数字媒体技术仿真实验教学的实践

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摘要：为了适应创新型应用人才培养目标，对数字媒体技术类课程进行仿真实验教学改革是非常必要的。本文提出了仿真实验教学改革的具体思路和方法，包括实验课程设计、教学模式及智能评测手段等。教学效果表明，学生在数字媒体技术专业核心课程学习成绩方面取得较大提高，同时社会研学能力和创新能力也得到较大增强。

关键词：数字媒体技术；仿真实验教学；课程设计；教学模式

1引言

近年来，4G/5G智能终端的发展使得数字媒体内容的制作、编辑与传播日益便利，数字媒体技术专业成为新兴热门专业之一。各院校越来越注重培养掌握数字媒体内容设计制作及相关软硬件开发原理和方法的应用型专门人才[1-2]。作为应用型本科院校，湖北经济学院数字媒体技术专业立足于创新型应用技术人才培养目标，注重以“基础知识扎实、开发技术过硬、创新能力突出”为主旨的应用系统开发和科研创新能力培养等两个层次，要求学生必须精学多练，注重开发能力训练，成为适应数字媒体软件开发需求的技术人才[3-4]。在这种教学背景下，实验教学在数字媒体技术类课程中具有十分重要的地位。正如罗吉尔•培根所言：“没有实验，任何新的东西都不能深知”[5]。数字媒体技术类课程不仅要求熟悉和掌握融合技术与艺术领域相关理论知识的各类现代媒体设计开发技巧，还要求熟悉和运用人工智能技术解决实际应用问题。目前，数字媒体技术类课程实验面临课程体系统筹兼顾不足、技术新鲜度不够、教学方式僵硬、评测难度大等问题[6]。因此，本文提出数字媒体类课程仿真实验改革方案，从实验内容设计入手，将数字媒体技术领域新理论、新技术构建成仿真程序设计任务，在不同的教学阶段以不同的教学模式融入日常教学，并采用智能评测手段实现部分实验项目的自评自测，从而提高了实验教学的力度和实效。最终实践表明，学生取得了较好的课业成绩，大大增强了社会研学能力。

2数媒技术实验教学问题分析

目前，数字媒体类课程实验教学还处在探索阶段，来自于实验内容、实验环境、实验内容设计、评测方法等方面的挑战不断出现。其存在的主要问题如下：（1）对数字媒体技术类课程的实验体系设计欠缺统筹考虑。各门课程之间实验内容重复、脱节遗漏、不系统。实验课一般由各任课教师根据理论课要求安排教学内容，知识体系、教学难度和目标要求上缺乏统筹安排，导致教学效果不明显和资源浪费严重。（2）缺乏规范和及时更新的具有数字媒体技术鲜明特色的实验内容。现有的数字媒体课程实验教材不是偏重艺术设计，就是偏重程序开发，不适合应用本科型院校的培养目标。应该在实验教学内容设计上融合艺术和技术两大总体需求，才能有效锻炼学生的应用开发能力。（3）实验教学方式僵化机械，不利于激发学习积极性。受传统实验教学模式的影响，现有的实验教学内容不仅包含完整实验步骤，还包括详细的操作演示。在这种情况下，学生基本上不查阅资料，仅需简单地重复实验步骤，无需积极思考就可以获得实验结果，无法有效锻炼思维能力。（4）数字媒体实验作业评测困难，主观偏差大，任务重。有些数字媒体实验作业纯粹就是效果图检查，实验成绩评判单纯依赖教师主观评判，工作量繁重，无法实现学生自评自测的目的。

3实验教学模式改革

3.1仿真实验教学设计

本文从创新型应用人才培养的素质和能力要求出发，建立起以创新能力和应用开发能力培养为主线、综合分层的实践教学新体系，帮助学生理解数字媒体领域基本理论，从而掌握数字媒体技术典型应用的开发方法[7-8]。因此，本文将实验教学内容分为四个层次：设计基础型实验、开发基础型实验、综合型实验、创新型实验，如表1所示。设计基础型实验主要是通过一些主流数字媒体软件如Photoshop、Audition、Premiere等操作来理解数字媒体内容处理的基本概念和操作参数，是开发基础型实验的准备工作[9]。开发基础实验根据代码模板对数字媒体内容处理的一些基本操作功能进行代码补全实验，并根据提供的素材进行验证。综合型实验基于开发基础实验的完成情况延伸出一个小应用，对其主要模块进行实现，并保证功能正确。创新型实验则要求学生根据生产实际，选择自己感兴趣的课题独立调研，独立开发，至少在功能、算法、界面、配置的某个方面实现创新，并需要撰写实验报告书。从表1可以看出，本文的实验课程的结构设计强调课程的联系性、顺序性和连续性，紧跟虚拟现实新技术和人工智能新技术典型应用，最终落脚点是激发和培养学生的创新思维能力。

3.2教学模式改革

（1）自选式实验操作。本文将一些设计基础型实验发布在教学网站上，由学生根据详细的实验步骤自行完成，并将实验结果上传到作业系统。从实验结果设计到效果图评测均可以采用智能评阅方式自动实现。（2）填空式算法设计。开发基础型实验大量应用到计算机视觉算法，通常基于OpenCV库实现[10]，因此重点是要理解OpenCV中主要API函数的调用方法。本文设计好算法框架中的基本代码，通过注释给出OpenCV函数的说明，而具体调用方法则留给学生实现，避免了大量语法错误对学生的干扰，使得学生集中精力完成算法设计，达到指定的目标结果。（3）项目式模块设计。综合型实验都与项目模块相关联，而项目所构成的代码模块则部分地源自开发基础型实验。因此，前期已经完成的模块可以直接用于连接运行，而需要学生实现的模块在项目需求说明中加以列举，学生只有独立补全所需代码模块，才能正确地运行项目，最终得到一个完整的应用场景。（4）以多种社会实践形式完成创新项目。利用创新型实验先进行选题，教学安排灵活机动。湖北经济学院一般安排16课时的上机指导，但主要的设计研究工作则须在课外独立完成，要求学生在10分钟内完成答辩。同时，允许学生利用计算机设计大赛、物联网+大赛、校级研学项目等与数媒相关的社会实践成果冲抵创新项目实验成绩。这样不仅激发了学生参与课外创新研究的动力，也提高了实验教学成果的档次和质量。在交流环节，引导学生分享自己的创新成果和实现思路，并在教师指引下进行集体讨论，肯定长处，指出不足，使所有学生都能得到思维锻炼和灵感启发。以上种种实践教学模式的改革，借鉴了国内同行经验和社会培训机构教法[11-12]，融合了多种层次实验内容和教学目标需求，由简单到复杂，由基础到综合，由应用到创新，层层递进，有机结合，增强了学生的实际应用能力和创新能力。

3.3智能评测方法改革

数字媒体技术涉及的基本理论知识包括音频、视频、图像、虚拟现实、多模态等，类别繁杂，初次学习难度较大，只能采取化整为零的方式，将容易完成的实验发给学生自行完成。为了对学生的完成情况进行准确评估，需要全面检查学生作业。但由于实验作业量非常大，作品评价不及时成为困扰实验效果的重要问题。本文基于孪生神经网络（SiameseNeuralNetwork,SNN）模型开发了数字媒体作业智能评测系统[13]，如图1所示。在图1中，参考图像和被测评图像分别输入Siamese神经网络中，通过相同权值的深度卷积神经网络分别提取深度卷积特征，再通过距离函数（通常为余弦距离）比对两幅图像的误差[14]，得到的误差值记为SNN(𝑖𝑖1,𝑖𝑖x)，再乘以记分单位，如式（1）所示。(1)其中，i1是指参考图像，ix是指评测图像，SNN是指Siamese神经网络模型，输出为两幅图像的差异度，取值为[0,1]区间，再乘以D=100转换为百分制。在实际应用中，图像类作业可以直接使用该评分方法，音频类作业可以转换为频谱图像后采用该评分方法，视频和动画等均可以分解为关键帧后使用该方法，而多模态类作业则需要将每一种模态数据使用该评分方法分别评分后再求平均值。智能评测方法大大减少了教师工作量，也为学生自学自测提供了保障。

4教学效果分析

数字媒体技术类课程是数字媒体技术专业核心课程。其学习效果不仅单独反映在数字媒体技术等专业课程的考试成绩上，还反映在该专业社会研学实践和就业率等成绩中。

4.1数字媒体技术课考试成绩分析

为详细了解仿真实验教学改革成效，本文对近三年（2018-2019年）数字媒体技术专业核心课程“数字媒体技术”、“数字媒体技术课程设计”的学习成绩情况进行分析。从图2和图3中可以看出，随着数字媒体技术类课程的仿真实验教学改革的开展，仿真教学实验内容的数量和质量不断提高，学生对数字媒体技术专业核心课程的掌握程度逐年提升，优秀率大幅提高并且近年来趋于稳定。这说明，仿真教学实验对学生基本原理和核心技术的掌握有切实功效。

4.2社会研学实践情况

为了进一步评价数字媒体技术专业学生的创新能力培养成效，本文对数字媒体技术专业学生近年来参加各类社会研学实践活动取得的成绩进行了比较分析。数字媒体专业学生在“计算机设计大赛”连续3年获得国家级一等奖各1次，所有奖项国家级总和超过10项，省级总和超过15项。数媒专业学生近两年获校团委校级科研立项各4项（2019年）和5项（2020）。近两年来，数字媒体专业学生还在“大学生创新创业训练计划项目”中取得佳绩，国家级和省级均获批立项，如图4所示。图4数媒专业创新创业训练计划项目立项数比较最后，数字媒体技术专业学生应用实践能力得到了社会认可，就业求职非常顺利，毕业生就业率均达到95%以上。

5结束语

科技水平的不断提高带动了数字媒体技术应用领域的快速发展。在这种背景下，湖北经济学院数字媒体技术实验教学坚持以创新型应用技术人才培养为根本目标，通过仿真实验教学改革设计，多措并举，使学校的数字媒体技术类课程取得了较高的教学质量，获得了较高的社会认同和一定的社会声誉，培养的学生具有较强的社会竞争力。近年来在计算机设计大赛、大学生创新创业训练项目等社会实践活动中也取得丰硕成果。但是新的考核方式仍将进一步探索，与生产实践相结合的课程设计案例还将极大地得到丰富和扩充。作为一个新兴的交叉学科门类，数字媒体技术类课程的实验教学探索之路还将不断延续和深入。

作者：胡胜红 周刚 陈婕 单位：湖北经济学院信息与通信工程学院