以學生和科研項目為案例驅動的多媒體技術課程內容和教學方法研究

張振花，李慧盈，楊瀛濤

（吉林大學 計算機學院，吉林 長春 130012）

0 引 言

多媒體技術課程是計算機及其他相關專業的專業課，該課是理論與實踐相結合很強的一門課程[1-2]。隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展，多媒體技術成為信息技術領域發展最快、應用最廣的一門技術。作為計算機類及其相關專業的專業課，其課程內容應隨著其應用的發展而做相應的調整。再者多媒體技術這門課理論性和實踐性都很強，因此為了讓學生能對每種媒體的原理和應用都有所了解，設置合適的教學案例很重要[3-4]。以學生本人的照片為教學素材，拉近教學與生活的距離，成為吸引學生興趣的驅動力。將科研項目作為教學案例，既可以吸引學生的注意力和興趣，又能開拓學生的視野，為今后進一步的學習或者工作奠定基礎。

1 課程內容的改進

以前多媒體技術的教材和課件過多涉及硬件部分知識，這部分內容由于在低年級時所上的其他專業課中有所涉及，因此在此舍棄大部分硬件內容，加入學生易混淆的各種媒體之間的對比，引進非可見光成像的圖像部分內容以及目前比較火的數據可視化技術內容。

1.1 顏色知識獨立成章

顏色這部分內容在其他的教材或課件中，只在圖形圖像那一章簡單提及或者根本沒有。顏色本身是一門很復雜的學科，涉及物理學、生物學、心理學和材料學等多種學科。因為顏色是人的大腦對物體的一種主觀感覺，所以用數學方法來描述這種感覺是一件很困難的事，因此出現了很多有關顏色的理論、測量技術和顏色標準，但迄今為止還沒有一種人類感知顏色的理論和表示方法在各種領域被一致接受。

鑒于顏色這部分內容的復雜性和在多媒體中的重要性，將其作為單獨的一章比較系統講解更為合適，有助于學生今后對其他媒體的理解和學習。

1.2 非可見光成像原理

一般教材或者課程在圖像這章關注的都是可見光成像，圖像的像素值是圖像中物體的顏色或者亮度。但是醫學、軍事、航空等領域存在的圖像不是可見光圖像。例如醫學領域的X 射線圖像、CT 圖像、核磁圖像、B 超圖像等。這類圖像的像素值并不代表顏色。除了醫學圖像之外，還有紅外成像、激光雷達成像、遙感成像等均是非可見光成像。

圖1 X 光圖

圖2 腦部CT 圖

我們每個人都接觸過醫學圖像，在拍醫學圖像的時候是否考慮過醫學圖像的成像與相機或攝像機成像有什么不同呢。圖1 是X 光圖，圖1 中的灰度代表X 光透過人體組織結構時被吸收的程度。圖2 是腦部CT 圖，其灰度值也并非亮度信息。有人見過彩色的CT 圖，其顏色并不是人體腦部組織本身的顏色，而是為了增加分辨率經過假彩色處理的顏色。

將非可見光成像部分內容納入課程，可以開闊學生們有關圖像方面的眼界，有利于學生更好地理解圖像的原理和應用。

1.3 數據可視化技術

日常生活能夠制造數據的領域遍布各個行業。面對展示在眼前的龐大數據，不僅不直觀，也讓人甚感枯燥，但數據若以圖形、圖像甚至動畫的形式展現出來，既美觀又直觀，更易理解。如何將最基本的媒體——數據以圖形圖像的形式展示呢？這就需要數據可視化技術。這部分內容是目前比較火的研究領域之一，這個領域原數據以及顯示后的形式都是媒體類型，只是不同類型的媒體而已，但這部分內容在其他多媒體教材和多媒體課程中沒有涉及。所以將其引人到多媒體技術課程中來，講解不同媒體之間的轉換，有利于擴展學生的視野，深化對多媒體的理解。

例如某大學計算機專業畢業設計題目按照研究類、工程類和其他這三種分類，從2013 到2016 年研究類型的畢業論文數依次是135、145、135、150，從2013 到2016 年工程類型的畢業論文數依次是148、157、135、150，從2013 到2016 年其他類型的畢業論文數依次是12、18、13、25。如果將這些數據轉化成堆積柱形圖形式（見圖3），枯燥的數字變成簡單明了的圖，一目了然。

圖3 畢業論文類型柱形圖

2 教學方法的研究

為實現教學目標，保證教學質量，教學方法起到至關重要的作用。在現代教學理念指導下的教學方法打破傳統教學方法的局限，提倡交往、互動、開放，更好地提高了教學效率，保障教學質量。

2.1 以科研項目為驅動的教學方法

案例教學法就是根據教學目的和教學內容的需要，選取與科研項目相關的例子作為教學案例，拓寬學生思維，引導學生深入思考，培養學生的科研素養。

以基金委面上項目——汽車復雜約束下的多目標集成控制研究為案例驅動，以自主汽車上的激光雷達數據和車載相機的視頻為數據源。數據是一種最早出現的一種媒體，但有時候這種媒體的描述并不直觀。就拿車載雷達數據來說，雷達數據是激光掃描到周圍障礙物對應點的三維坐標，被掃描到的物體會有很多的掃描點，這樣雷達數據不僅多，而且非常不直觀。若將這些數據轉化成圖形或圖像，以這種直觀的形式展現則能讓人一目了然，起到千言萬語不如一幅畫作用。圖4 就是將雷達數據轉化成點云圖的形式顯示出來，結果明顯比枯燥的文字數據要清晰直觀。

將反應點對雷達檢測到的目標以圖點的形式顯示出來，并結合車載攝像機拍攝的圖研究物體的位置和形狀等。

雷達數據具有探測物體位置準確的優勢，但卻缺乏物體的顏色、亮度等信息，而相機拍攝的圖像則正好有這個優勢，但卻不能直接給出畫中的物體尺寸以及物體的距離，即使通過各種算法識別物體，求得其距離，但其準確性以及精確性都有不盡如人意之處。所以若將這兩種數據源融合到一起，優勢劣勢互補，則是在無人車和機器人領域追求的目標。圖5 是車載攝像機拍攝的圖像。將雷達數據和圖像數據融合，對車前物體的形狀判定、識別，這是今后進一步研究的課題。

圖4 雷達數據

圖5 車載攝像機圖

這個來源于科研項目的例子，既解釋了什么是數據可視化（雷達返回的三維數據轉化為圖形），同時也以實例說明了多種傳感器結合的好處，證明了數據融合的價值。除此之外，這個科研案例還可以解釋圖形與動畫、圖像與視頻之間的關系。將一幀的雷達數據轉化成圖形，如圖4。若將一系列幀的雷達數據均轉化成圖形并連續播放則成了動畫。另外，車載攝像機數據源是視頻，在視頻中抽取視頻中的一幀保存，則得到一幅圖像，如圖5，二者對比則顯而易見地解釋了圖像和視頻的關系：圖像是離散的視頻，視頻是連續的圖像。

這種將科研項目作為教學案例引入教學改革中，結合課程內容對案例進行設計，以此作為驅動力，既讓學生提前了解科研項目，又方便理論結合實踐和科研，促使學生更好地理解課程內容，了解科研項目，學以致用。

2.2 引入個性化素材作為教學實例的方法

正如前面所說，多媒體技術課程涉及的媒體種類繁多，所以在對每種媒體講解時都需要例子和素材，而個性化素材，尤其是學生或者老師自己的素材作為調動學生興趣的驅動力，不僅在素材采集過程中增添趣味性和好奇心理，在素材的處理過程中也會促使學生認真學習各種處理算法，以期將自己的素材處理的漂亮、滿意。這樣學生既是操作者（處理素材）也是被操作者（本身的素材被處理），這種雙重身份讓學生有更強的參與感與成就感，從而化被動學習為主動學習，提高學生的學習效果。

例如處理學生本人身穿某單色衣服的照片，通過編程實現RGB 顏色空間描述轉到HSV 顏色空間描述，并將圖像中的衣服顏色改變成其他顏色，例如變成原衣服顏色的互補色。這個轉變只需要改變HSV 顏色空間中的H 值即可，當然S、V 值也可以改變，其操作簡單、方便，然而若在RGB 顏色空間去做這個轉換則相對困難得多。

這個案例作為顏色空間和顏色空間轉換的例子，通過這個顏色空間的轉換很好地說明了為什么存在不同的顏色空間，證明多種顏色空間描述的必要性，同時這個案例正好可以作為假彩色圖像的例子，可以說是一舉多得的實例。

2.3 課堂報告

作為教師不但要教給學生知識，更重要的是激發學生自主探究的積極性，培養他們學習的能力，為今后持續不斷地學習打下堅實的基礎。傳統的教學方式以灌輸為主，教師的教與學生的學基本是“授”與“受”的關系，學生的能動性和創新性被限制住。因此，轉變教學方式和學習方式具有重要的現實意義。改變學生原有的單純接受的學習方式，通過布置給學生比較有針對性任務要求和給定的多個題目，例如財務數據的可視化、多個視頻的疊加、個人聲音的簡單處理等，要求學生根據自己的興趣，選擇自己感興趣的題目，查閱資料，編寫程序，課堂做報告，分析出現的問題，并提出不足和今后的改進，撰寫研究報告等。

在學生做課堂報告時，主講老師針對學生的講述內容提出問題并要求做報告的同學解答，并鼓勵其他同學提問題，最后由老師點評與總結。

通過學生主講，老師點評的過程，學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力。

3 結 語

以個人素材為數據來源，對自己的照片進行處理，這種“玩”與學相結合，“玩”有所得的教學方法值得我們進一步的探索。

通過引入科研項目作為教學案例，不僅能很好地解釋各種媒體之間的聯系與區別，同時拓寬學生的視野，提高學生的學習熱情，加強學生分析問題和解決問題的能力，從而為今后的繼續學習打下基礎。

課堂報告是一種任務驅動的教學方法，不僅培養了學生查閱資料的能力，鍛煉了學生自主學習的能力以及分析問題解決問題的能力。通過組織學生課堂講座，深化了專業知識的理解，鍛煉了學生的表達能力，也促進了其他同學的思考。

學生只有對所學的知識產生興趣，才能積極思考，努力探索，進而推動教學，達到預期的教學目的。怎樣讓教學內容吸引學生，怎樣通過教學方法培養學生的興趣，是今后思考的內容，引進與時俱進的教學案例和研究出激發學生熱情的教學方法是今后不懈努力的目標。