基于混合教學(xué)模式的創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)改革

占 宏 喬連芝 趙俊紅

華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院 廣東廣州 510641

2015年10月，黨中央、國(guó)務(wù)院提出建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的重大戰(zhàn)略決策，2017年9月，華南理工大學(xué)入選國(guó)家“雙一流”建設(shè)A類高校。在《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》(國(guó)發(fā)〔2015〕64號(hào))中提出建設(shè)的任務(wù)要“突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會(huì)責(zé)任心，富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”。自動(dòng)化專業(yè)是一門(mén)主要面向工程應(yīng)用的專業(yè)，更加強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，以培養(yǎng)一大批拔尖創(chuàng)新人才[1-4]。在推動(dòng)“雙一流”的建設(shè)中，華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院加大學(xué)科建設(shè)力度，不斷完善課程建設(shè)，構(gòu)建了以實(shí)踐為導(dǎo)向的自動(dòng)化特色課程體系，其中增設(shè)了10門(mén)創(chuàng)新實(shí)踐課程。本文以機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程為例，闡述了在本課程中所進(jìn)行的教學(xué)改革，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中取得了很好的效果，對(duì)于創(chuàng)新實(shí)踐類課程的教學(xué)具有一定的借鑒意義。

1 創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 教師對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)不明確

創(chuàng)新實(shí)踐類課程是一類新型的課程，不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程，它更注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神[5]。一些教師對(duì)此類課程認(rèn)識(shí)不足，對(duì)開(kāi)設(shè)課程目的不明確，不明白基于什么教學(xué)方向來(lái)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，無(wú)法達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。

1.2 課程教學(xué)體系不完善

創(chuàng)新實(shí)踐課程內(nèi)容的設(shè)置可以根據(jù)自身的學(xué)科背景、基于社會(huì)熱點(diǎn)需求問(wèn)題來(lái)選擇合適的課程內(nèi)容[6]。有些創(chuàng)新實(shí)踐課程內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法達(dá)到人才培養(yǎng)的目的，有些課程內(nèi)容過(guò)于深?yuàn)W，使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的挫敗感，無(wú)法激起學(xué)生的研究欲望。有些創(chuàng)新實(shí)踐課程中，學(xué)生并不具備課程所需要的基礎(chǔ)知識(shí)，就進(jìn)行相關(guān)研究，學(xué)習(xí)效果較差。因此，創(chuàng)新實(shí)踐課程的內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)等需要進(jìn)一步完善。

1.3 教學(xué)模式單一

大部分的創(chuàng)新實(shí)踐課程都采用開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生自己在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成各自的研究課題。由于教師在觀念上重視不足，對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)不夠，學(xué)生僅靠自己的摸索來(lái)完成任務(wù)，實(shí)際教學(xué)效果并不理想。

2 科學(xué)建立“分層次、模塊化、開(kāi)放式”的課程教學(xué)體系

機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程是我校自動(dòng)化學(xué)院于2009年開(kāi)設(shè)的一門(mén)獨(dú)立設(shè)課的研究性的實(shí)驗(yàn)選修課程，主要面向大四年級(jí)自動(dòng)化、電子信息工程、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的一門(mén)學(xué)科前沿技術(shù)，它涉及傳感器、圖像處理、模式識(shí)別等多門(mén)交叉學(xué)科，綜合實(shí)踐性較強(qiáng)[7]。根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)、立足學(xué)生認(rèn)知規(guī)律并結(jié)合本課程的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程開(kāi)展課程改革，確立了“重理論基礎(chǔ)、重能力培養(yǎng)、重實(shí)踐創(chuàng)新”的課程教學(xué)指導(dǎo)思想，分理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實(shí)踐三個(gè)模塊來(lái)組織開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建“分層次，模塊化，開(kāi)放式”的創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，如圖1所示。

圖1 機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)體系

3 積極推行基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)模式探索與實(shí)踐

機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程需要有機(jī)器視覺(jué)和圖像處理的理論知識(shí)，通常在研究生階段開(kāi)設(shè)的數(shù)字圖像處理課程中才涉及相關(guān)的內(nèi)容，而且內(nèi)容眾多[7]。而本門(mén)創(chuàng)新實(shí)踐課程僅32學(xué)時(shí)，如何在較短時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)并完成最后的研究性課題，這是近幾年教學(xué)中一直在探索的問(wèn)題[7]。經(jīng)過(guò)近十年多種教學(xué)模式的比較，我校提出了基于翻轉(zhuǎn)課堂，同時(shí)以項(xiàng)目式教學(xué)法、研究性教學(xué)法為輔的混合教學(xué)模式，如圖2所示[8]。

對(duì)于理論教學(xué)這一模塊，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式進(jìn)行教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而形成的一種新型的教學(xué)組織模式[9]?；诜D(zhuǎn)課堂的理論教學(xué)過(guò)程如圖3所示，在翻轉(zhuǎn)課堂上教師預(yù)先將本門(mén)課程所需要學(xué)習(xí)的理論知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行整合并以PowerPoint、小視頻、小測(cè)驗(yàn)等形式發(fā)放到網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)、電腦等移動(dòng)設(shè)備利用碎片化時(shí)間進(jìn)行自學(xué)[9,10]。學(xué)生通過(guò)自學(xué)，基本可以掌握主要包括數(shù)字圖像處理和視覺(jué)檢測(cè)兩大部分的知識(shí)。前者包括圖像處理基礎(chǔ)、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原與重建、彩色圖像處理、圖像壓縮、圖像分割六部分內(nèi)容，后者包括視覺(jué)檢測(cè)概述、光源及照明方式、檢測(cè)鏡頭三部分內(nèi)容。在課堂中教師可以根據(jù)測(cè)驗(yàn)反饋，針對(duì)重難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講授，并與學(xué)生進(jìn)行答疑等互動(dòng)交流。采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式進(jìn)行理論教學(xué)，不僅可以提高學(xué)習(xí)效率，也培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

圖2 機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程的混合教學(xué)模式

圖3 基于翻轉(zhuǎn)課堂的理論教學(xué)過(guò)程

對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)這一模塊的教學(xué)，本創(chuàng)新實(shí)踐課程安排了三名教師共同進(jìn)行指導(dǎo)，其中兩名理論課教師，一名實(shí)驗(yàn)師，師資配備合理。我院于2009年建立了機(jī)器視覺(jué)與智能檢測(cè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室配備了西安智敏公司ZM-VS1200機(jī)器視覺(jué)教學(xué)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺(tái)8臺(tái)/套。該實(shí)驗(yàn)室采用開(kāi)放式管理，學(xué)生可登錄實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行預(yù)約，在預(yù)約時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。開(kāi)放式的管理不僅可以滿足一人一臺(tái)設(shè)備的需求，而且提高了設(shè)備的利用率。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)分五大類型以小項(xiàng)目形式來(lái)開(kāi)展[7,11,12]，見(jiàn)表1。學(xué)生可以在五種類型中選擇一個(gè)感興趣的小項(xiàng)目來(lái)完成。理論課教師會(huì)在實(shí)驗(yàn)前將每個(gè)小項(xiàng)目的具體任務(wù)發(fā)放給學(xué)生，學(xué)生自己根據(jù)要求進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)詳細(xì)的方案，在此過(guò)程中教師指導(dǎo)學(xué)生檢索和查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，并參與學(xué)生的討論，教師主要引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)。接著教師對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審核，通過(guò)之后，學(xué)生可在機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成方案調(diào)試并在線上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，此過(guò)程中主要由實(shí)驗(yàn)師進(jìn)行指導(dǎo)，最后由教師對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收，具體過(guò)程如圖4所示。通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)法，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且更好地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。

表1 實(shí)驗(yàn)類型及項(xiàng)目名稱表

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的項(xiàng)目式教學(xué)過(guò)程

創(chuàng)新實(shí)踐這一模塊更注重學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這一環(huán)節(jié)主要依托科研項(xiàng)目，利用科研項(xiàng)目反哺教學(xué)，促進(jìn)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[13,14]。此模塊的實(shí)現(xiàn)形式主要有三種，一種是由任課教師將自己的科研項(xiàng)目拆分成多個(gè)小課題，學(xué)生分組來(lái)開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)并完成最終的研究報(bào)告，此類實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生失敗，重在探索的過(guò)程[15]。目前已開(kāi)展過(guò)的探索性實(shí)驗(yàn)有人體靜脈圖像的特征提取及匹配方法實(shí)驗(yàn)研究、空中機(jī)器人的圖像匹配探索性實(shí)驗(yàn)等。另一種方式是學(xué)生可以自己申請(qǐng)內(nèi)容相關(guān)的百步梯項(xiàng)目、國(guó)創(chuàng)省創(chuàng)項(xiàng)目開(kāi)展相關(guān)研究。還有一種方式是學(xué)生通過(guò)參與“學(xué)生研究計(jì)劃項(xiàng)目”(SRP)、大學(xué)生校級(jí)、省級(jí)和全國(guó)性競(jìng)賽來(lái)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。為進(jìn)一步推動(dòng)“雙一流”建設(shè)，學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練基地、智能車競(jìng)賽基地，同時(shí)學(xué)院利用校企合作，聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室和實(shí)習(xí)基地等多途徑為學(xué)生提供實(shí)踐平臺(tái)。

4 進(jìn)一步完善創(chuàng)新實(shí)踐課程的考核體系

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程的考核主要是由平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)兩部分組成，但是創(chuàng)新實(shí)踐課程不同于一般的實(shí)驗(yàn)課程，其重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。因此，此類課程應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的考核[7,8]?？己瞬扇∑綍r(shí)成績(jī)(40%)+創(chuàng)新實(shí)踐論文(40%)+口頭答辯(20%)三部分來(lái)給出最終成績(jī)。在學(xué)生完成創(chuàng)新實(shí)踐論文后進(jìn)行分組答辯，答辯過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生是如何分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及創(chuàng)新點(diǎn)在哪里，這種方式能夠更好地對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行考核。

5 教學(xué)改革效果

2015—2018年，機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革。此期間本課程共開(kāi)設(shè)了三期，選修的學(xué)生人數(shù)分別為78，129，210人，呈逐年遞增趨勢(shì)，可見(jiàn)本課程在學(xué)生中的影響力及吸引力越來(lái)越大。同時(shí)，由學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)中的教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果看出，2015—2018年三年期間，學(xué)生對(duì)本課程教學(xué)評(píng)價(jià)的滿意度逐年提高，具體見(jiàn)表2。三年期間，學(xué)生對(duì)任課教師的評(píng)教分別為4.534，4.656，4.817分。由此可見(jiàn)，機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)改革得到了學(xué)生的認(rèn)可。

此外，三年期間學(xué)生通過(guò)多種創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，共申報(bào)了相關(guān)課題3項(xiàng)，其中1項(xiàng)獲國(guó)創(chuàng)項(xiàng)目結(jié)題優(yōu)秀獎(jiǎng)，參與學(xué)生研究計(jì)劃10項(xiàng)，百步梯攀登計(jì)劃1項(xiàng)，取得了一定的成效，有效促進(jìn)了拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

表2 學(xué)生對(duì)任課教師及課程教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

在“雙一流”建設(shè)中，根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)、立足學(xué)生認(rèn)知規(guī)律并結(jié)合創(chuàng)新實(shí)踐課程的特點(diǎn)，構(gòu)建了“分層次，模塊化，開(kāi)放式”的機(jī)器視覺(jué)創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，分理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實(shí)踐三個(gè)模塊來(lái)組織開(kāi)展教學(xué)，提出了翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合，以項(xiàng)目式教學(xué)法、研究性教學(xué)法等為輔的多元化的教學(xué)模式，采取平時(shí)成績(jī)(40%)+創(chuàng)新實(shí)踐論文(40%)+口頭答辯(20%)三部分相結(jié)合的考核方式。由學(xué)生的評(píng)價(jià)看出本課程所開(kāi)展的教學(xué)改革得到了學(xué)生的高度認(rèn)可，對(duì)于創(chuàng)新實(shí)踐類課程的教學(xué)具有一定的借鑒性。