计算机视觉检测与图像处理课程教学改革实践

赵静+鲁力群

[摘 要]计算机视觉检测与图像处理是农业工程专业研究生的一门选修课程。学习该课程，学生能掌握计算机视觉的基本理论知识并将其应用于解决农业工程的实际问题。要提高学生学习这门课程的兴趣，并将理论知识内化成解决实际问题的能力，教学方法起到很重要的作用。教师可以在课堂教学中引入探究式教学法、翻转教学法和案例式教学法等，同时将创新思维引入课堂教学和互动中，提高学生学习的主动性，培养他们的探索精神和创新能力。这种教学方式学生容易接受并能较好地进行知识迁移，将知识内化成解决实际问题的能力。

[关键词]计算机视觉检测与图像处理；教学改革 创新思维；实践能力

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）08-0085-03

计算机视觉检测与图像处理是指通过图像获取装置将拍摄的目标转换成数字图像信号，利用各种图像处理算法，计算图像的直方图及检测颜色信息，根据图像中像素分布和亮度、颜色等信息，通过各种运算来抽取目标的特征，根据目标特征来检测和识别感兴趣的区域。计算机视觉检测与图像处理技术在农业上的应用，主要是植物种类的鉴别、农产品品质检测与分级等。随着计算机软硬件技术、图形图像处理技术的迅猛发展，它在农业上的应用研究有了较大的突破，在农业领域的生产前、生产中、收获时和产后的各个环节中，均可以利用计算机视觉技术来实现这些农业生产的可视化和自动化。计算机视觉检测和图像处理技术在农田作业方面的应用主要是播种、施肥、农药喷洒、田间锄草、病虫害的监测、植物生长信息的监测及营养胁迫诊断、苗木嫁接和收获等农业机械或农业机器人上的应用。对农产品的品质鉴定及分级主要是利用计算机视觉技术进行无损检测，获取农产品表面物理参数对农产品进行质量评估和分级，对农产品检测的研究主要集中在水果、蔬菜等農副产品上。农业工程类专业学位研究生学习计算机视觉检测与数字图像处理这门课程的目的，是把它作为一个手段或者说是一个工具来研究农业工程方面的课题，注重于如何运用，而不是纠结于具体的算法及编程技巧上。在本课程近几年的研究生教学中，笔者发现了一些问题，在授课过程中做了一些探索和实践，提高了学生学习该课程的积极性和兴趣。

一、教学中存在的问题

计算机视觉检测及图像处理课程实际上是综合了数字图像处理和机器视觉两门课的内容。目前国内数字图像处理及机器视觉课程的教学依然是传统的教学方法，由于该类课程主要是在电气专业和计算机专业的本科生中开设，所以他们的教学重点放在数字图像处理和计算机视觉检测的基本理论、基本算法及编程技巧上，也就是如何实现算法的功能。而农业工程的专业学位研究生不必把时间和精力大量花费在如何实现算法的功能上，而主要是了解这个算法或软件能完成什么功能，在自己的研究领域能够起到什么作用，自己可不可以利用该算法完成自己的专业领域的课题，实现农业生产过程的自动化和智能化。过去计算机视觉检测与图像处理课程主要采用教师授课为主，对学生采用满堂灌、填鸭式的教学方式来讲图像处理的各种算法，及如何编程，采用哪些编程技巧来实现这些算法，导致许多学生听得昏昏沉沉，学完该课程也不知如何在自己的研究课题中应用相关知识。根据上述存在的问题，在讲授该课程时，笔者采取了翻转学习法、基于项目驱动的教学方法及探究式教学方法，取得了较好的效果。一般该课程各算法功能的实现都是用VC++进行编程，对于农业工程大部分研究生来说，读懂程序还是存在一定困难的，而利用MATLAB软件的数字图像处理工具箱的各种图像处理函数可以轻松方便地完成农业工程里需要进行图像处理和分析的内容，而不必详细理解该算法是如何工作的，只需了解这个算法或程序能够完成什么功能。学习该门课程，督促学生查阅相关农产品计算机视觉处理的国内外期刊论文，能让他们了解计算机视觉及数字图像处理在农业工程领域的应用及最新的发展趋势，同时可以思考在自己的专业研究中如何运用计算机视觉检测及数字图像处理的知识进行科研创新。

二、教学方法改革

（一）利用探究式教学方法，培养学生独立思考的能力和探索精神

探究式教学方法从学科领域或者现实生活中确定要研究的主题，在教学中创设类似于科学研究的情境，使学生能够独立自主地发现问题，然后通过一系列的科学研究和分析手段来解决问题，获得知识，培养能力，发展探索精神与创新能力。探究式教学方法提倡教学过程中以学生为主体，教师是启发者与引导者。

在进行该课程教学时，教师为了让学生将该门课程所学理论知识直接运用于其所攻读的专业方向课题研究中，在课程刚开始阶段，要求每个学生结合自己的专业研究方向确定一个小课题，在实验室利用机器视觉和图像处理方法及相关设备对该课题展开研究，研究的结果及处理过程中遇到的问题在课堂上同教师和同学讨论；每次课后需查阅一定数量的相关资料仔细研读后提出问题并尝试自己解决，解决不了的问题在课堂上提出和教师交流，让学生真正学以致用，而不是纠缠于理论知识和各种处理算法的思路及编程技巧。农业工程专业学位的硕士只是把计算机视觉检测和图像处理作为一种手段和工具，能够有意识地利用在该课程上学到的知识创造性地解决专业上所遇到的问题即可。比如有的学生是进行玉米播种机的研究的，确定的小课题为“如何利用视觉检测识别播种过程中的漏播问题”，做马铃薯切块装置研究的学生确定的课题为“如何利用视觉检测技术确定马铃薯的形状和大小”，做大蒜播种装置研究的学生确定的小题目为“在播种过程中如何确定大蒜的朝向”等。

（二）利用翻转课堂的同伴教学方式，提高学生学习的主动性和积极性

翻转课堂教学法的目的是创建以学习者为中心的学习环境，能够最大化地利用面对面的课堂教学时间。翻转学习环境的核心是对课堂时间的充分利用。在课外，主要集中在浅层次的学习方面，学习教材上的基础理论和知识，主要偏重于知识的记忆，而在课内，则主要进行深度学习，强调学习者的批判性学习能力、强调学习知识的迁移，注重高层次思维能力的培养，既要求学习者高情感投入和高行为投入，也注重认知结果方面的概念转变和复杂认知结构的养成。endprint

教师提前将教材要讲的内容布置给学生，让学生课下学习、记忆和理解，做教学PPT；每次给一个学生1节课的时间，让其在课堂上给其他学生讲解，包括算法功能、如何实现MATLAB里相应函数的调用及其在农业工程中的应用实例等。在学生教授过程中，教师要适时点评或者对不合适的地方加以纠正，其他学生也会提出疑问，再由讲课的学生予以解答。如果学生解答不了或回答得不完善，教师要及时给予解答和补充。通过学生之间、教师与学生之间的讨论、交流和沟通，学生对于知识的理解和应用记忆更深刻。

（三）采用案例教学与头脑风暴法，促进学生创新精神和实践能力的培养

案例教学法中采用的案例是生活中真实存在的，通过文字、图片、动画及视频的展示，易于学生学习和理解，因此能够调动学生学习的主动性。在教学中，通过讲解和讨论等，能够及时调节学生的注意力，有利于学生精神始终处于较兴奋的状态。一般选取的案例内容具有一定的代表性和普遍性，具有举一反三、触类旁通的作用。头脑风暴法通过鼓励学生在课堂上自由发表意见，无拘无束地通过思维共振方式针对所要解决的问题，天马行空地提出解决问题的思路和方法，这既可以促进课堂的活跃，也能增加教师和学生之间的交流和沟通，充分发挥学生的想象力和主动性。

比如在讲图像直方图时，学生已经了解了灰度直方图是表示图像中像素亮度的分布情况，不同的物体在图像中的亮度分布是不一样的，而且也学会了如何对图像直方图进行处理的方法，使图像更易于观看或识别，但具体如何在实际中应用这些知识，学生就不太了解，这时采用案例教学法就比较有效了。

在课堂上，教师通过图片给学生展示掉落在地的红枣，以前都是人工捡拾，在面积大数量多的情况下，工人劳动强度大，效率低。教师可以就如何收获掉落在地的红枣这个问题，请学生各抒己见，相互补充，能产生许多收获红枣的设想。等学生把自己的想法发表完毕，教师提示学生思考如何基于图像处理的方法来设计一台捡拾落地红枣的智能捡拾机，给学生留出30分钟左右的时间，让他们思考和讨论及上网查阅资料。

由于在课堂上充分调动了学生的積极性和主动性，引导他们进行创新思维，因此教师在课堂上不是“独唱”，而是和学生一块讨论思考，学生在课堂上也不再只是看书、听老师讲和记笔记，而是与老师同学共同探讨问题。由于案例教学法能充分调动学生的智慧和力量，因此容易开阔思路，收到良好的效果。30分钟后学生们提出了各种比较好的想法和思路，这时教师打开一个大学生创新设计竞赛的获特等奖的作品——一种机器视觉的自动调速落地红枣捡拾机，这是一款与消防风机配套使用的新型落地红枣收获机械，该机械通过图像识别装置配备的CCD传感器可识别机具前方地面红枣的数量。根据地面红枣数量的不同，电气控制系统可自动调节机具向前行进作业的速度大小，实现作业速度的智能控制。通过图片和文字让学生了解将所学知识应用于农机装备智能化并不是高不可攀的，只要愿意去观察和思考创新，运用课堂上所学的理论知识解决实际农业工程中遇到的问题就可以做到。

教师可提前给学生布置一些任务，这也是下次课要讲的案例内容，比如如何利用计算机视觉技术去分拣蔬菜中的黄叶，这不但需要用到前面图像增强和平滑的知识，而且还要用到图像颜色识别及图像分割的知识，促使他们课后提前查找资料，学习后面的图像分割及识别的相关知识，然后将相关知识应用于解决该实际问题。学生通过独立思考和创造，如果还有不理解或不能解决的问题，可以在上课时与教师和同学沟通交流，这对于将书本上的理论知识内化成自己解决问题的实践能力是有益的。

三、基于计算机视觉的农业工程专业硕士实践能力培养探索

专业硕士的培养与学术型硕士研究生的培养不同，对于学术性硕士研究生的培养比较偏重于理论，使他们在进行项目研究时能够有理论上的创新；而专业型硕士研究生的培养侧重于实践能力和应用能力的培养，在硕士学习期间，能够使他们获得工程实践能力及创新能力，顺利实现从理论到实践的过渡，以便更好地适应毕业后在本行业内的工作。因此必须充分利用一切可以利用的条件来锻炼他们的实践和应用能力。学院创新实验室有许多机构和零部件，还有一个比较先进的计算机视觉排种器试验台，用来测试各种排种器的性能。这种基于计算机视觉的排种器性能试验台的结构是输送带运动，排种器固定，原理是用计算机高速摄影技术来对排种器进行性能检测，它的特点是应用相机拍摄种子运动的图片，然后通过各种图像处理与分析技术进行排种器性能参数测量。教师可将学生分成2人一组，对农业机械中常用的排种器的结构进行分析，然后选择一种排种器在计算机视觉排种试验台上进行测试，记录结果，分析原因。让学生不但要了解在排种器性能测试时，用了哪些图像处理和视觉检测方法，还要了解排种器的详细结构，针对现有排种器的缺点，利用各种创新技法，寻求改进，进行创新。

在计算机视觉检测与图像处理的课堂教学中，教师要有意识地引导学生将所学理论知识应用于实际的项目，但由于课堂教学时间的限制，有些利用计算机视觉的实际工程问题只是提出了一些想法，没有具体实施的条件。为了在学完本课程后学生能够将所学的理论知识应用到具体的农业工程领域中并形成一套完整的装置，教师要鼓励学生积极进行农机装备智能化，把在本课程学到的知识转化成能力应用于机械装置的设计，参加山东省机电创新大赛和“东方红”杯全国大学生智能农业装备创新大赛。这样可以促使他们将计算机视觉知识应用于实际的产品设计中，增强他们的动手实践能力，同时还要与其他学科知识结合起来完成相应的功能。

四、结束语

通过对计算机视觉检测与图像处理在这门课程的教学改革，学生对于学习这门课程的兴趣和积极性提高了；特别对于农业工程专业的研究生来说，了解和掌握计算机视觉检测和图像处理的知识，对于他们的专业研究或是以后的工作方面都可以起到开阔视野的作用，对其素质的提高和创新能力的培养也起到了非常重要的作用。

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[责任编辑：刘凤华]endprint