基于本科生導(dǎo)師制的圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計改革與實踐

李暉　潘凡

摘要：針對工業(yè)4.0時代急切需要培養(yǎng)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新型人才的現(xiàn)狀，介紹圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計中采用的本科生導(dǎo)師制措施，并以武漢工程大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，闡述地方高校培養(yǎng)智能科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新型人才的實踐教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：本科生導(dǎo)師制；圖像處理與機器視覺；綜合設(shè)計；創(chuàng)新性人才培養(yǎng)

0引言

人類已經(jīng)歷了3次工業(yè)革命，即蒸汽技術(shù)時代、電氣技術(shù)時代、信息技術(shù)時代?；诨ヂ?lián)網(wǎng)智能化技術(shù)的工業(yè)4.0時代正在到來。發(fā)達國家諸多行動表明工業(yè)轉(zhuǎn)型將迎來大突破、大提速，世界各國都在搶占制造業(yè)強國的高地?，F(xiàn)代科技的發(fā)展對高等教育提出了新的要求，而當(dāng)前人才培養(yǎng)方式和方法遠遠落后于時代的需求，急需探索適用于新時代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)方法。

1本科生導(dǎo)師制的意義與宗旨

本科生導(dǎo)師制是在教師和學(xué)生雙向選擇的前提下，由具有較高學(xué)術(shù)水平的專職專任教師擔(dān)任本科生的學(xué)業(yè)導(dǎo)師，對本科生的學(xué)習(xí)態(tài)度、專業(yè)方向、學(xué)術(shù)興趣、職業(yè)規(guī)劃等方面進行全過程指導(dǎo)的一種育人模式，是構(gòu)建“全員育人、全過程育人、全方位育人”長效機制，深入推進教育教學(xué)改革和服務(wù)學(xué)生全面發(fā)展的一項重要措施。

2本科生導(dǎo)師制的具體工作職責(zé)

導(dǎo)師工作的重點是通過指導(dǎo)使本科生明確學(xué)習(xí)目的和成才目標(biāo)，幫助學(xué)生了解專業(yè)方向，因材施教，充分利用各種有效場合開展個性化教育，從學(xué)生全面發(fā)展的角度對學(xué)生施行全過程的個性化教導(dǎo)，從而提高學(xué)校人才培養(yǎng)的質(zhì)量，其主要工作職責(zé)有以下幾個方面。

（1）學(xué)業(yè)先導(dǎo)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、興趣、愛好，指導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法，適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)要求，制訂符合學(xué)生實際情況的學(xué)習(xí)計劃，并對專業(yè)課程、專業(yè)學(xué)習(xí)進度安排、發(fā)展方向選擇等進行指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生明確目標(biāo)、端正學(xué)習(xí)態(tài)度、確立成才目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的能力。

（2）專業(yè)引導(dǎo)。指導(dǎo)學(xué)生了解本專業(yè)的基本情況、發(fā)展動態(tài)、社會需求、前沿信息、發(fā)展趨勢和就業(yè)前景，了解本專業(yè)的人才培養(yǎng)模式和學(xué)業(yè)要求，為學(xué)生推薦專業(yè)學(xué)習(xí)課外輔導(dǎo)書籍，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)認同感和學(xué)習(xí)興趣。

（3）學(xué)術(shù)指導(dǎo)。指導(dǎo)學(xué)生開展課外讀書活動、科學(xué)研究和實踐活動，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的文獻和信息檢索能力、社會實踐能力和科研創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)；支持學(xué)生進入導(dǎo)師實驗室，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實驗?zāi)芰?；鼓勵學(xué)生參與導(dǎo)師的科研課題研究，指導(dǎo)學(xué)生撰寫讀書報告、寫作論文；鼓勵學(xué)生參與各類競賽活動，并為有志繼續(xù)深造的學(xué)生提供方向指導(dǎo)。

（4）職業(yè)輔導(dǎo)。以良好的師德師風(fēng)和職業(yè)素養(yǎng)影響學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價值觀；加強對學(xué)生的創(chuàng)業(yè)輔導(dǎo)，積極培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新思維。

3圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計改革

3.1圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀

圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)較為重要的一門實踐課程，該課程于大學(xué)三年級開設(shè)。在開始該綜合設(shè)計前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了概率論與數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字圖像處理、機器視覺、智能計算等課程。從專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)置的角度來說，本科生在進行該實踐課程時應(yīng)已掌握了較完備的圖像處理知識，可以在相關(guān)工具及開發(fā)軟件的幫助下完成一些較為常見的圖像處理開發(fā)工作。但經(jīng)多年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，該課程還存在以下問題。

（1）教學(xué)與實踐脫節(jié)?，F(xiàn)行的課程教學(xué)更重視知識的傳授，偏重理論講授，對相應(yīng)的實踐教學(xué)較為輕視。同時，由于各門課程獨立開設(shè)，多數(shù)任課教師信息溝通不及時，造成基礎(chǔ)類知識沒有講授到位或過度重復(fù)講授某個基礎(chǔ)知識等問題。

（2）開發(fā)環(huán)境配置問題。現(xiàn)行的課程教學(xué)基本沒有涉及開發(fā)環(huán)境配置，等綜合設(shè)計開設(shè)時再進行講解及訓(xùn)練，較耽誤時間，導(dǎo)致圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計課程效率不高，課程大多數(shù)時間花費在開發(fā)環(huán)境配置及調(diào)試上面，沒有達到預(yù)期算法訓(xùn)練的目標(biāo)。

（3）本科生自信心不足。圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計雖然開設(shè)在大學(xué)第三年，但是大多數(shù)本科生對自我能力存在信心不足的問題，認為自身無法獨立承擔(dān)綜合設(shè)計要求的圖像處理開發(fā)工作。這種心態(tài)會嚴重影響綜合設(shè)計的實際效果，讓多數(shù)本科生產(chǎn)生畏難情緒。

3.2圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計改革具體措施

首先，確立圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計三目標(biāo)：態(tài)度目標(biāo)、方法目標(biāo)、能力目標(biāo)。

其次，確立圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計三原則。

（1）開放性原則，包括實驗教學(xué)內(nèi)容的開放性、學(xué)習(xí)方式的開放性、實驗教學(xué)評價的開放性。

（2）主體性原則，重視學(xué)生的主體參與，學(xué)生通過自身的研究活動，不斷選擇、整合、構(gòu)建有價值的知識結(jié)構(gòu)，并在體驗學(xué)習(xí)的過程中獲得發(fā)展。

（3）實踐性原則，學(xué)生通過“發(fā)現(xiàn)問題一解決問題一總結(jié)問題”等研究性學(xué)習(xí)方法，實現(xiàn)對知識的吸收、運用和建構(gòu)，逐步學(xué)會在探索中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題和解決問題。

此外，還需要確立圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計三階段。

第一階段：實驗課題準(zhǔn)備階段。指導(dǎo)教師（包括本科生學(xué)業(yè)導(dǎo)師）與學(xué)生共同提出值得研究的課題方向；學(xué)生自主選擇研究課題；每個班級確定同一研究課題（如典型的車牌識別問題），可以全班學(xué)生分成若干個課題研究小組；讓學(xué)生自行設(shè)計難易不同的研究方案（如典型的車牌識別問題可以選擇基于模板匹配算法或旋轉(zhuǎn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等）；產(chǎn)生合理的課題實施方案，確定開發(fā)環(huán)境，如Visual Studio、Matlab或基于OpenCV第三方開發(fā)環(huán)境等。

第二階段：實驗課題實施階段。每個課題研究小組至少確認一位本科生學(xué)業(yè)導(dǎo)師，以協(xié)助學(xué)生制訂課題為目標(biāo)，經(jīng)歷國內(nèi)外文獻/技術(shù)資料收集、實現(xiàn)算法思想提煉、程序流程框圖設(shè)計、程序代碼編寫等過程。在互動中將前期開設(shè)的課程內(nèi)容轉(zhuǎn)換為可實際操作的內(nèi)容，讓學(xué)生在實際編程過程中完成算法思想的學(xué)習(xí)，并建立學(xué)術(shù)興趣，逐步優(yōu)化所提出的實驗方案，獲得最佳實驗效果。

第三階段：實驗課題總結(jié)階段。以班級為單位進行課題交流小結(jié)；教研室對該實驗課程的研究性學(xué)習(xí)開展情況進行總結(jié)與評價。

4圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計實踐

圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計改革從2015年起開始，共有兩屆學(xué)生參與（2012級、2013級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)），合計達100余本科生。參與圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計實踐的教師有7位，均擁有博士學(xué)位，均為副教授。近三年的圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計課程考評分數(shù)數(shù)據(jù)見表1。從表1可以清晰看出各個分數(shù)段區(qū)間人數(shù)的分布情況。2011級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)91～100分區(qū)間，人數(shù)比例為4.2%，中位數(shù)主要落在71-80分區(qū)間；2012級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)91～100分區(qū)間，人數(shù)比例為16%，中位數(shù)主要落在81-90分區(qū)間；而2013級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)91-100分區(qū)間，人數(shù)比例為15.4%，中位數(shù)主要落在81～90分區(qū)間?？v向?qū)Ρ葋砜矗ㄏ抻谄鶅H與201 1級智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)情況對比），改革后，學(xué)生的積極性明顯提高，高分區(qū)間人數(shù)明顯增多，最終考評成績中位數(shù)也明顯上升。這表明，圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計改革取得初步成效。

參與實踐的百余名本科生，在各位本科生導(dǎo)師的指導(dǎo)下，除綜合設(shè)計課程分數(shù)大幅提高外，在課外還延續(xù)著實踐課程上的興趣，繼續(xù)接受本科生導(dǎo)師的指導(dǎo)。這兩屆學(xué)生在2015、2016兩年內(nèi)，共有多名學(xué)生主動參與課外學(xué)術(shù)活動，獲得了一系列成果：有3位本科生參加“挑戰(zhàn)杯”競賽，并榮獲第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽決賽二等獎1項；有兩位本科生參加2016年全國“藍橋杯”決賽，獲得C++個人程序設(shè)計大賽三等獎2項；近兩年，本專業(yè)本科畢業(yè)論文榮獲湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文3篇；有1位本科生2016年在《武漢工程大學(xué)學(xué)報》公開發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇；有3位本科生于2016年申請軟件著作權(quán)3項等。這表明本科生導(dǎo)師制對于提升學(xué)生課外學(xué)習(xí)積極性有正面效果，可以較大幅度提升學(xué)生的編程能力，提高學(xué)生學(xué)術(shù)興趣。

5結(jié)語

本科生導(dǎo)師制不僅是一種教學(xué)形式的變化，更是教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的變革，是一種“學(xué)習(xí)的革命”?；诒究粕鷮?dǎo)師制的圖像處理與機器視覺綜合設(shè)計改革的目的在于，改變傳統(tǒng)教學(xué)實踐中，本科生單純接受教師傳授知識為主的維持性學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生構(gòu)建開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供多種渠道獲取知識，并將學(xué)到的知識加以綜合運用于實踐，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和編程能力，從而實現(xiàn)對傳統(tǒng)教學(xué)的教師中心、課堂中心、書本中心的超越。本科生導(dǎo)師制提供的多樣性外部刺激大大有利于學(xué)生對知識的獲取、保持與建構(gòu)，從而有助于激發(fā)學(xué)生的探究意識，提高學(xué)生的信息重構(gòu)能力。

（編輯：孫怡銘）