計算機視覺檢測與圖像處理課程教學改革實踐

趙靜+魯力群

[摘 要]計算機視覺檢測與圖像處理是農業工程專業研究生的一門選修課程。學習該課程，學生能掌握計算機視覺的基本理論知識并將其應用于解決農業工程的實際問題。要提高學生學習這門課程的興趣，并將理論知識內化成解決實際問題的能力，教學方法起到很重要的作用。教師可以在課堂教學中引入探究式教學法、翻轉教學法和案例式教學法等，同時將創新思維引入課堂教學和互動中，提高學生學習的主動性，培養他們的探索精神和創新能力。這種教學方式學生容易接受并能較好地進行知識遷移，將知識內化成解決實際問題的能力。

[關鍵詞]計算機視覺檢測與圖像處理；教學改革 創新思維；實踐能力

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）08-0085-03

計算機視覺檢測與圖像處理是指通過圖像獲取裝置將拍攝的目標轉換成數字圖像信號，利用各種圖像處理算法，計算圖像的直方圖及檢測顏色信息，根據圖像中像素分布和亮度、顏色等信息，通過各種運算來抽取目標的特征，根據目標特征來檢測和識別感興趣的區域。計算機視覺檢測與圖像處理技術在農業上的應用，主要是植物種類的鑒別、農產品品質檢測與分級等。隨著計算機軟硬件技術、圖形圖像處理技術的迅猛發展，它在農業上的應用研究有了較大的突破，在農業領域的生產前、生產中、收獲時和產后的各個環節中，均可以利用計算機視覺技術來實現這些農業生產的可視化和自動化。計算機視覺檢測和圖像處理技術在農田作業方面的應用主要是播種、施肥、農藥噴灑、田間鋤草、病蟲害的監測、植物生長信息的監測及營養脅迫診斷、苗木嫁接和收獲等農業機械或農業機器人上的應用。對農產品的品質鑒定及分級主要是利用計算機視覺技術進行無損檢測，獲取農產品表面物理參數對農產品進行質量評估和分級，對農產品檢測的研究主要集中在水果、蔬菜等農副產品上。農業工程類專業學位研究生學習計算機視覺檢測與數字圖像處理這門課程的目的，是把它作為一個手段或者說是一個工具來研究農業工程方面的課題，注重于如何運用，而不是糾結于具體的算法及編程技巧上。在本課程近幾年的研究生教學中，筆者發現了一些問題，在授課過程中做了一些探索和實踐，提高了學生學習該課程的積極性和興趣。

一、教學中存在的問題

計算機視覺檢測及圖像處理課程實際上是綜合了數字圖像處理和機器視覺兩門課的內容。目前國內數字圖像處理及機器視覺課程的教學依然是傳統的教學方法，由于該類課程主要是在電氣專業和計算機專業的本科生中開設，所以他們的教學重點放在數字圖像處理和計算機視覺檢測的基本理論、基本算法及編程技巧上，也就是如何實現算法的功能。而農業工程的專業學位研究生不必把時間和精力大量花費在如何實現算法的功能上，而主要是了解這個算法或軟件能完成什么功能，在自己的研究領域能夠起到什么作用，自己可不可以利用該算法完成自己的專業領域的課題，實現農業生產過程的自動化和智能化。過去計算機視覺檢測與圖像處理課程主要采用教師授課為主，對學生采用滿堂灌、填鴨式的教學方式來講圖像處理的各種算法，及如何編程，采用哪些編程技巧來實現這些算法，導致許多學生聽得昏昏沉沉，學完該課程也不知如何在自己的研究課題中應用相關知識。根據上述存在的問題，在講授該課程時，筆者采取了翻轉學習法、基于項目驅動的教學方法及探究式教學方法，取得了較好的效果。一般該課程各算法功能的實現都是用VC++進行編程，對于農業工程大部分研究生來說，讀懂程序還是存在一定困難的，而利用MATLAB軟件的數字圖像處理工具箱的各種圖像處理函數可以輕松方便地完成農業工程里需要進行圖像處理和分析的內容，而不必詳細理解該算法是如何工作的，只需了解這個算法或程序能夠完成什么功能。學習該門課程，督促學生查閱相關農產品計算機視覺處理的國內外期刊論文，能讓他們了解計算機視覺及數字圖像處理在農業工程領域的應用及最新的發展趨勢，同時可以思考在自己的專業研究中如何運用計算機視覺檢測及數字圖像處理的知識進行科研創新。

二、教學方法改革

（一）利用探究式教學方法，培養學生獨立思考的能力和探索精神

探究式教學方法從學科領域或者現實生活中確定要研究的主題，在教學中創設類似于科學研究的情境，使學生能夠獨立自主地發現問題，然后通過一系列的科學研究和分析手段來解決問題，獲得知識，培養能力，發展探索精神與創新能力。探究式教學方法提倡教學過程中以學生為主體，教師是啟發者與引導者。

在進行該課程教學時，教師為了讓學生將該門課程所學理論知識直接運用于其所攻讀的專業方向課題研究中，在課程剛開始階段，要求每個學生結合自己的專業研究方向確定一個小課題，在實驗室利用機器視覺和圖像處理方法及相關設備對該課題展開研究，研究的結果及處理過程中遇到的問題在課堂上同教師和同學討論；每次課后需查閱一定數量的相關資料仔細研讀后提出問題并嘗試自己解決，解決不了的問題在課堂上提出和教師交流，讓學生真正學以致用，而不是糾纏于理論知識和各種處理算法的思路及編程技巧。農業工程專業學位的碩士只是把計算機視覺檢測和圖像處理作為一種手段和工具，能夠有意識地利用在該課程上學到的知識創造性地解決專業上所遇到的問題即可。比如有的學生是進行玉米播種機的研究的，確定的小課題為“如何利用視覺檢測識別播種過程中的漏播問題”，做馬鈴薯切塊裝置研究的學生確定的課題為“如何利用視覺檢測技術確定馬鈴薯的形狀和大小”，做大蒜播種裝置研究的學生確定的小題目為“在播種過程中如何確定大蒜的朝向”等。

（二）利用翻轉課堂的同伴教學方式，提高學生學習的主動性和積極性

翻轉課堂教學法的目的是創建以學習者為中心的學習環境，能夠最大化地利用面對面的課堂教學時間。翻轉學習環境的核心是對課堂時間的充分利用。在課外，主要集中在淺層次的學習方面，學習教材上的基礎理論和知識，主要偏重于知識的記憶，而在課內，則主要進行深度學習，強調學習者的批判性學習能力、強調學習知識的遷移，注重高層次思維能力的培養，既要求學習者高情感投入和高行為投入，也注重認知結果方面的概念轉變和復雜認知結構的養成。endprint

教師提前將教材要講的內容布置給學生，讓學生課下學習、記憶和理解，做教學PPT；每次給一個學生1節課的時間，讓其在課堂上給其他學生講解，包括算法功能、如何實現MATLAB里相應函數的調用及其在農業工程中的應用實例等。在學生教授過程中，教師要適時點評或者對不合適的地方加以糾正，其他學生也會提出疑問，再由講課的學生予以解答。如果學生解答不了或回答得不完善，教師要及時給予解答和補充。通過學生之間、教師與學生之間的討論、交流和溝通，學生對于知識的理解和應用記憶更深刻。

（三）采用案例教學與頭腦風暴法，促進學生創新精神和實踐能力的培養

案例教學法中采用的案例是生活中真實存在的，通過文字、圖片、動畫及視頻的展示，易于學生學習和理解，因此能夠調動學生學習的主動性。在教學中，通過講解和討論等，能夠及時調節學生的注意力，有利于學生精神始終處于較興奮的狀態。一般選取的案例內容具有一定的代表性和普遍性，具有舉一反三、觸類旁通的作用。頭腦風暴法通過鼓勵學生在課堂上自由發表意見，無拘無束地通過思維共振方式針對所要解決的問題，天馬行空地提出解決問題的思路和方法，這既可以促進課堂的活躍，也能增加教師和學生之間的交流和溝通，充分發揮學生的想象力和主動性。

比如在講圖像直方圖時，學生已經了解了灰度直方圖是表示圖像中像素亮度的分布情況，不同的物體在圖像中的亮度分布是不一樣的，而且也學會了如何對圖像直方圖進行處理的方法，使圖像更易于觀看或識別，但具體如何在實際中應用這些知識，學生就不太了解，這時采用案例教學法就比較有效了。

在課堂上，教師通過圖片給學生展示掉落在地的紅棗，以前都是人工撿拾，在面積大數量多的情況下，工人勞動強度大，效率低。教師可以就如何收獲掉落在地的紅棗這個問題，請學生各抒己見，相互補充，能產生許多收獲紅棗的設想。等學生把自己的想法發表完畢，教師提示學生思考如何基于圖像處理的方法來設計一臺撿拾落地紅棗的智能撿拾機，給學生留出30分鐘左右的時間，讓他們思考和討論及上網查閱資料。

由于在課堂上充分調動了學生的積極性和主動性，引導他們進行創新思維，因此教師在課堂上不是“獨唱”，而是和學生一塊討論思考，學生在課堂上也不再只是看書、聽老師講和記筆記，而是與老師同學共同探討問題。由于案例教學法能充分調動學生的智慧和力量，因此容易開闊思路，收到良好的效果。30分鐘后學生們提出了各種比較好的想法和思路，這時教師打開一個大學生創新設計競賽的獲特等獎的作品——一種機器視覺的自動調速落地紅棗撿拾機，這是一款與消防風機配套使用的新型落地紅棗收獲機械，該機械通過圖像識別裝置配備的CCD傳感器可識別機具前方地面紅棗的數量。根據地面紅棗數量的不同，電氣控制系統可自動調節機具向前行進作業的速度大小，實現作業速度的智能控制。通過圖片和文字讓學生了解將所學知識應用于農機裝備智能化并不是高不可攀的，只要愿意去觀察和思考創新，運用課堂上所學的理論知識解決實際農業工程中遇到的問題就可以做到。

教師可提前給學生布置一些任務，這也是下次課要講的案例內容，比如如何利用計算機視覺技術去分揀蔬菜中的黃葉，這不但需要用到前面圖像增強和平滑的知識，而且還要用到圖像顏色識別及圖像分割的知識，促使他們課后提前查找資料，學習后面的圖像分割及識別的相關知識，然后將相關知識應用于解決該實際問題。學生通過獨立思考和創造，如果還有不理解或不能解決的問題，可以在上課時與教師和同學溝通交流，這對于將書本上的理論知識內化成自己解決問題的實踐能力是有益的。

三、基于計算機視覺的農業工程專業碩士實踐能力培養探索

專業碩士的培養與學術型碩士研究生的培養不同，對于學術性碩士研究生的培養比較偏重于理論，使他們在進行項目研究時能夠有理論上的創新；而專業型碩士研究生的培養側重于實踐能力和應用能力的培養，在碩士學習期間，能夠使他們獲得工程實踐能力及創新能力，順利實現從理論到實踐的過渡，以便更好地適應畢業后在本行業內的工作。因此必須充分利用一切可以利用的條件來鍛煉他們的實踐和應用能力。學院創新實驗室有許多機構和零部件，還有一個比較先進的計算機視覺排種器試驗臺，用來測試各種排種器的性能。這種基于計算機視覺的排種器性能試驗臺的結構是輸送帶運動，排種器固定，原理是用計算機高速攝影技術來對排種器進行性能檢測，它的特點是應用相機拍攝種子運動的圖片，然后通過各種圖像處理與分析技術進行排種器性能參數測量。教師可將學生分成2人一組，對農業機械中常用的排種器的結構進行分析，然后選擇一種排種器在計算機視覺排種試驗臺上進行測試，記錄結果，分析原因。讓學生不但要了解在排種器性能測試時，用了哪些圖像處理和視覺檢測方法，還要了解排種器的詳細結構，針對現有排種器的缺點，利用各種創新技法，尋求改進，進行創新。

在計算機視覺檢測與圖像處理的課堂教學中，教師要有意識地引導學生將所學理論知識應用于實際的項目，但由于課堂教學時間的限制，有些利用計算機視覺的實際工程問題只是提出了一些想法，沒有具體實施的條件。為了在學完本課程后學生能夠將所學的理論知識應用到具體的農業工程領域中并形成一套完整的裝置，教師要鼓勵學生積極進行農機裝備智能化，把在本課程學到的知識轉化成能力應用于機械裝置的設計，參加山東省機電創新大賽和“東方紅”杯全國大學生智能農業裝備創新大賽。這樣可以促使他們將計算機視覺知識應用于實際的產品設計中，增強他們的動手實踐能力，同時還要與其他學科知識結合起來完成相應的功能。

四、結束語

通過對計算機視覺檢測與圖像處理在這門課程的教學改革，學生對于學習這門課程的興趣和積極性提高了；特別對于農業工程專業的研究生來說，了解和掌握計算機視覺檢測和圖像處理的知識，對于他們的專業研究或是以后的工作方面都可以起到開闊視野的作用，對其素質的提高和創新能力的培養也起到了非常重要的作用。

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[責任編輯：劉鳳華]endprint