问题，最后由老师点评与总结。

通过学生主讲，老师点评的过程，学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。