基于機(jī)器視覺(jué)的“三層四構(gòu)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與成效分析

張 磊 周 勝 李勁松

（安徽大學(xué) 光電信息獲取與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

0 引言

依據(jù)2018年教育部最新發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中電子信息類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的總體培養(yǎng)目標(biāo)要求：“結(jié)合各自專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和學(xué)科特色，在對(duì)區(qū)域和行業(yè)特點(diǎn)以及學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求進(jìn)行充分調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上，適應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)多樣化人才培養(yǎng)需要，制定相應(yīng)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)”。同時(shí)，提出了人才培養(yǎng)多樣化的建議：“各高?？筛鶕?jù)學(xué)生發(fā)展需求和學(xué)校學(xué)科特色及研究?jī)?yōu)勢(shì)，制定針對(duì)不同類(lèi)型人才的培養(yǎng)方案，在學(xué)分分配、課程模塊設(shè)置、實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等方面適當(dāng)調(diào)整，體現(xiàn)學(xué)校專(zhuān)業(yè)特色，進(jìn)行多樣化培養(yǎng)?！苯逃扛叩冉逃舅鹃L(zhǎng)吳巖表示，在《標(biāo)準(zhǔn)》應(yīng)把握的三大原則中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：突出學(xué)生中心，注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，創(chuàng)新形式、改革教法、強(qiáng)化實(shí)踐，推動(dòng)本科教學(xué)從“教得好”向“學(xué)得好”轉(zhuǎn)變[1-2]。

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求，落實(shí)到本科理工科專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教育中（包括專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)），應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)校專(zhuān)業(yè)特色，不僅實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)踐模塊多樣化，針對(duì)某一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程也應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K多樣化，一改以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所有學(xué)生參與統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)的狀況。本研究針對(duì)光電信息科學(xué)與工程學(xué)科的本科教育，以目前新興的結(jié)構(gòu)光三維輪廓檢測(cè)的機(jī)器視覺(jué)平臺(tái)為載體，在對(duì)區(qū)域和行業(yè)特點(diǎn)以及學(xué)生興趣調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多層次多結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究：學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、研究驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。針對(duì)不同學(xué)習(xí)程度、不同興趣方向的學(xué)生實(shí)現(xiàn)針對(duì)性、任務(wù)驅(qū)動(dòng)型的實(shí)驗(yàn)教育。引導(dǎo)學(xué)生從軟件仿真著手，到實(shí)現(xiàn)整體集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全方位實(shí)踐學(xué)習(xí)，感知?jiǎng)?chuàng)造性學(xué)習(xí)的魅力。安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院的三年實(shí)施效果表明該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)受到廣大本科同學(xué)的歡迎，尤其高層次選做實(shí)驗(yàn)參與人均次數(shù)達(dá)到14次，部分同學(xué)做出了相關(guān)成果。

1 機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2017年，國(guó)務(wù)院下發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確表示要在2030年之前搶占人工智能的高地，而機(jī)器視覺(jué)則是人工智能領(lǐng)域的重要組成部分。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外手機(jī)生產(chǎn)商不約而同地將目光聚焦到該領(lǐng)域，利用結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維人臉識(shí)別，例如蘋(píng)果公司iPhone X，小米8以及OPPO的Find X手機(jī)等，均搭載了結(jié)構(gòu)光人臉識(shí)別系統(tǒng)，如圖1（a）所示，其主要由微型投影器件和攝影器件組成。該技術(shù)迅速受到了大學(xué)生群體的關(guān)注，引起了相關(guān)討論學(xué)習(xí)熱潮。本文基于該技術(shù)熱點(diǎn)，利用條紋投影技術(shù)重現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光人臉識(shí)別系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是三維輪廓的高精度重構(gòu)技術(shù)。本文所采用的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)便是基于條紋投影的主動(dòng)三維感知系統(tǒng)，其架構(gòu)主要如圖1（b）所示，投影系統(tǒng)投影正弦條紋圖像（結(jié)構(gòu)光）到待測(cè)物表面，光柵受待測(cè)物面形調(diào)制而扭曲，攝像系統(tǒng)采集變形條紋，通過(guò)相位處理技術(shù)解算出物體高度信息。其過(guò)程主要包括條紋生成與投影；調(diào)制條紋獲取與解調(diào)、解包裹；相位與高度轉(zhuǎn)化等技術(shù)流程。根據(jù)上述該架構(gòu)，本教學(xué)設(shè)計(jì)依托于安徽大學(xué)光電信息獲取與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特色，打造了25套多樣化機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)不同類(lèi)型人才制定了多層次多結(jié)構(gòu)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)類(lèi)型的劃分主要遵循循序漸進(jìn)原則，分為“三層四構(gòu)”。如圖1(c)所示，“三層”依次為基礎(chǔ)層次實(shí)驗(yàn)、加分層次實(shí)驗(yàn)和選做層次實(shí)驗(yàn)?！八臉?gòu)”分別為學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、研究驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)層次實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的必選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；以加分層次實(shí)驗(yàn)促進(jìn)對(duì)成績(jī)要求較高的同學(xué)參與；對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)鼓勵(lì)進(jìn)行探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)與工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。

圖1 機(jī)器視覺(jué)感知系統(tǒng)：（a）手機(jī)搭載的結(jié)構(gòu)光人臉識(shí)別系統(tǒng)；（b）自行構(gòu)建的條紋投影主動(dòng)機(jī)器視覺(jué)感知系統(tǒng)；（c）“三層四構(gòu)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)

1.1 學(xué)習(xí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要為學(xué)生在機(jī)器視覺(jué)理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法程序化驗(yàn)證的過(guò)程，該過(guò)程主要對(duì)理想情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，難度適中，整體設(shè)計(jì)思路如圖2所示，主要包括如下幾個(gè)方面的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[3-4]：

（1）觀察實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的投影條紋特征，思考如何進(jìn)行條紋投影仿真與條紋采集仿真，其中包括參考面條紋和被物體調(diào)制的條紋。

（2）實(shí)現(xiàn)理想的仿真正弦條紋的四步移相解調(diào)仿真。即從仿真采集條紋中恢復(fù)出真實(shí)的相位信息。也就是從正弦條紋：I=a+bcos（φ）中解出φ，由于參數(shù)a，b未知，即利用四幅相差1/4個(gè)波長(zhǎng)相位的正弦條紋圖提取整幅圖相位信息：

（3）基于所得的四步移相后的主相位跳變特征，利用逐點(diǎn)掃描方法編寫(xiě)程序進(jìn)行解包裹。實(shí)際就是求取每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的公式（1）中n的值。

（4）對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，并進(jìn)行相位高度換算。

圖2 學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟

其中f為投影條紋的頻率。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要為了調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，能快速?gòu)木幹频乃惴ㄖ锌吹綄?shí)驗(yàn)結(jié)果，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心。經(jīng)過(guò)實(shí)踐調(diào)研，參與實(shí)驗(yàn)的385名本科同學(xué)在老師指導(dǎo)下均可完成實(shí)驗(yàn)，完成該層次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的學(xué)生中80%以上有信心完成實(shí)際機(jī)器視覺(jué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1.2 驗(yàn)證研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)生們進(jìn)行的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在仿真理想情況下可以采用自制軟件得到物體的真實(shí)三維輪廓。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生將仿真程序用于實(shí)際物體的三維輪廓測(cè)量，也就是進(jìn)行循序漸進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并尋求解決方案。主要包括以下幾個(gè)步驟的設(shè)計(jì)：

圖3 表面連續(xù)變化的物體輪廓測(cè)量驗(yàn)證與問(wèn)題引導(dǎo)

（1）對(duì)于表面連續(xù)變化的物體輪廓測(cè)量驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生將自主發(fā)現(xiàn)重構(gòu)的物體輪廓與原實(shí)物輪廓存在明顯差別。如圖3所示，因此引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量與仿真的明顯區(qū)別：噪聲的影響。引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，明確噪聲影響的實(shí)質(zhì)性步驟在解包裹算法中的影響，讓學(xué)生自主編制抑制噪聲的解包裹算法。值得注意的是，解包裹算法一般難以兼顧精度和速度[5]，可以鼓勵(lì)具有編程特長(zhǎng)的學(xué)生嘗試快速解包裹算法的嘗試。因此，該項(xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)主要針對(duì)軟件特長(zhǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)于表面或邊緣存在尖銳間斷的物體輪廓測(cè)量驗(yàn)證，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行陰影區(qū)域進(jìn)行處理。對(duì)于表面間斷或邊緣銳利的物體，在測(cè)量時(shí)陰影區(qū)域不可避免，而在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中出現(xiàn)陰影區(qū)域數(shù)據(jù)誤判，產(chǎn)生如圖4中出現(xiàn)的強(qiáng)噪聲。

基于該問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生利用圖像處理的知識(shí)進(jìn)行陰影識(shí)別和數(shù)據(jù)補(bǔ)充，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于普遍性光學(xué)問(wèn)題的圖像處理能力。不少于82%的同學(xué)愿意接受該項(xiàng)具體挑戰(zhàn)。

圖4 邊緣存在尖銳間斷的物體輪廓測(cè)量驗(yàn)證與陰影分析

（3）對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果中輪廓存在規(guī)律性痕跡誤差的分析實(shí)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)與矯正非線性誤差[6]。圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，即使進(jìn)行了陰影區(qū)域的判別，最終結(jié)果輪廓仍然存在規(guī)律性痕跡誤差，因此，需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差來(lái)源分析。一方面學(xué)生可以通過(guò)查文獻(xiàn)分析相似誤差來(lái)源；另一方面可以通過(guò)不同條件下的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)摸索該誤差來(lái)源，最終引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)非線性誤差（圖5所示）。主要訓(xùn)練學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的一般性思路。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中輪廓存在規(guī)律性痕跡誤差的分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

上述驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可引導(dǎo)學(xué)生完成完整三維重建實(shí)驗(yàn)流程，而探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)則培養(yǎng)學(xué)生的外延拓展能力，即拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量范圍擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)被測(cè)物體，因此，設(shè)計(jì)兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的算法構(gòu)建和數(shù)學(xué)建模能力。

（1）單幅條紋圖的物體輪廓測(cè)量：算法構(gòu)建能力培養(yǎng)。從教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，學(xué)生對(duì)于四步移相的理解一般比較容易，即利用四副條紋圖進(jìn)行相位解調(diào)，幾乎99%以上的同學(xué)均能很好地完成。但是該方法速度慢，不適合瞬時(shí)檢測(cè)。因此鼓勵(lì)學(xué)生探索利用單幅條紋圖進(jìn)行相位解調(diào)，可是適當(dāng)提示采用傅里葉變換（FFT）的方法，如圖6所示。在此過(guò)程中最重要的一步是取出傅里葉變換正一級(jí)譜，鼓勵(lì)學(xué)生自主探索不同濾波窗口的作用。同時(shí)讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)由于傅里葉分析法本身的局限性造成邊緣平滑原因[7]，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行科研嘗試的積極性。

圖6 探索1：傅里葉變換的方法相位解調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（2）基于雙頻條紋投影的物體輪廓測(cè)量：數(shù)學(xué)建模能力培養(yǎng)。對(duì)于解包裹算法的理解歷來(lái)是學(xué)生學(xué)習(xí)難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。因此應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)探索性實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于解包裹的多方位理解。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)嵌入的傳統(tǒng)解包裹算法對(duì)于噪聲的抑制性較差，容易造成拉線誤差。因此，引導(dǎo)學(xué)生探索有效地解包裹方法，抑制傳統(tǒng)算法中的誤差累積效應(yīng)，如雙頻解包裹算法[8]，如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)有助于提高學(xué)生對(duì)于具體問(wèn)題的多方位思考能力，訓(xùn)練學(xué)生是否能將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而在數(shù)學(xué)框架下進(jìn)行解決的能力。

圖7 探索2：雙頻條紋投影的物體輪廓測(cè)量

1.4 工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)區(qū)別于探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)之處在于其工程化訓(xùn)練，學(xué)生需要依據(jù)所學(xué)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建。

（1）縱向集成平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)建：從無(wú)到有的實(shí)踐能力培養(yǎng)。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，擬設(shè)計(jì)集成平臺(tái)構(gòu)建實(shí)訓(xùn)，鑒于當(dāng)前平臺(tái)屬于橫向檢測(cè)系統(tǒng)，其中被測(cè)物放置需專(zhuān)用平臺(tái)。因此，可指導(dǎo)學(xué)生建立縱向檢測(cè)機(jī)構(gòu)，如圖8(a)所示?？v向檢測(cè)系統(tǒng)建立涉及硬件建模，系統(tǒng)規(guī)劃乃至器件選型，是基于學(xué)生對(duì)于橫向系統(tǒng)工作原理較為熟悉的狀態(tài)下，通過(guò)該平臺(tái)構(gòu)建訓(xùn)練學(xué)生實(shí)體建模和“從無(wú)到有”的真實(shí)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建能力。

圖8 工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)樣板：（a）縱向集成平臺(tái)構(gòu)建；（b）條紋反射式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

（2）條紋反射式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建：學(xué)習(xí)遷移能力培養(yǎng)。基于條紋投影實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)于漫反射物體的測(cè)量[9]，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高反鏡面物體的面形測(cè)量。利用LCD顯示屏替代投影設(shè)備，基于光學(xué)平臺(tái)自主搭建條紋反射輪廓檢測(cè)系統(tǒng)，如圖8(b)所示。主要考驗(yàn)學(xué)生在有限空間對(duì)于光路設(shè)計(jì)的應(yīng)變能力，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于離軸光路和共軸光路相互轉(zhuǎn)換的理解和實(shí)際操作。開(kāi)發(fā)學(xué)生的科研聯(lián)想能力和學(xué)習(xí)遷移能力。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)成效分析

2.1 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

上述實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)自2016年9月在安徽大學(xué)物理學(xué)院實(shí)施，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)25套，每次配備實(shí)驗(yàn)教師3名，一次性可容納50人（25組）同時(shí)參與實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度，不同組可進(jìn)行不同層次實(shí)驗(yàn)。目前參與學(xué)生人數(shù)達(dá)385人，其中各層次實(shí)驗(yàn)參與人數(shù)如表1所示，該數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)打卡記錄數(shù)據(jù)提供。其中學(xué)習(xí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為必須參加的教學(xué)過(guò)程，385人全數(shù)參與。驗(yàn)證研究型實(shí)驗(yàn)為加分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其他層次實(shí)驗(yàn)為選做實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自主選擇參加，參加條件為完成上一層次實(shí)驗(yàn)。

表1 安徽大學(xué)3年內(nèi)各層次實(shí)驗(yàn)參與人數(shù)

從表1可以看出三年內(nèi)總的實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)到2203，平均實(shí)驗(yàn)人次達(dá)5.7，遠(yuǎn)超原實(shí)踐教學(xué)的參與量：平均約1人次?？梢?jiàn)，該分層次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一反過(guò)去平時(shí)不聽(tīng)課，考試前圍著老師轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

2.2 促進(jìn)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)

各個(gè)分層的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以問(wèn)題為導(dǎo)向，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的興趣；培養(yǎng)了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析問(wèn)題實(shí)質(zhì)、借鑒前人方法及提出改進(jìn)措施等一系列科研思維與能力，使學(xué)生由畏懼科研到具備一定的科研思維。大多數(shù)同學(xué)意識(shí)到學(xué)習(xí)的目的是使用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，而不是應(yīng)付考試。從表1可以看出，主動(dòng)參與探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的學(xué)生達(dá)165人，占比達(dá)42.8%。參與人次達(dá)667，人均次數(shù)超過(guò)4次，遠(yuǎn)高于前兩項(xiàng)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，表明學(xué)有余力且主動(dòng)參與探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的學(xué)生愿意付出更多努力，具有更強(qiáng)烈的解決實(shí)際問(wèn)題的意愿。在全部385名同學(xué)中，12名同學(xué)以該實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容申請(qǐng)并獲得了國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助。18名同學(xué)以實(shí)驗(yàn)相關(guān)課題作為研究對(duì)象，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。

2.3 培養(yǎng)學(xué)術(shù)科研思維，提高自主學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)遷移能力

經(jīng)過(guò)學(xué)生座談?wù){(diào)查發(fā)現(xiàn)，約30%同學(xué)能夠熟練查閱文獻(xiàn)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題?？梢?jiàn)，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維。有相當(dāng)一部分學(xué)生能夠自行發(fā)掘新問(wèn)題并加以解決，例如部分學(xué)生利用手機(jī)和投影儀測(cè)量鑰匙輪廓時(shí)發(fā)現(xiàn)金屬鑰匙的不同部位對(duì)結(jié)構(gòu)光的反光程度不同，容易導(dǎo)致局部曝光過(guò)度進(jìn)而引起區(qū)域數(shù)據(jù)缺失，因此該部分學(xué)生自行組成多人興趣小組，結(jié)合工程光學(xué)課程中相關(guān)偏振知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)遷移，配合自編算法實(shí)現(xiàn)了不同曝光程度的自適應(yīng)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了鑰匙三維測(cè)量與配制，并能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)開(kāi)鎖（圖9）。

圖9 探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中學(xué)生完成的自適應(yīng)投影，并用于鑰匙三維測(cè)量配制

2.4 培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)

參與工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的人數(shù)達(dá)52人，參與人次722，人均次數(shù)達(dá)14次，相對(duì)與探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)人均參與次數(shù)（4次）有了極大的提高?？梢?jiàn)，該部分學(xué)生已經(jīng)進(jìn)一步進(jìn)入科研狀態(tài)，愿意投入更多的學(xué)習(xí)精力。其中17屆6名學(xué)生發(fā)現(xiàn)在四個(gè)實(shí)驗(yàn)層次中的程序操作較為復(fù)雜，自發(fā)為25套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了用戶導(dǎo)向的軟件界面（圖10（a）），極大地方便了同學(xué)們進(jìn)行模塊化程序?qū)W習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，也促進(jìn)了教師的教學(xué)熱情，成為教學(xué)相長(zhǎng)的重要實(shí)例。18屆4名同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)制作了微型便攜式口腔掃描系統(tǒng)（圖10（b）），已經(jīng)進(jìn)行了專(zhuān)利申請(qǐng)，真正實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)遷移。

圖10 （a）工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)參與學(xué)生完成的用戶導(dǎo)向的軟件界面，（b）工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)參與學(xué)生設(shè)計(jì)的口腔三維掃描儀與牙齒模型測(cè)量結(jié)果

可見(jiàn)，上述“三層四構(gòu)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)計(jì)不僅可以滿足不同學(xué)習(xí)能力學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，更能滿足部分學(xué)有余力的本科同學(xué)積極參與科研的要求，并能充分培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)科研能力與工程創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究討論了在教育部最新發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》的背景下，在新形勢(shì)下結(jié)合科技熱點(diǎn)，對(duì)理工科實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行多層次多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，以光電信息科學(xué)與工程的本科實(shí)踐教學(xué)為例，針對(duì)條紋投影機(jī)器視覺(jué)架構(gòu)設(shè)計(jì)了“三層四構(gòu)”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停夯A(chǔ)層次實(shí)驗(yàn)、加分層次實(shí)驗(yàn)和選做層次實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)構(gòu)為學(xué)習(xí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、研究驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、工程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。采用實(shí)驗(yàn)分層，任務(wù)導(dǎo)向的方式，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合，從理論仿真到自主進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再到學(xué)習(xí)遷移，體驗(yàn)完整的工程過(guò)程。教學(xué)過(guò)程內(nèi)容豐富，知識(shí)涵蓋面廣，充分培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維，自主創(chuàng)新意識(shí)和工程能力。