研究生機(jī)器視覺(jué)課程的CDIO教學(xué)改革實(shí)踐

史金龍　白素琴　龐林斌　錢強(qiáng)

摘要：闡述基于CDIO的機(jī)器視覺(jué)研究生課程教學(xué)改革實(shí)踐方法，提出通過(guò)開(kāi)展實(shí)踐式教學(xué)、創(chuàng)建實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室、設(shè)計(jì)真實(shí)的教學(xué)環(huán)境等教學(xué)改革手段，加強(qiáng)教師素質(zhì)培養(yǎng)與團(tuán)隊(duì)建設(shè)。實(shí)踐證明，該改革方法能夠改善課程教學(xué)效果，提高研究生科研能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；CDIO；教學(xué)改革；研究生教學(xué)

我國(guó)的研究生教育經(jīng)過(guò)擴(kuò)招后，質(zhì)量出現(xiàn)了嚴(yán)重下滑的現(xiàn)象，研究生教育改革勢(shì)在必行。為提高研究生教育質(zhì)量，課程體系改革是中心工作。傳統(tǒng)的教育模式主要是教師主動(dòng)傳授，學(xué)生被動(dòng)接受。這種教育方式已不適應(yīng)當(dāng)前人才培養(yǎng)需要，因此必須逐步改變傳統(tǒng)教育模式，探索適合中國(guó)教育特色的研究生培養(yǎng)路線，實(shí)踐證明CDIO是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的可行之路。本文以研究生機(jī)器視覺(jué)課程為試點(diǎn)，探索CDIO模型下的研究生教學(xué)改革方案。

1.機(jī)器視覺(jué)課程特點(diǎn)

隨著數(shù)字圖像處理、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。機(jī)器視覺(jué)成為了信息相關(guān)專業(yè)研究生的一門重要選修課，該課程涉及信息處理、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、人工智能等眾多領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)從信息處理的層次研究視覺(jué)信息的認(rèn)知過(guò)程，包括視覺(jué)處理中的方法、理論及信息描述等。該課程具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。

1）理論抽象，內(nèi)容廣泛。

機(jī)器視覺(jué)涉及圖像處理、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，所涉及的內(nèi)容數(shù)學(xué)表達(dá)抽象、內(nèi)容廣泛、算法繁多，學(xué)生難以理解。

2）與工程應(yīng)用結(jié)合緊密，實(shí)踐性強(qiáng)。

這門課程知識(shí)體系的構(gòu)建源自各種特色專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)中，特別是在各種生產(chǎn)線上，視覺(jué)產(chǎn)品應(yīng)用非常廣泛。只有讓研究生經(jīng)歷大量的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，才能深切體會(huì)各種機(jī)器視覺(jué)算法和技術(shù)的功能及作用。

2.CDIO教育模式

隨著經(jīng)濟(jì)、科技高速發(fā)展，全球面臨工程人才短缺和工程教育質(zhì)量問(wèn)題。為了培養(yǎng)符合企業(yè)需求的人才，麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)過(guò)多年探索、研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育模式，并成立了CDIO國(guó)際合作組織。CDl0教育模式是構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）4個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)。

（1）構(gòu)思要求學(xué)生根據(jù)所掌握的專業(yè)知識(shí)基本原理，確定個(gè)人未來(lái)的發(fā)展方向。

（2）設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品規(guī)劃與設(shè)計(jì)為核心，通過(guò)產(chǎn)品研發(fā)，解決某個(gè)具體問(wèn)題。

（3）實(shí)現(xiàn)是以制造或建造為核心，鞏固學(xué)生所掌握的專業(yè)知識(shí)，提高實(shí)踐能力，形成一體化的課程實(shí)踐。

（4）運(yùn)作是產(chǎn)品應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)將學(xué)生能力培養(yǎng)貫穿于從產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期中。通過(guò)系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)，提高學(xué)生的專業(yè)技術(shù)水平，培養(yǎng)學(xué)生個(gè)人能力、職業(yè)能力、態(tài)度、團(tuán)隊(duì)工作和交流能力等。

CDIO代表了一種工程教育理念，它是“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”及“做的過(guò)程中學(xué)習(xí)”的抽象表達(dá)和集中概括，強(qiáng)調(diào)通過(guò)密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。燕山大學(xué)、清華大學(xué)、汕頭大學(xué)等多所高校進(jìn)行了CDIO教育模式試點(diǎn)改革，并取得較好的成效。

3.基于CDIO的“機(jī)器視覺(jué)”教學(xué)改革

本課題組借鑒國(guó)內(nèi)外高校在CDIO教學(xué)改革方面的經(jīng)驗(yàn)，重新審視了江蘇科技大學(xué)研究生教學(xué)中機(jī)器視覺(jué)課程的不足之處，參照CDIO教育模式，結(jié)合江蘇科技大學(xué)特點(diǎn)制定了基于CDIO的機(jī)器視覺(jué)教學(xué)改革方案。江蘇科技大學(xué)研究生來(lái)自全國(guó)各地，部分學(xué)生是非計(jì)算機(jī)專業(yè)出身，知識(shí)水平及應(yīng)用能力差距較大；同時(shí)，該課程內(nèi)容涉及廣泛、綜合性強(qiáng)，需注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，這些都給教學(xué)帶來(lái)了困難。

3.1加強(qiáng)教師素質(zhì)培養(yǎng)與團(tuán)隊(duì)建設(shè)

CDIO模式的實(shí)施需要教師深刻理解CDIO模式的理念，具備豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并能長(zhǎng)期與企業(yè)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)展合作，因此，江蘇科技大學(xué)作出關(guān)于培育CDIO模式師資力量的計(jì)劃。首先，讓青年教師到企業(yè)掛職鍛煉，了解企業(yè)實(shí)際需求及工業(yè)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展；其次，與企業(yè)簽訂合同，讓教師參與企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)，提高教師工程實(shí)踐能力；再次，將教師企業(yè)掛職經(jīng)歷、參與企業(yè)合作研發(fā)產(chǎn)生的效益等作為晉職的考核指標(biāo)之一。

本次教學(xué)改革打破傳統(tǒng)系、教研室的觀念，組建復(fù)合型“機(jī)器視覺(jué)”教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)以機(jī)器視覺(jué)課程為主線，吸收數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、軟件工程等基礎(chǔ)課，工業(yè)控制、機(jī)器人學(xué)、人工智能、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等專業(yè)課，實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)課程和相關(guān)專業(yè)課程的融合，促進(jìn)機(jī)器視覺(jué)與相關(guān)專業(yè)知識(shí)的互相滲透和有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教師及實(shí)驗(yàn)資源的合理使用。

同時(shí)，學(xué)校要求本課題中從事機(jī)器視覺(jué)教學(xué)的教師，不僅從事機(jī)器視覺(jué)課堂教學(xué)，而且必須參與相關(guān)項(xiàng)目，從事實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試等工作。目前，江蘇科技大學(xué)的機(jī)器視覺(jué)教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，已與企業(yè)合作承擔(dān)了若干與機(jī)器視覺(jué)相關(guān)的項(xiàng)目。通過(guò)參與項(xiàng)目的實(shí)際開(kāi)發(fā)，提高了教師的教學(xué)科研能力，同時(shí)為CDIO模式的有效實(shí)施創(chuàng)造了有利條件。

3.2開(kāi)展講座式、討論式、實(shí)踐式教學(xué)

本次教學(xué)改革將機(jī)器視覺(jué)的教學(xué)內(nèi)容分割成濾波器、特征提取與匹配、圖像分割、圖像匹配、目標(biāo)跟蹤、光流、三維重建、缺陷檢測(cè)等若干研究主題。針對(duì)每個(gè)主題設(shè)計(jì)項(xiàng)目，教師圍繞項(xiàng)目進(jìn)行講授，讓學(xué)生理解每個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)、任務(wù)、所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)、開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的基本過(guò)程。

在課堂教學(xué)中，教師采用提問(wèn)式教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的討論熱情，鼓勵(lì)學(xué)生自發(fā)的討論問(wèn)題。

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，將3-5名學(xué)生分為1組，每組同學(xué)選擇并完成不同的項(xiàng)目，達(dá)到將所學(xué)理論融入科研實(shí)踐的目的。學(xué)校鼓勵(lì)學(xué)生完善所做項(xiàng)目，積極參加大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”、機(jī)器人大賽、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等各種科技競(jìng)賽，增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)創(chuàng)新能力。

最后，組織學(xué)生進(jìn)行課題討論，提煉總結(jié)創(chuàng)新成果，并要求學(xué)生提交計(jì)劃、分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試等創(chuàng)作文檔。通過(guò)項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路的描述和分析討論，使學(xué)生將機(jī)器視覺(jué)課程與專業(yè)課程體系有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，深入消化、吸收所學(xué)知識(shí)，理解、掌握科研創(chuàng)新的方法及過(guò)程，激發(fā)實(shí)踐創(chuàng)新興趣。

3.3創(chuàng)建實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)真實(shí)的教學(xué)環(huán)境

CDIO教育體系旨在培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人員，注重將教學(xué)項(xiàng)目的全過(guò)程放在真實(shí)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境中。江蘇科技大學(xué)非常注重教學(xué)工廠型實(shí)習(xí)基地建設(shè)，課題組抓住洽談機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)目的契機(jī)，與符合專業(yè)發(fā)展方向的機(jī)器視覺(jué)企業(yè)建立了校企合作機(jī)制，創(chuàng)建了符合教學(xué)要求的產(chǎn)品研發(fā)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)品研發(fā)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室既是教室又是實(shí)驗(yàn)室，真正做到“教學(xué)和實(shí)踐合一”。課程教學(xué)時(shí)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行實(shí)訓(xùn)、研究。學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)中實(shí)踐，有利于其構(gòu)建扎實(shí)的“機(jī)器視覺(jué)”知識(shí)體系。

在產(chǎn)品研發(fā)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室中，要求學(xué)生嚴(yán)格按照企業(yè)規(guī)定進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)，例如產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件編碼、測(cè)試等工作要嚴(yán)格按照需求執(zhí)行，要有相應(yīng)的技術(shù)文檔。這樣有利于學(xué)生在真實(shí)的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中掌握技術(shù)規(guī)范、工程化研發(fā)思想及相應(yīng)的專業(yè)技能。

教師參與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可將教師的最新研究成果應(yīng)用于企業(yè)，也可通過(guò)企業(yè)的實(shí)際需求帶動(dòng)教師的科研工作。在此過(guò)程中教師能更好地指導(dǎo)學(xué)生，與學(xué)生形成默契的合作關(guān)系。

另外，課題組將公司的企業(yè)文化及管理思想引入實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生在企業(yè)環(huán)境下掌握管理知識(shí)、學(xué)習(xí)管理經(jīng)驗(yàn)、養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)，做到企業(yè)運(yùn)營(yíng)與教學(xué)管理的真正融合。通過(guò)這樣的教學(xué)形式，培養(yǎng)真正適合企業(yè)需要的人才。

3.4培養(yǎng)學(xué)生合作精神，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)

“合作精神”與“團(tuán)隊(duì)意識(shí)”是CDIO教育理念精髓所在。社會(huì)的進(jìn)步與現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)都對(duì)高校人才“合作精神”與“團(tuán)隊(duì)意識(shí)”的培養(yǎng)提出了迫切要求。但中國(guó)人內(nèi)斂的傳統(tǒng)自我意識(shí)使學(xué)生之間缺乏交流與合作，以考試為中心的應(yīng)試教育忽略了對(duì)學(xué)生“合作精神”與“團(tuán)隊(duì)意識(shí)”的培養(yǎng)，獨(dú)生子女問(wèn)題導(dǎo)致部分學(xué)生自我思想較重，缺乏相互理解、寬容、謙讓的精神。

因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的“合作精神”與“團(tuán)隊(duì)意識(shí)”需要學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到團(tuán)隊(duì)課題中，在課題中實(shí)踐合作精神，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。實(shí)踐教學(xué)作為研究生教學(xué)環(huán)節(jié)中重要的組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐及創(chuàng)新能力的重要途徑，更能將“團(tuán)隊(duì)意識(shí)”的培養(yǎng)落到實(shí)處。

在機(jī)器視覺(jué)課程中，安排4～5名學(xué)生組成小組，完成項(xiàng)目作業(yè)，每人承擔(dān)項(xiàng)目的不同部分，最后以組為單位提交設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)報(bào)告，讓學(xué)生逐一匯報(bào)自己的工作，進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)交流與經(jīng)驗(yàn)分享。這種方式即拓展了學(xué)生的知識(shí)，又培養(yǎng)了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)、溝通協(xié)調(diào)等能力。

機(jī)器視覺(jué)類項(xiàng)目以算法為主，需要通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中通常采用VSS（Visual Source Safe）源碼版本控制軟件進(jìn)行團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)管理。教學(xué)中，學(xué)生的項(xiàng)目計(jì)劃文檔、需求分析文檔、軟件設(shè)計(jì)文檔、算法源代碼、測(cè)試文檔等均通過(guò)VSS服務(wù)器實(shí)現(xiàn)共享管理，以便學(xué)生從項(xiàng)目中學(xué)會(huì)計(jì)劃、協(xié)調(diào)、溝通，提高學(xué)生的組織和團(tuán)隊(duì)合作能力。

學(xué)生最終的成績(jī)以小組共同開(kāi)發(fā)的軟件為評(píng)分依據(jù)，同組組員得分相同。通過(guò)項(xiàng)目調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)與他人的合作精神，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

4.教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系

為了客觀地評(píng)價(jià)CDIO教育模式的教學(xué)效果，發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，制定教學(xué)完善措施，需要建立一套科學(xué)的教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系。在CDIO模式中，除了評(píng)估學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能之外，也要評(píng)估學(xué)生個(gè)人的人際交往技能以及產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程控制和系統(tǒng)構(gòu)建技能。

本課題組使用以下方法衡量學(xué)生是否達(dá)到預(yù)期學(xué)習(xí)效果。

（1）筆試。評(píng)價(jià)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的掌握程度。

（2）口試。項(xiàng)目完成后，每個(gè)學(xué)生都要闡述產(chǎn)品的計(jì)劃、分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，以評(píng)價(jià)學(xué)生創(chuàng)新、思維、表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合能力。

（3）軟件演示。將每個(gè)項(xiàng)目小組開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行展示，由多名教師聯(lián)合評(píng)估打分，并提出反饋意見(jiàn)，以便后期改進(jìn)。

通過(guò)測(cè)評(píng)，評(píng)估學(xué)生的綜合能力，并發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，以便在下個(gè)教學(xué)階段進(jìn)行完善。

5.結(jié)語(yǔ)

本課題通過(guò)CDIO教育模式與機(jī)器視覺(jué)課程相結(jié)合，將教師、學(xué)生與企業(yè)緊密聯(lián)系在一起，將教學(xué)項(xiàng)目的全過(guò)程置于真實(shí)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境中，提出針對(duì)機(jī)器視覺(jué)課程的具體措施和建議。實(shí)踐證明，采用這種教學(xué)方式提高了研究生的教育質(zhì)量，是對(duì)今后培養(yǎng)符合社會(huì)需要的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的一次有益嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊頡，對(duì)研究生教育的擴(kuò)招以及發(fā)展的若干恩考[J]，中國(guó)高等教育，2004（5）：40-43.

[2]郭小勤，曹廣忠，計(jì)算機(jī)視覺(jué)課程的CDIO教學(xué)改革實(shí)踐[J]，理工高教研，2010，29（5）：98-100.

[3]查建中，工程教育改革戰(zhàn)略“CDIO”與產(chǎn)學(xué)合作和國(guó)際化[J]，中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2008（5）：16-19.

[4]郭長(zhǎng)虹，趙炳利，李興東，等，面向CDIO的工程圖學(xué)教學(xué)改革[J]，工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（5）：56-60.

[5]李湘健，在實(shí)踐教學(xué)中著力培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神[J]，中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2008（11）：85-87.

[6]區(qū)嘉潔，王一軍，江帆，機(jī)械工程CDIO特色專業(yè)培養(yǎng)模式研究與探索[J]，西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，37（9）：152-156.

（編輯：趙廓）