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基于课堂专利研读的研究生创新能力培养——以《数字图像处理与分析》课程为例

发表时间：2021/8/10 来源：《教育研究》2021年10月作者：李忠国1 唐炜1 王佳1 迟睿2

[导读] 在课堂对专利的研读是提高研究生创新能力的一种方法。课堂研读专利的内容选择可以选择同类方法比较多的内容或者属于突破思维产生的火花型的内容。

江苏科技大学机械工程学院1 李忠国1 唐炜1 王佳1
江苏科技大学经管学院2 迟睿2

摘要:在课堂对专利的研读是提高研究生创新能力的一种方法。课堂研读专利的内容选择可以选择同类方法比较多的内容或者属于突破思维产生的火花型的内容。本文通过案例将如何通过对科学难题传统解决方法的梳理中得出创新的思维火花，作为重点内容进行了介绍。最后对专利的、撰写、代理服务选择和修改也做了简要总结。通过几年的教学实践证明，课堂专利的研读对研究生创新能力的培养具有较大的帮助。
关键词：专利撰写；创新思维；数字图像处理；教学研究
        专利，也称为专利权，是一项发明创造，是经申请人向代表国家的专利机关提出申请，经审查合格后，由专利主管机关向专利申请人授予的在规定时间内对该项发明创造享有的专有权[1]。研究生的专利研读是指通过对专利所涉及的课堂知识、专利所解决的问题、专利的新颖性、创造性、实用性、专利思维的来源等逐一剖析，使学生在加深课堂知识的同时，拓展知识的应用，以发散式思维提出更多解决问题途径的一种研究生教学方法。
        一、研究生专利研读的意义和现状
        研究生教育能为国家提供广泛的智力支持和坚实的人才基础，是推动国家生产力发展的重要力量[2]。研究生教育的质量是衡量一个国家高等教育发达程度以及科技、文化发展水平的重要标志，逐渐受到世界各国研究机构和人员的高度重视[3]。研究生课堂教学是保证研究生教育质量的基础，课堂教学的效果会直接影响后续的研究生培养。“大众创业，万众创新”是时代对人才培养的要求和召唤。研究生教育也需要将培养研究生的创新思维作为重要部分。研究生创新思维的培育可以从课堂教学开始，在课堂教学中研读专利内容，利于巩固和升华所讲授研究生课程的专业知识，使研究生在纵向逻辑分析和横向方法比较中掌握课程相关领域创新点的发掘规律，培养创新思维的形成，增强培养研究生分析问题、解决问题的能力。通过课堂对专利的研读教学使研究生顺利完成研究课题选择、设计和实验方案确定、学术论文和学位论文撰写等重要环节具有重要意义[4]
        目前，相对于期刊文献，研究生查询参考的专利文献数量较少。造成的原因主要是对获取专利文献检索的途径不熟悉以及课题没有太高的创新要求等[5]。同时学校对研究专利素养的培养，目前集中在撰写专利的能力培养以及知识产权的保护等方面[6],而在课堂教学中对专利的研读相关研究较少。国家为了解决专利培养中的不足，制定了《高校知识产权信息服务中心建设实施办法》，并于2018年1月进行了解读。目前有许多高校出台鼓励研究生撰写专利的政策，使得研究生撰写专利的数量在上升，但相对于SCI论文的数量，专利的数量仍然相差很多[1]。
        专利的撰写除了熟悉专利的写作规范等固定要求外，产生创新性的思想火花是成功申请专利的核心要素。而这些创新性火花应该从研究生课堂教学开始就开始培育。课堂对专利研读的缺失是当前研究生撰写专利能力不足的重要原因之一。本人目前已经以第一发明人授权的数字图像处理相关的专利六项，另有受理五项，目前尚未有申请后撤销的专利。本文拟结合所上研究生课程《数字图像处理与分析》的教学，参考本人撰写专利中搜寻创新点的思维过程，对本人专利和其他专利进行研读剖析，以期巩固和升华所讲授研究生课程的专业知识，使研究生在纵向逻辑分析和横向方法比较中掌握数字图像领域创新点的发掘规律，从专业课程知识的角度启发研究生创新性的思维，培养创新的习惯，增强培养研究生分析问题、解决问题的能力。本文从专利内容选择、解决方案构思、权利要求书的撰写和专利代理三个方面，指导研究生专利的撰写，提高研究生的创新能力。
        二、研读专利研究内容的选择
        选择那一方面内容的专利进行课堂研读可能有些老师心存疑惑。其实研读专利内容的选择跟申请专利内容一样，没有太大的要求。申请专利的内容可以是老问题也可以是新问题，关键是后面解决问题的方法满足新颖性、创造性和实用性即可。在课堂研读专利的内容最好选择便于同类方法比较和专利所用方法便于由归纳和推导引出思路的专利。本人目前授权的几个发明专利分别是《一种无人艇起吊回收视觉引导方法》《基于海天线旋转后准确确定目标区域的方法》《一种海天线检测中图像二值化阈值确定方法》《一种基于手机图像采集的学生课堂监测系统及其监测方法》、《一种基于深度图像的路面检测系统》、《****特征提取方法》，受理的几个专利为《一种基于极坐标的相机畸变图像校正方法》、《一种图像测量中基于光斑的像素尺寸动态标定系统和标定方法》、《一种基于图像增强的去雾方法》、《一种基于形态学的目标特征提取方法》和《基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置及其测速方法》。从上述专利的内容上看有传统问题，如图像二值化阈值的确定，目标区域确定，相机矫正和相机标定，特征提取，视觉监测和视觉测量，也有新的应用，例如视觉导引，图像去雾等内容。只要是研究或科研项目中遇到的难题就可以作为申请专利的内容。但课堂研读专利内容的选择，倾向于两种，一种是同类方法较多，便于比较、归纳和推导，例如《一种海天线检测中图像二值化阈值确定方法》；二种是属于突破传统方法的思维火花型，便于激发学生灵感，例如《一种无人艇起吊回收视觉引导方法》、《一种基于手机图像采集的学生课堂监测系统及其监测方法》、《一种基于极坐标的相机畸变图像校正方法》、《一种图像测量中基于光斑的像素尺寸动态标定系统和标定方法》和《基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置及其测速方法》。
        三、研读专利相关的传统解决方法和创新思路引出
        数字图像处理中的大多数问题都是多种解决方法并存的局面，即没有一种方法对一种问题形成统治力，在不同情况下需要采用不同的方法。在对研究生进行专利研读时要先介绍这些传统的解决方法。专利提出的解决方案是整个专利的核心。任何一个数字图像处理问题的解决方案可以看成是多约束条件下的单目标优化问题求解，分析问题的难点，找到解决问题存在的众多约束条件，在几个的可行解中寻找一个有创新性的、新颖的方案是数字图像专利撰写的思路。因为专利的申请即需要坚实的相关知识，有需要有创新的火花。
        创新火花产生既有偶然因素，也有内在的规律。在专利《一种海天线检测中图像二值化阈值确定方法》中所涉及的内容是图像二值化阈值的确定方法。目前的方法有OTSU（大津算法）、固定二值化、自适应二值化等等，通过深入讲解上述基础算法的由来，让学生明白每种算法的优缺点。介绍完后转到本专利要解决的问题，是在海天图像中准确的确定海天线。海天图像变化多，背景内容变换不定，有海岛，有水生植物，光照条件随时变换，这就是海天线在提取中遇到的最大困难。针对困难提出的两步解决方法，首先在变化的背景中寻找不变的内容，在海天图像中天一般在图像的上部，海一般在图像的下部。上部天空部分也不是全部是天，可能有云朵，有飞鸟等，下部的海也不全部是海，可能有少量水生植物，渔船等。所以下面在整幅图像中选取上面十分之一作为天空区域，下面十分之一作为海面区域，统计天空区域和海面区域的直方图，在天空区域最多的点认为是天空，在海面区域最多的点是海面。这样根据两直方图中像素值最多的值（记为Ttop和Tbot）作为设定阈值的依据。针对背景可能出现不同的内容情况有需要区别对待，因而需要根据Ttop和Tbot之间的差值，分三种情况进行讨论：差值很小，差值中等，差值很大，然后就可以判断有无海天线或设定阈值完成海天线的检测。因为算法即考虑了不变的信息有考虑和变化的内容，针对不同情况海天线检测的效果较为理想，见图1。

《一种基于手机图像采集的学生课堂监测系统及其监测方法》基于低头族在课堂玩手机游戏是影响学业的主要原因，如何让学生远离手机屏幕是解决问题的有效方法，因而提出了采用手机正面的相机采集学生脸部照片，根据学生上课和玩游戏时人脸的比例差异区分学生是否在停课，再加上数据通讯等内容完成了一个专利。《一种基于极坐标的相机畸变图像校正方法》是突破传统思维和方法的一个例子。传统的相机畸变校正是张正友的棋盘网格校正，是基于直角坐标的，而相机的畸变主要是径向畸变和切向畸变，用极坐标也是一种尝试。因而提出了采用同心圆加射线的标定图案，见图3。再通过畸变公式设计，畸变参数求解，畸变校正等步骤完成基于极坐标的相机畸变校正。《一种图像测量中基于光斑的像素尺寸动态标定系统和标定方法》是基于光的直线传播特性。通常用于相机像素的标定是用固定尺寸的标准棒来完成像素标定，标定棒的放置在很多情况下并不方便，利用两个固定距离的平行光源投射光斑到需要尺寸测量的被测物体上，利用图像求解两个光斑中心之间的像素个数，两个光斑之间的实际物理距离等于光源之间的距离，因而可以完成每个像素代表的实际尺寸的标定。《基于kinect的用于低转速系统的多点测速装置及其测速方法》利用kinect传感器能测量传感器到物体的距离，即深度数据，而带叶片的旋转物体在某些点处的深度数据随着物体的旋转不断变化，根据数据变化的次数可实现多个低转速旋转体的同时测速。

        四、完成专利查新、撰写、代理和修改
        专利申请的难点在于该方法解决该问题必须是创新性的，否则会申请失败。所以在完成构思后必须查询相关内容的文献资料，确保没有人采用过该方法解决该类问题，然后就可以撰写专利了。专利的撰写有严格的格式要求，内容包括说明书摘要、摘要附图权力要求书、说明书和说明书附图几部分。说明书又包含了技术领域、背景技术、发明内容（含有益效果）、附图说明、具体实施方式（含实施例）及部分。说明书中不应出现参考文献标记，这是初写者易烦的错误。完成后可以找专门的代理机构代理申请。不同的代理机构，即便同一机构的不同人经验和专业知识都不尽相同，选择合适的代理机构，找个经验丰富的代理人都是申请成功的条件之一。专利受理后会收到一通意见和二通意见，通常会提供相似文献证明也有人采用类似方法，该类意见可以深入分析，明确该专利和相似文献的主要差异后可以对意见进行答复，只要却有创新性，一般都能申请成功。
        五、结论
        经一段时间的教学实践证明，研究生课程教学中，当完成基本的专业知识讲授后，在课程最后加入两学时左右的专利研读的课程，精心挑选研读的专利的内容，通过知识点的横向关联分析和解决问题中的纵向归纳推理，会使学生的专业知识得到巩固和升华，引导研究生提升专利撰写的能力，发挥其创造和创新能力，提高研究生的培养质量。
参考文献
[1]马琳,秦丹阳,何晨光.发明专利撰写在工科类研究生培养中的积极作用探讨[J].工业和信息化教育，2016（6）：37-42
[2]孔祥沛.基于江苏高校的研究生教育质量评价实证研究[D]:[博士论文] .南京：南京航空航天大学，2011；
[3]邱均平，吕红.国际研究生教育研究现状分析[J].学位与研究生教育，2013（9）：72-77.
[4]刘喜军，杨雷，丛万锁，佟有才.研究生专业文献阅读能力培养的探索与实践[J].黑龙江畜牧兽医，2017（11上）：258-259，264；
[5]姜丽芙.大学生缘何冷落专利文献[J].中国发明与专利，2008（4）：49-50.
[6]潘绍明, 蔡启仲,李克俭.研究生知识产权创造能力的培养研究与实践[J].课程教育研究，2013，（2中）：238
[基金项目：江苏科技大学机械学院教学方法改革示范课程（KCJS202005）；国家级一流本科专业建设点项目；
作者简介：李忠国（1975-），男，山东安丘人，副教授，博士研究生，主要从事数字图像处理研究；联系人：迟睿（1978-），女，山东莱阳人，讲师，从事绩效管理研究；唐炜（1973-），男，重庆渝北人，硕士研究生，副教授，从事机电控制系统设计；王佳（1979-），男，湖北广水人，硕士研究生，副教授，从事机电系统设计。