新工科背景下機器視覺課程群教學(xué)模式研究

張濤 齊永奇 李恒燦

摘 要：為適應(yīng)新工科建設(shè)的需求和智能制造的產(chǎn)業(yè)需求，本研究針對測控專業(yè)本科教學(xué)的培養(yǎng)要求，提出了加強課程之間的融合，以知識點重構(gòu)教學(xué)方案，打造“線上線下混合、加強學(xué)生參與、深化校企合作”的教學(xué)模式，為培養(yǎng)本科生解決復(fù)雜工程問題的能力提供了思路，并通過機器視覺課程群的建設(shè)，推動測控專業(yè)一流學(xué)科建設(shè)，探索新工科背景下的智能制造技術(shù)人才的培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：新工科;機器視覺;課程群

《中國制造2025》是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)?！吨袊圃?025》提出一個目標(biāo)：實現(xiàn)制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉(zhuǎn)變。智能制造是主要攻堅方向之一。機器視覺為智能制造提供了參考依據(jù)。新工科建設(shè)是教育部提出的一項持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃。新工科建設(shè)對高校工程教育提出了明確的要求，即培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景知識、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的技術(shù)技能型和綜合應(yīng)用型人才。

為了適應(yīng)新工科環(huán)境下的專業(yè)建設(shè)，很多高校順應(yīng)時代需要，紛紛開設(shè)與機器視覺相關(guān)的課程。機器視覺是一門理論性和工程性都很強的技術(shù)，是多個學(xué)科和多個課程的融合，前端與傳感器原理、模電、光學(xué)等課程相關(guān)，后端與信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理、控制理論等課程相關(guān)。目前，多數(shù)高校只是開設(shè)單一視覺課程，如果該課程內(nèi)容過多，由于學(xué)時限制，各種技術(shù)往往是簡單介紹，學(xué)生僅僅了解而已;如果該課程內(nèi)容壓縮，由于晦澀難懂，學(xué)生只是局部了解機器視覺，容易導(dǎo)致課堂氛圍較差。因此，高校需要將機器視覺相關(guān)課程有機結(jié)合，組成機器視覺課程群，優(yōu)化課程內(nèi)容，從而更有效地提高學(xué)生掌握和運用機器視覺技術(shù)的能力。

視覺測量方向是華北水利水電大學(xué)測控專業(yè)的一個重要專業(yè)方向。在遵循以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向的專業(yè)建設(shè)思路的基礎(chǔ)上，課題組梳理與機器視覺相關(guān)的課程，修訂教學(xué)大綱，整合課程資源，幫助學(xué)生打通課程壁壘，從而提高學(xué)生的理論知識和實踐能力。下面以測控專業(yè)機器視覺課程群建設(shè)為例進行具體說明。

一、梳理教學(xué)思路和優(yōu)化教學(xué)大綱

學(xué)科專業(yè)知識不是獨立存在的，而是成體系的。單一課程只能解決較為簡單的問題，而實踐工程的問題多為多學(xué)科交叉綜合的問題。測控專業(yè)通過教研室研討會議和外出調(diào)研等形式反復(fù)論證，選擇了工程光學(xué)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理、視覺測量技術(shù)、虛擬儀器、專業(yè)綜合課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等理論課和實踐課。這些課程涵蓋了測控專業(yè)所有課程模塊。教研室分析了相關(guān)課程的內(nèi)在邏輯關(guān)系，規(guī)范了課程之間的教學(xué)內(nèi)容銜接，避免相同知識點的重復(fù)教學(xué)，完善教學(xué)大綱。為了解決相關(guān)課程重復(fù)教學(xué)的問題，構(gòu)建的課程群采用打通課程間壁壘的方式，將機器視覺技術(shù)分解成若干個問題。解決問題需要哪些知識點，就將這些知識點在該課程中講解，重新組織課程，并以具體的科研課題將知識點連接起來。例如，機器視覺用于機械零件測量的設(shè)計，其中，分析設(shè)計工作可以在工程光學(xué)課內(nèi)講解，硬件選型可以放在視覺測量技術(shù)課內(nèi)講解，采集信號的處理放在信號與系統(tǒng)課內(nèi)講解，圖像的處理和后期測量則在數(shù)字圖像處理課內(nèi)講解，軟件系統(tǒng)的使用可以在虛擬儀器課內(nèi)講解，最終的設(shè)計訓(xùn)練則放在綜合課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中。學(xué)生通過一系列的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，初步具備了設(shè)計視覺系統(tǒng)的能力，進而通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練、科研項目和畢業(yè)設(shè)計，掌握了解決復(fù)雜工程問題的能力。

機器視覺課程群的教學(xué)目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決復(fù)雜工程問題的能力。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，教研室將課程按照“基礎(chǔ)理論知識—應(yīng)用開發(fā)技術(shù)—綜合實踐能力”三層結(jié)構(gòu)分為三類。比如，工程光學(xué)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理三門課作為視覺課程中的光學(xué)、信號處理、圖像理論等的基礎(chǔ)知識;數(shù)字圖像處理、視覺測量技術(shù)、虛擬儀器作為與視覺緊密相關(guān)的應(yīng)用技術(shù);專業(yè)綜合課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計則是將前面的知識融會貫通，結(jié)合機器視覺具體課題或者教師自己的科研項目，實現(xiàn)對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

二、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進

（一）線上線下混合教學(xué)

華水學(xué)堂是超星學(xué)習(xí)通和華北水利水電大學(xué)合作的在線教學(xué)平臺。教師在該平臺上發(fā)布教學(xué)視頻和資料，便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)。課前10分鐘，教師與學(xué)生交流關(guān)于本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況，啟發(fā)學(xué)生提出對知識點的理解盲區(qū)，針對問題開始課堂學(xué)習(xí)。課中，教師可以將課堂知識與實際問題相結(jié)合，讓學(xué)生去發(fā)掘工程問題的解決點，使其明白機器視覺的重要性。課后，教師可以通過分組的形式，讓學(xué)生討論和梳理課上沒有解決的問題，并且在線上平臺提出一些開放性的問題，強化對學(xué)生知識體系掌握程度的跟蹤，及時了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)，反饋給學(xué)生，形成閉環(huán)管理。課前、課中和課后三階段的教學(xué)設(shè)計，將線上線下教學(xué)融會貫通，突破傳統(tǒng)教學(xué)的束縛，提高了學(xué)生的參與度，提高了學(xué)生分析問題的能力。

（二）走出課堂的多元化教學(xué)

目前，機器視覺是國家發(fā)展的熱點之一，這決定了我們的教學(xué)不能局限在校園里。為此，學(xué)校和校外企業(yè)深度合作，增強學(xué)生的實踐能力。學(xué)校聘請校外專家到校為學(xué)生介紹機器視覺的市場前景，進一步和企業(yè)合作進行測控專業(yè)綜合課程設(shè)計;企業(yè)提供一些相關(guān)設(shè)計課題作為學(xué)生的設(shè)計題目;學(xué)生到企業(yè)參加培訓(xùn)，學(xué)習(xí)企業(yè)的實際項目。學(xué)校利用實踐實習(xí)組織學(xué)生前往洛陽牡丹通訊公司、中原量儀公司和勝龍科技公司參觀、培訓(xùn)，通過整合校內(nèi)外資源，使學(xué)生開闊眼界，對機器視覺市場前景有深入了解，實現(xiàn)了與社會的無縫對接。

（三）機器視覺課程群建設(shè)成果

在測控教研室各位教師的辛勤工作下，經(jīng)過兩年的建設(shè)，機器視覺課程群教學(xué)效果顯著，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力得到提高。

2017年，教研室申請了示范性虛擬仿真教學(xué)實驗項目，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)資源共享和師生互動，使學(xué)生由被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。教師在超星學(xué)習(xí)通平臺上也建立信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理、虛擬儀器等課程平臺，豐富了教學(xué)手段。

學(xué)生積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，如飛思卡爾大賽、機器人大賽、互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新大賽等，并多次獲得國家級、省級獎項。以2017級測控專業(yè)為例，該專業(yè)共有學(xué)生95人，其中，參與科技創(chuàng)新比賽的有62人、獲得國家獎學(xué)金和國家勵志獎學(xué)金的有12人。

近年，測控專業(yè)就業(yè)質(zhì)量穩(wěn)步提升，從事本專業(yè)工作的學(xué)生數(shù)量與以往相比顯著增加。其中，報考研究生的學(xué)生比例穩(wěn)定在20%左右。2018年就業(yè)從事本專業(yè)工作的學(xué)生占40%，2019年達(dá)到55%，部分學(xué)生就職于基恩士、大恒圖像、信盈達(dá)等公司。對學(xué)生畢業(yè)后五年就業(yè)情況的跟蹤調(diào)查顯示，企業(yè)對學(xué)生的滿意度大幅提升，部分學(xué)生已經(jīng)擔(dān)任項目負(fù)責(zé)人。

三、結(jié)語

本研究以機器視覺課程群的建設(shè)為例，提出了新工科背景下課程群教學(xué)改革方案，從培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱制訂、教學(xué)內(nèi)容手段的改進、校企合作和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合等方面論述了教學(xué)改革的思路。教學(xué)改革的思路為：堅持以多課程融合、線上線下混合教學(xué)、突出實踐創(chuàng)新為中心，以發(fā)展學(xué)生綜合能力為最終目的，改進現(xiàn)有的授課過程中存在的問題，科學(xué)地評價課程教學(xué)質(zhì)量，進一步研究課程教學(xué)與畢業(yè)要求達(dá)成度問題，及時了解行業(yè)動態(tài)、準(zhǔn)確掌握行業(yè)需求，從而適應(yīng)新工科建設(shè)的需求。

近年，機器視覺課程群的建設(shè)，提高了學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生對課程之間的聯(lián)系了解更為清晰，體現(xiàn)出以學(xué)生為中心的理念，對進一步提高測控專業(yè)建設(shè)質(zhì)量起到積極的推動作用。

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責(zé)編：紅 茶