基于“項目驅(qū)動法”的“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)模式研究

張凱兵 景軍鋒 郭亞青 李劉薇

摘 要 “工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐是測控技術(shù)與儀器專業(yè)重要的后續(xù)實踐性課程，設(shè)計合理有效的教學(xué)模式，對進一步鞏固學(xué)生該課程基本原理和方法的掌握非常關(guān)鍵。筆者從高等學(xué)校應(yīng)用型高級專門人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求出發(fā)，提出運用“項目驅(qū)動法”開展“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)規(guī)程和考核評價四個方面闡述了本課程的綜合實踐教學(xué)實施方案。運用“教學(xué)做合一”的綜合實踐教學(xué)模式，有利于發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，提高學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 項目驅(qū)動法 工業(yè)機器視覺測量與控制 綜合實踐 教學(xué)模式

0 引言

《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》提出：優(yōu)化學(xué)科專業(yè)布局和人才培養(yǎng)機制，鼓勵具備條件的普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變。[1]因此，“十三五”期間，突出應(yīng)用型高級專門人才培養(yǎng)，進行教學(xué)模式、教學(xué)方法的綜合改革與實踐，創(chuàng)建有利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的人才培養(yǎng)模式，是普通高等學(xué)校人才培養(yǎng)的重點。

“工業(yè)機器人視覺測量與控制”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，它涉及光學(xué)、電子學(xué)、控制科學(xué)、計算機科學(xué)等眾多學(xué)科，理論知識繁多，應(yīng)用性強，學(xué)生掌握難度較大，因此在教學(xué)中應(yīng)注重理論知識與實際應(yīng)用緊密結(jié)合，才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，加強對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和靈活運行所學(xué)知識的能力。為加強學(xué)生“工業(yè)機器人視覺測量與控制”課程的理論基礎(chǔ)和工程實踐能力，大多數(shù)高等院校都開設(shè)了“工業(yè)機器人視覺測量與控制”綜合實踐課程，但在開展具體教學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容僅僅圍繞相關(guān)課程展開，教學(xué)模式單一，不能充分將課內(nèi)知識與實際工程問題相結(jié)合，無法適應(yīng)當(dāng)前企事業(yè)單位對工業(yè)機器人視覺測量專業(yè)技術(shù)型人才的應(yīng)用需求。為探索利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的人才培養(yǎng)模式，加強“工業(yè)機器人視覺測量與控制”綜合實踐課程的教學(xué)效果，本文研究基于“項目驅(qū)動法”的工業(yè)機器視覺測量與控制綜合實踐教學(xué)模式，利用建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論教學(xué)法，運用“教學(xué)做合一”教學(xué)模式，模擬真實項目的開發(fā)環(huán)境與開發(fā)全過程，在教學(xué)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，針對具體的視覺測量與控制任務(wù)，有針對性地培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題與解決問題的實踐能力，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 基于“項目驅(qū)動法”的“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)設(shè)計思路

“項目驅(qū)動教學(xué)法”是建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的一種教學(xué)法，它將以往以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的多維互動式的教學(xué)理念。[2]近年來，以“項目驅(qū)動法”為教學(xué)理念的創(chuàng)新教學(xué)模式受到了廣大教育工作者的高度重視。例如，廖廣軍等人[3]提出結(jié)合“項目驅(qū)動法”的三層次實驗教學(xué)改革方法，通過重構(gòu)驗證性、綜合性、探索性三層次實驗項目，實踐教學(xué)表明該方法具有較好的教學(xué)效果；張宏偉等人[4]針對電子CAD課程，探索和實踐了基于“項目驅(qū)動”的教學(xué)模式改革，采用理論與實踐訓(xùn)練同步、交叉進行的并行課堂教學(xué)模式，有利于提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力；文獻[5]提出了基于項目驅(qū)動的“統(tǒng)計學(xué)”教學(xué)改革方案，從項目的初期、實施階段及項目總結(jié)3個方面分析項目驅(qū)動法在“統(tǒng)計學(xué)”課程的應(yīng)用；蔣彥等人[6]提出將“項目驅(qū)動”教學(xué)法應(yīng)用于測控儀器設(shè)計課程教學(xué)中，以突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位。文獻[7]以MySQL數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)中索引的創(chuàng)建與應(yīng)用為例，提出以工作過程為導(dǎo)向的項目驅(qū)動法教學(xué)模式，從子項目設(shè)計、計劃制定、任務(wù)實施、任務(wù)交付、效果評價和項目擴展6個方面設(shè)計教學(xué)過程。韓永華等人[8]通過基于項目驅(qū)動的交互式管理界面的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式組織課堂教學(xué)，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性。因此，“項目驅(qū)動法”運用“教學(xué)做合一”的教學(xué)模式設(shè)計與組織課堂教學(xué)，在教學(xué)中突出學(xué)生的主體地位，能有效培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題與解決問題的實踐動手能力。

本文以“項目驅(qū)動教學(xué)法”為理論基礎(chǔ)，圍繞教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)管理和課程考核四個方面，探索新的“工業(yè)機器人視覺測量與控制”綜合實踐課程的教學(xué)模式，從明確教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、規(guī)范課程設(shè)計管理過程和建立多元化的評價方法等方面研究“工業(yè)機器人視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)的新模式，通過制定明確的目標(biāo)任務(wù)、創(chuàng)設(shè)合適的教學(xué)情境，使學(xué)生帶著真實的任務(wù)在探索中學(xué)習(xí)。在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組為單位，緊緊圍繞分配的課題任務(wù)，在強烈的問題動機的驅(qū)動下，充分利用互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等學(xué)習(xí)資源的主動收集、整理和歸納相關(guān)知識，自主探索和互助式學(xué)習(xí)，最大限度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題以及分工協(xié)作的創(chuàng)新思維，以培養(yǎng)符合國家和社會需要的復(fù)合應(yīng)用型創(chuàng)新性人才。

2 基于“項目驅(qū)動法”的“工業(yè)機器視覺測量與控制”教學(xué)模式

本文運用“項目驅(qū)動法”開展“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)。如圖1是綜合實踐教學(xué)模式改革的主要內(nèi)容。

2.1 制定明確的教學(xué)目標(biāo)

制定明確的教學(xué)目標(biāo)是搞好“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)的首要任務(wù)。通過該課程，進一步鞏固計算機視覺測量和檢測技術(shù)的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生運用計算機視覺測量和檢測的理論方法解決實際生產(chǎn)中的測量與檢測任務(wù)的能力，以滿足現(xiàn)代制造業(yè)的高速、精密、復(fù)雜的應(yīng)用需求。本課程以項目驅(qū)動的模式，通過講練結(jié)合，要求學(xué)生掌握視覺檢測系統(tǒng)及其實驗環(huán)境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon、計算機視覺庫OpenCV和C#編程軟件設(shè)計和實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的方法。通過實際工程中具體的視覺測量和檢測案例的學(xué)習(xí)與實踐，使學(xué)生初步具備解決實際工程中視覺檢測軟件的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。

2.2 組織豐富的教學(xué)內(nèi)容

在開展實踐教學(xué)過程中，主要從如下三個方面組織教學(xué)內(nèi)容：

（1）開展案例教學(xué)演練。掌握HALCON 12圖像采集助手獲取相機實時圖像，并將插入采集實時圖像的HALCON代碼導(dǎo)出為C#代碼，設(shè)計圖像采集窗口，編程實現(xiàn)采集/停止功能，并對圖像采集程序進行調(diào)試運行。通過案例講解，從軟件工程的角度給學(xué)生詳細講解實現(xiàn)一個工件二維尺寸測量的詳細過程，包括需求分析、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、具體實施和測試等環(huán)節(jié)，是學(xué)生掌握視覺檢測系統(tǒng)及其實驗環(huán)境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon和C#編程軟件設(shè)計和實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的方法，并掌握課程設(shè)計報告的撰寫規(guī)范。

（2）拓展現(xiàn)代工程工具的運用。本課程以項目驅(qū)動的模式，通過講練結(jié)合，要求學(xué)生掌握視覺檢測系統(tǒng)及其實驗環(huán)境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon、計算機視覺庫OpenCV、C#編程軟件設(shè)計和實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的方法。通過在課程教學(xué)中引入上述現(xiàn)代工程工具的運用，能有效開拓學(xué)生知識面，提高實踐動手能力和工程能力。

（3）開展綜合實踐訓(xùn)練。在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，各個學(xué)生分組獨立完成課題分析、設(shè)計、代碼編寫和調(diào)試，獨立撰寫課程設(shè)計報告。通過調(diào)研、查找資料、總體方案設(shè)計、詳細設(shè)計、具體方案實現(xiàn)、整理報告、提交作品和項目分組答辯等實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題與解決問題的實踐能力，提升本專業(yè)應(yīng)用技術(shù)型和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)能力。如表1是本課程制定的綜合實踐訓(xùn)練選題內(nèi)容。

2.3 制定規(guī)范的教學(xué)規(guī)程

要制定規(guī)范的教學(xué)管理規(guī)程，從學(xué)時安排、師資配置和人員組織上精心策劃，建立完善的監(jiān)督與修正機制，保證實踐教學(xué)的順利實施，確保課程設(shè)計的實踐效果。

在教學(xué)計劃中，筆者所在的控制工程系組織相關(guān)教師精心編寫了“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)大綱，對教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)要求、教學(xué)內(nèi)容、案例講解、教學(xué)組織與實施、教學(xué)過程日志、綜合實踐報告和考核方法與成績評定等方面的內(nèi)容進行了明確的規(guī)定。為保證教學(xué)效果，“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐安排了56個學(xué)時，并安排專門“視覺自動檢測技術(shù)”、“機器人視覺測量與控制”課程的兩名專任教師擔(dān)當(dāng)實踐教學(xué)的指導(dǎo)教師，有利于根據(jù)學(xué)生的實踐能力開展個性化的教學(xué)。在綜合實踐訓(xùn)練階段，采用課題組形式，以3～4個學(xué)生為一組，每組推薦組長1名，負責(zé)組織和協(xié)調(diào)組內(nèi)成員在課題設(shè)計過程中遇到的問題。在整個實踐教學(xué)中，每個學(xué)生要按要求如實記載實踐教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容、進展情況、遇到的問題和解決途徑，由指導(dǎo)教師和其他課題組長交叉檢查學(xué)生實踐過程的記載情況，并作為成績評定的依據(jù)。最后，每個課題組要按規(guī)范合作撰寫完整的課題報告，內(nèi)容包括需求分析、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、調(diào)試分析，并按統(tǒng)一格式列出主要參考文獻。

2.4 建立多元化的考核評價機制

為全面客觀地評價學(xué)生在綜合實踐過程中的表現(xiàn)，考核時遵循“四個結(jié)合”原則，即：課內(nèi)和課外實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合、個人能力和團隊協(xié)作能力相結(jié)合、課程設(shè)計報告和答辯成績相結(jié)合、自評和互評成績相結(jié)合，從學(xué)生對必知必會知識的掌握情況、理論知識運用于實踐的能力、工程設(shè)計與實現(xiàn)能力和團隊溝通與協(xié)作能力等多個方面進行全面考核。同時，對課程設(shè)計報告和答辯成績，采用具體可操作的指標(biāo)量化形式評價。如表2是課程設(shè)計報告的評分維度和評分標(biāo)準(zhǔn)。

3基于“項目驅(qū)動法”的“工業(yè)機器視覺測量與控制”教學(xué)方法的具體實施

在具體教學(xué)過程中，分四個階段開展“工業(yè)機器視覺測量與控制”教學(xué)。圖2是基于“項目驅(qū)動法”的綜合實踐實施過程。

（1）知識鞏固階段。本階段以“工業(yè)機器人視覺測量與控制”方向中學(xué)生應(yīng)知必會的知識點開始，根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有基礎(chǔ)和實施課程設(shè)計必需的工具出發(fā)，設(shè)計3～4個專題實訓(xùn)內(nèi)容，以學(xué)生練習(xí)為主，老師輔導(dǎo)答疑為輔，精心組織實訓(xùn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

（2）項目設(shè)計階段。本階段指導(dǎo)教師以一個典型的工業(yè)機器視覺為案例，利用工程設(shè)計的思想，從需求分析入手，給學(xué)生講解和演示設(shè)計一個完整的視覺系統(tǒng)的全部過程，通過項目實施過程中每個要點的講授，循序漸進地提高學(xué)生運用已有知識和學(xué)習(xí)新知識分析問題和解決問題的能力。（下轉(zhuǎn)第162頁）（上接第140頁）

（3）實踐階段。本階段采用自由組合方式，以3～4個學(xué)生為一組組成項目開發(fā)小組。在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，從綜合設(shè)計任務(wù)書中選擇一個課題開展工程實踐。由組長負責(zé)本組任務(wù)的分配和內(nèi)部協(xié)調(diào)工作，定期匯報項目的進展情況，及時與指導(dǎo)教師溝通遇到的技術(shù)難題。在項目實踐過程中，每個學(xué)生必須認真詳細記載實踐記錄，真實反映實踐全過程。項目組長負責(zé)組織本組項目的實施，組織小組成員撰寫課程設(shè)計報告，并參與最終的成績評定。通過模擬真實的項目開發(fā)環(huán)境與開發(fā)過程，讓學(xué)生充當(dāng)項目中的不同角色，培養(yǎng)學(xué)生獨立工作能力、溝通與協(xié)作能力，提升本專業(yè)應(yīng)用技術(shù)型和創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)能力。

（4）項目考核階段。本階段遵循“四結(jié)合”原則，將過程和結(jié)果都要納入評價學(xué)生實踐成績的范疇。不僅要學(xué)生對必知必會知識的掌握情況進行評價，而且要重點考核學(xué)生將理論知識運用于實踐的能力，特別是系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計能力、解決實際問題的能力和溝通協(xié)作能力，并采用指標(biāo)量化的形式評價課程設(shè)計報告和答辯成績。

4 結(jié)語

本文從高等學(xué)校應(yīng)用型高級專門人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求出發(fā)，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)規(guī)程和考核評價四個方面具體闡述了運用“項目驅(qū)動法”開展“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐教學(xué)模式。該模式有利于充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性和學(xué)習(xí)潛能，進一步鞏固和加深學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐的綜合能力，符合新期間社會對應(yīng)用型高級專門人才培養(yǎng)的內(nèi)在要求。

參考文獻

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