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摘 要：新时代对人才培养提出了更高要求。教学和科研协同是培养学生综合素养的重要措施。本文将科研实验成果“智 能视频跟踪系统”转化为教学案例,融入数字图像处理与图像通信的课堂教学中,能发挥多方面的作用。首先,可以重温知 识,夯实基础 ;其次,能够掌握当前先进的专业知识,提升工程实践能力 ;最后能够激发学生的学习兴趣,培养学生的创新科 研思维。
关键词：科研,课堂教学,人才培养,创新思维
Exploration and Practice of Integrating Experimental Results of Scientific Research into Classroom Teaching
TANG Guijin, LU Guanming
(School of Telecommunications & Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,
Nanjing Jiangsu 210003)
【Abstract】： The new era puts forward higher requirements for talent training. Cooperation between teaching and scientific research is an important measure to cultivate students' comprehensive quality. In this paper, the experimental results of the scientific research "intelligent video tracking system" is transformed into a teaching case and integrated into the classroom teaching of the course of digital image processing and image communication. This will have multiple effects. Firstly, it can make students review the knowledge and lay a solid foundation. Secondly, it can make students master the current advanced professional knowledge and improve their engineering practice abilities. Finally, it can stimulate students' interest in learning and cultivate students' innovative thinking of scientific research.
【Key words】： scientific research;classroom teaching;talent training;creative thinking
引言
课堂教学是教育活动的基础,是大学育人的重要环 节,教学质量关系到人才培养质量。2019 年 10 月,教 育部发布的《教育部关于深化本科教育教学改革全面提 高人才培养质量的意见》中指出,要强化科研育人功 能,把科研成果转化为课堂教学的内容,激发学生学习 兴趣,加深学生对专业的了解。高校教师既是走入课堂 的讲者,也是科研工作者 [1]。如何发挥自身优势,将学术研究成果融入课堂教学,培养具有科研创新思维和工 程实践能力的高素质人才,已经成为高等学校所面临的 紧迫任务,成为摆在每一位教师面前的一项难题 [2-4]。
从国家实施科教兴国战略以来,我们国家在教育领 域发展较为迅速,已建成了世界规模最大的高等教育体 系。党的十八大以来,国家坚持创新驱动实质是人才驱 动,不断改善人才发展环境、激发人才创造活力,培养 和造就了一大批具备深厚科研底蕴、扎实工程能力和具有全球视野的高素质人才。这些人才中,有很多仍留在 教育系统内,成为三尺讲台上的传道受业解惑者,这就 为教学和科研的融合提供了有力的人才保障。同时,我 国的科研近些年来也取得了翻天覆地的变化,在通信、 航天、人工智能等领域都取得重大的成就 [5]。科研工作 反映了技术的发展动向和知识的实际应用,是工程实践 能力和创新思维培养的重要手段,为科研融于课堂提供 了良好的硬件技术支撑 [6.7]。
作为电子信息类专业的教师,在专业课的课堂上, 既能够教导学生掌握抽象的理论和深奥的知识,又能培 养学生的创新思维,是我们需要思考的一个问题 [8-10]。 本文以南京邮电大学专业课程数字图像处理与图像通信 的课堂讲授为例,在讲授图像噪声分类、图像边缘检测、 图像二值化、图像形态学操作、图像分类等知识点时, 借 助科研项目智能视频跟踪系统(如下图 1 所示),分析 了其在夯实基础、理实交融、提升能力等方面的作用。
1 将科研项目引入课堂教学，有利于知识重温，夯实基础
引入课堂教学中用的摄像机为 SONY EVI-D100. 具备镜头旋转,聚焦,镜头拉伸等功能。计算机可以通 过串口线连接摄像机的 VISCA 端口,根据 VISCA 协 议,完成对摄像机的控制 [11], VISCA 协议格式如图 2 所示 ：
由图可见, VISCA 通信的基本单元由三个部分组成 ：包头、信息位、以及终止符。包头占第一个字节, 包含发送端地址和接收端地址。包头后面是信息位,用 来完成对摄像机的操控, 信息位的内容不同,其表示的 需要摄像机进行的动作不同。这些信息位具体的含义, 在 VISCA 中有规定格式的控制字。只要发送有意义的 符合规定格式的控制字,摄像机就可以做出相应的反 应。例如, “01 06 01 01 01 03 01H”代表让摄像头垂 直向上转动, “01 06 04H”代表使得摄像机复位。包的 最后为终止符,规定为固定内容 FF,表示整个包传送 完毕。
这部分内容和学生在大学低年级时的课程《网络技 术与应用》、《通信网络技术(双语)》中的 MAC 数据 包、IP 数据包等的封装格式类似, 通过在课堂教学中 引入此科研项目,可以实现对之前通信协议等知识的重温,加深对以前知识的理解,实现知识的融会贯通。
2 将科研项目引入课堂教学，有利于掌握扎实知识，提 升工程实际能力
该科研实验中,摄像机通过 VISCA 端口与计算机 的串口(DB9 公头) 相连接, 两个端口示意图如图 3 和 图 4 所示 ：
学生们需要制作 VISCA 端口转 DB9 端口的连接线 一个,以使得摄像机和计算机的这两个口能够相连,它 们之间的端口引脚连接示意图如图 5 所示 ：
在通过连接线把摄像机与计算机相连后,可以借助 于串口编程,来完成对摄像机的控制,串口编程可以使 用 Windows 系统提供的 API 接口函数来完成 [12]。在 WIN32 API 中,串口使用文件方式进行访问,其操作 的 API 基本上与文件操作的 API 一致 [13]。
本实验将串口的配置参数设置 ：波特率 9600bps, 数据位 8bits,无校验位,停止位 1bit,起始位 1bit。发送控制字“88 30 01 FFH”对摄像机进行初始 化,指定了收发双方的地址,等待控制指令的到来。视频采集卡采用天敏 SDK3000.能够支持 YUV2、 RGB32、RGB24 和 RGB555 视频格式。因此, 需要学 生将此卡插在计算机主板的 PCI 插槽上。
对于智能跟踪算法,其流程可以细化为 ：
首先系统从摄像头采集 YUV 数据帧,然后对 YUV 数据帧进行预处理,主要包括 YUV 数据帧格式转换等。 接着,对当前帧与前一帧进行帧间差分并二值化,确定 运动轮廓区域。然后,利用形态学的膨胀算子填充空洞 区域。因为膨胀后,噪声也相应放大,因此,需要去除 图像中的噪声。最后利用腐蚀算子,删除因为膨胀多余 出来的边缘。对得出的运动目标进行特征匹配,以确定 是否是感兴趣的目标。如果是感兴趣目标,则更新目标 位置信息、特征信息等。效果展示如图 7 ：
可以看出,上述项目实验步骤, 既需要学生完成硬 件方面的操作,使得学生能够熟悉仪器设备,增加对图 像二值化、图像形态学等知识的感性认识,破除“谈硬 件色变”的畏惧心理,同时又需要学生动脑设计算法, 编写程序软件代码,排除差错。硬件和软件两方面相结 合,提升了学生工程实践的能力。
3 将科研项目引入课堂教学，有利于学生创新能力的培养
在上述项目实验中,对感兴趣目标的判断,其实 质是完成目标的特征提取和匹配工作。该问题可以首 先采用传统的人工标注来提取特征,这些特征包括 颜色特征、 局部二值模式(Local Binary Patterns, LBP)特征 [13]、尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform,SIFT) 特征 [14]、方向梯度直方 图(Histogram of Oriented Gradient, HOG)特征 [15], 然后在上述特征空间中,利用适合的分类器,如聚类算 法、支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、 随机森林,把待识别对象判决为某一个类别。
可以看出,此时的识别方法需要手工设计和提取特 征,这需要对数据加以分析,才能挑选出能将那些数据 区分开来的特征。同时,还有给这些特征匹配一个合适 的分类器。
这促使学生进行思考,能否不手动设计特征和分类 器,就能够很好地判断出有无感兴趣目标?因此,可以 引导学生, 借助深度学习网络来完成上述工作 [16]。只 需要将大量需要训练的图像以及这些图像的正负样本 类型输入系统,系统自动完成特征提取和分类器的学 习,然后将待识别图像输入系统,系统将直接输出识别 结果。对于选用何种深度学习网络,这需要学生进行分辨,考量不同网络的优点和缺点,选择适用的网络。即 便已选定某种网络,又涉及到网络深度、激活函数等的 设计。整个思路如图 8 所示。这些都需要学生比较分析 后,然后确定实验方案。
可以看出,上述过程从课内常用的传统识别方法, 延伸到课外的当前较为前沿的深度学习方法,拓宽了学 生的科研视野,较好地培养了学生发现问题、分析问题 和解决问题的创新思维能力。
4 科研实验成果融入课堂教学的思考
将科研实验成果融入课堂教学,首先需要教师有足够的意识。作为一名大学教师,科研和教学是其工作的 两个重要方面。它们之间是相互依赖和相互促进的。科 研可以丰富教学内容,教学可以促进科研的深化。将它 们进行割裂的行为有可能导致大学教育活动的不完整。 任课教师主动将科研项目进行凝练,形成适合课堂教学 的项目案例,开拓学生视野,培养学生实践能力和创新 意识。
将科研实验成果融入课堂教学,还需要有循序渐进 的良好机制。课堂教学质量的提升不是一蹴而就的事 情,需要教师能够投入足够的时间去琢磨如何将科研成果转化为教学资源。项目的融入,忌讳强拉硬塞,这将 打破课程教学内容的连贯性,造成知识的碎片化。当整 个项目不合适融入时,可以将项目做成模块化,以模块 化的形式切入课堂的某个知识点。可以采用课程组集体 备课方式,共同探讨。同时,多向学生了解课堂情况, 改进融入的时机、时长或者项目内容等。另外,学校也 可以设置研究课题来提升老师们的教学和科研水平,颁 布相应的办法来鼓励老师们进行相关的转化工作。通过 上述多种措施,最终形成良好的循环。
5 结论
课堂是学校教育的主阵地,是培养人才的关键场所。 如何提升课堂教学质量,一直是教育教学改革的重要 研究课题。本文以将智能跟踪系统科研项目融入课堂教 学为例,分析了科研项目融入课堂后,对课堂教学质量 的影响,旨在吸引学生的学习兴趣,激发他们的创新热 情,培养其探索精神以及提升其创新能力,可供电子信 息类课程借鉴共享经验做法。随着新工科建设的不断深 入,下一步在科研赋能课堂教学质量的同时,结合企业 和行业需求,实施产教融合策略,探索新时代培养人才 的新思路和新方法。
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