科研競(jìng)賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容提升控制類大學(xué)生創(chuàng)新能力

林海波+楊利達(dá)+高奇峰

摘要：本文論述將科研項(xiàng)目《基于 Kinect深度信息的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割和3D定位》和“西門子”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提升控制類大學(xué)生創(chuàng)新能力；科研項(xiàng)目《基于 Kinect深度信息的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割和3D定位》包含基于深度信息的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)精確分割、手勢(shì)3D定位，“西門子”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽包含化工過(guò)程控制、電梯控制。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新能力；無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割；3D定位；過(guò)程控制

一、引言

當(dāng)今時(shí)代，科技進(jìn)步日新月異，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)變得日趨激烈。而各國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)，是民族創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，要想在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利位置，就必須走科教興國(guó)的道路。高等教育是培養(yǎng)人才的搖籃，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大后盾，中華民族能否在二十一世紀(jì)取得更大的發(fā)展，關(guān)鍵在于我國(guó)的高等學(xué)校能否培育和造就出適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的大批創(chuàng)新人才。因此，高等學(xué)校必須加快教學(xué)改革，大力開展創(chuàng)新教育，著重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新能力，將教學(xué)目標(biāo)由培養(yǎng)“知識(shí)型”人才轉(zhuǎn)向培養(yǎng)“創(chuàng)新型”人才。

二、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，只是讓學(xué)生驗(yàn)證已有的正確性和科學(xué)性，這種被動(dòng)的方式不利于他們創(chuàng)造力的培養(yǎng)。為了改變這種情況，我們按照控制類實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的要求，在現(xiàn)有的教學(xué)計(jì)劃中，加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、綜合性課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和社會(huì)實(shí)踐方面比重，同時(shí)設(shè)計(jì)比較靈活的教學(xué)計(jì)劃，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有深入研究的時(shí)間和能力，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力提供一個(gè)寬松的環(huán)境。并將對(duì)技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的課程教學(xué)體系及內(nèi)容進(jìn)行改革，鼓勵(lì)教師把相關(guān)領(lǐng)域最新最前沿的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，形成具有學(xué)科特點(diǎn)的科學(xué)、完整、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系。同時(shí)，支持學(xué)生參加控制專業(yè)各類競(jìng)賽，競(jìng)賽內(nèi)容充實(shí)到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計(jì)型，突破傳統(tǒng)模式，不斷更新教育教學(xué)理念，研究具有設(shè)計(jì)性、系統(tǒng)性、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法。在相關(guān)課程的基本實(shí)驗(yàn)中，規(guī)定學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)，或綜合相關(guān)課程的內(nèi)容，進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，由“驗(yàn)證型”實(shí)驗(yàn)向“綜合型”、“設(shè)計(jì)型”實(shí)驗(yàn)逐步推進(jìn)，提高學(xué)生獨(dú)立思考、分析、判斷和處理實(shí)際技術(shù)的能力。啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，為學(xué)生獨(dú)立開展綜合性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)。在綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生自由組成實(shí)驗(yàn)小組，選擇老師指定的實(shí)驗(yàn)題目或自行設(shè)立感興趣的題目。在老師的指導(dǎo)下，論證可行性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和步驟，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出科學(xué)的結(jié)論，并撰寫相關(guān)科技論文。這個(gè)過(guò)程可以讓學(xué)生親身感受、理解知識(shí)產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。

三、科研競(jìng)賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

為了培養(yǎng)創(chuàng)新能力改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將科研競(jìng)賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，我們把控制類專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域最新最前沿的科研項(xiàng)目《基于Kinect深度信息的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割和3D定位》內(nèi)容和成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，形成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。支持學(xué)生參加控制專業(yè)各類競(jìng)賽，同時(shí)將競(jìng)賽內(nèi)容融入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力。

1、科研融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

《基于 Kinect深度信息的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割和3D定位》科研項(xiàng)目，主要內(nèi)容：基于Kinect深度信息提出一種精確穩(wěn)定的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割和3D定位方法，基于深度閾值方法在實(shí)驗(yàn)空間中檢測(cè)出手部二值圖像，根據(jù)一般手勢(shì)行為特性提出基于目標(biāo)手勢(shì)端點(diǎn)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)閾值算法無(wú)標(biāo)記地分割出精確手勢(shì)，為避免不精確的分割結(jié)果對(duì)分割手勢(shì)基本形態(tài)閾值限定.選取精確目標(biāo)手勢(shì)的重心坐標(biāo)和縱向平均深度灰度值對(duì)手勢(shì)3D定位，實(shí)驗(yàn)表明該手勢(shì)分割方法比已有無(wú)標(biāo)記方法更精確穩(wěn)定3D定位Kinect SDK的骨骼點(diǎn)手勢(shì)定位穩(wěn)定可靠無(wú)奇異點(diǎn)。

機(jī)器視覺(jué)的手勢(shì)交互是智能人機(jī)交互（human computer interaction）HCI的關(guān)鍵技術(shù)之一，旨在提供更方便快捷的人機(jī)視覺(jué)接口。在手勢(shì)識(shí)別中，須解決手勢(shì)分割和定位、手勢(shì)特征提取和分析三個(gè)問(wèn)題，基于膚色模型的分割方法使用普遍。然而，膚色的差異性、對(duì)光照環(huán)境變化的敏感以及當(dāng)背景中存在與膚色顏色相近顏色時(shí)給這類方法帶來(lái)很大困難。近年來(lái)，隨著低成本深度攝像頭Kinect的出現(xiàn)，可以方便地通過(guò)深度閾值分割初步獲取手部區(qū)域。受到Kinect 深度數(shù)據(jù)分辨率的限制和手腕部分對(duì)手勢(shì)的干擾。本科研項(xiàng)目基于深度信息和動(dòng)態(tài)閾值方法無(wú)標(biāo)記地分割和定位出精確手勢(shì)，魯棒性好計(jì)算復(fù)雜度低，并結(jié)合手勢(shì)重心點(diǎn)與縱向平均灰度值穩(wěn)定的定位出手勢(shì)3D位置。

通過(guò)基于Kinect深度信息的無(wú)標(biāo)記手勢(shì)分割融入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠熟練應(yīng)用低成本深度攝像頭Kinect和相關(guān)軟件完成圖像處理，在完成基于深度閾值的手勢(shì)檢測(cè)和基于動(dòng)態(tài)閾值手勢(shì)精確分割創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生創(chuàng)新能力和知識(shí)有很大提高，能夠應(yīng)用中值濾波算法去噪處理和概率統(tǒng)計(jì)樣本分析方法處理實(shí)際問(wèn)題，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。

手勢(shì)3D定位是對(duì)手勢(shì)某一固定點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)時(shí)反應(yīng)，對(duì)動(dòng)態(tài)手勢(shì)跟蹤和識(shí)別極其重要。引入手勢(shì)3D定位創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力，權(quán)重定位算法很重要，能夠提升學(xué)生創(chuàng)新能力。

2、競(jìng)賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

“西門子”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽包含化工過(guò)程控制、電梯控制。

化工過(guò)程控制：化工反應(yīng)過(guò)程極為復(fù)雜多變，特別是臨界點(diǎn)壓力、溫度、液位變化很快，難于準(zhǔn)確控制，學(xué)生在完成“西門子”中國(guó)智能制造挑戰(zhàn)賽化工過(guò)程控制中，面對(duì)如此復(fù)雜多變的控制對(duì)象，必須要思考創(chuàng)新的控制算法，才能完成競(jìng)賽，創(chuàng)新能力得到提升。

電梯控制：學(xué)生除了完成單臺(tái)和多臺(tái)電機(jī)的電氣控制：順序控制、自鎖控制、聯(lián)鎖控制、延時(shí)控制外，關(guān)鍵是多臺(tái)電梯群控算法的研究，這將開發(fā)學(xué)生的聰明才智，提升創(chuàng)新能力。

通過(guò)創(chuàng)新性研究項(xiàng)目的實(shí)踐鍛煉和參加控制專業(yè)的大量競(jìng)賽，學(xué)生能夠把握科技前沿、社會(huì)需求，建立先進(jìn)的科學(xué)思想，探索、思考新的科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)其研究成果也為科研發(fā)展或者社會(huì)科技服務(wù)做出了貢獻(xiàn)。

綜上所述，通過(guò)科研競(jìng)賽融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，能夠提升學(xué)生創(chuàng)新能力。

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