開放式實驗在光電測試教學(xué)中的應(yīng)用實踐

劉震

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

高校教學(xué)工作是一項影響因素多、涉及面廣、非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。 而影響高校教學(xué)質(zhì)量最主要的三個核心要素是學(xué)生、教師和教學(xué)課程。其中高校教學(xué)課程建設(shè)，尤其是專業(yè)課程建設(shè)是確保高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的最重要的教學(xué)工作，其對提高高校教學(xué)質(zhì)量具有十分重要的意義。在本科教學(xué)課程的建設(shè)上，高校教育工作者進行了大量的教學(xué)改革嘗試[1-7]，尤其是在光電測試類教學(xué)中的實驗部分[8-10]。

1 傳統(tǒng)實驗課程教學(xué)存在的不足

光電測試技術(shù)是從事儀器儀表、 光電工程等領(lǐng)域工程技術(shù)人員需要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容之一。 尤其是隨著圖像傳感器在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用， 光電測試相關(guān)知識已經(jīng)變得越來越重要。 《光電測試技術(shù)與系統(tǒng)》是大學(xué)三年級的專業(yè)必修課， 主要講授光電測試基本原理、技術(shù)以及應(yīng)用等方面內(nèi)容。該課程也開設(shè)了實驗課程，包括了“實驗1：縫寬或間隙的衍射測量實驗””實驗2：微孔直徑的衍射測量實驗””實驗3：基于立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗””實驗4：基于交比不變的標(biāo)定點定位實驗”。 但在教學(xué)實踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們完全按照實驗指導(dǎo)書操作實驗， 并沒有真正理解實驗的目的、原理和方法，成了參觀式、說明書式的實驗。

2 實驗課的教學(xué)創(chuàng)新——開放式的實驗

針對以上問題， 該文設(shè)計了一種開放式的實驗課程，學(xué)生們可以根據(jù)實驗大綱提出的實驗?zāi)繕?biāo)，自由設(shè)計實驗方案，同時對實驗結(jié)果進行分析比較，最后通過PPT 形式報告實驗結(jié)果。

2.1 保持經(jīng)典的實驗教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生更好理解光電相關(guān)知識

“實驗1：縫寬或間隙的衍射測量實驗”和”實驗2：微孔直徑的衍射測量實驗” 兩個實驗是課程中干涉與衍射內(nèi)容的實驗內(nèi)容，需要復(fù)雜儀器來完成實驗內(nèi)容，是一個非常成熟的實驗。 兩個實驗的實驗指導(dǎo)書詳細地列出了實驗步驟。學(xué)生在實驗教師的指導(dǎo)下，按照實驗指導(dǎo)書中詳細步驟可以在一個相對短的時間內(nèi)完成實驗，達到學(xué)習(xí)和鍛煉的目的，因此這兩個實驗被保留下來。

2.2 增加開放式實驗內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會分析并解決問題

“實驗3：基于立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗”和”實驗4：基于交比不變的標(biāo)定點定位實驗”是課程中視覺測量部分的實驗內(nèi)容。實驗不需要復(fù)雜的大型設(shè)備，學(xué)生可以自己獨立完成。 原來的實驗指導(dǎo)書詳細地給出了實驗?zāi)康?、實驗原實驗步驟和實驗記錄內(nèi)容。但這種實驗方法的缺點是學(xué)生做實驗的過程中完全是按照一個流程來操作實驗，而沒有得到發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的鍛煉。同時實驗內(nèi)容也相對老舊，無法代表視覺測量的最新成果。為此筆者針對這部分進行了改革。首先我們查閱了國內(nèi)外最新的研究成果，并結(jié)合教學(xué)團隊最新的研究成果將“實驗3：基于立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗”和“實驗4：基于交比不變的標(biāo)定點提取實驗”修改為”實驗3：基于平面靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗”和”實驗4：基于視覺測量的球直徑測量實驗”。

2.2.1 實驗3：基于平面靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗

攝像機標(biāo)定是視覺測量最基礎(chǔ)、最核心的知識點。張正友的基于棋盤格靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定方法是目前最重要的攝像機標(biāo)定方法。 相比原先實驗的基于立體靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定具有標(biāo)定精度高、操作方便等優(yōu)點。因此我們將實驗3 改為基于平面靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗。這有助于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)到最新的攝像機標(biāo)定知識。

該實驗的實驗?zāi)康氖牵豪斫鈹z像機標(biāo)定基本原理、熟悉使用工具完成攝像機標(biāo)定過程和熟悉攝像機標(biāo)定結(jié)果分析評價。學(xué)生自己拍攝所需圖像，使用現(xiàn)有標(biāo)定程序完成實驗并對實驗結(jié)果進行分析評價。 實驗中重點幫助學(xué)生理解書本中關(guān)于張正友攝像機標(biāo)定的基本原理，同時學(xué)會如何使用現(xiàn)有程序，包括選取圖像、初步提取靶標(biāo)特征點、精確提取靶標(biāo)特征點、線性計算攝像機內(nèi)外部參數(shù)、非線性優(yōu)化攝像機內(nèi)外參數(shù)等。

2.2.2 實驗4：基于視覺測量的球直徑測量實驗

“實驗3：基于平面靶標(biāo)的攝像機標(biāo)定實驗”讓學(xué)生可以更好地了解和使用張正友的攝像機標(biāo)定方法。這為使用視覺測量進行測量打下了堅實的基礎(chǔ)。 為了更好地讓學(xué)生學(xué)會靈活運用所學(xué)知識， 全面達到教學(xué)大綱的要求。 我們將“實驗4：基于視覺測量的球直徑測量實驗”設(shè)計為一個開放式的實驗。該實驗的實驗?zāi)康氖牵豪斫庖曈X三維測量基本原理、熟悉使用工具完成視覺傳感器標(biāo)定及重建過程、 熟悉視覺傳感器標(biāo)定及測量結(jié)果分析評價。 在實驗指導(dǎo)書中并沒有給出具體的實驗步驟，學(xué)生可以根據(jù)自己的理解，做出相應(yīng)的結(jié)果，并進行精度分析。這種開放式實驗內(nèi)容設(shè)計不對設(shè)計方法進行硬性規(guī)定，而是給學(xué)生一個自由選擇的機會。 學(xué)生們可以根據(jù)自己的理解選擇實驗方法完成實驗內(nèi)容。

選用球直徑測量的實驗進行這類開放式實驗主要是因為在科研中發(fā)現(xiàn)，球直徑的測量具有多種方法，可以使用單目視覺傳感器，也可以使用立體視覺傳感器。單目視覺傳感器具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、 圖像處理簡單等優(yōu)點，但測量需要一些附加條件，導(dǎo)致需要很好的設(shè)計才可以達到較高測量精度。 立體視覺傳感器有兩個攝像機可以提供冗余信息， 但兩個相機圖像特征點的匹配存在困難，如何進行高精度匹配有一定難度。兩種方各有優(yōu)勢， 但都有一定難度， 都需要一定的設(shè)計和思考。因此這給了學(xué)生們很大的思考空間。學(xué)生們在實驗中學(xué)會如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，進而解決問題，更好地理解課堂所學(xué)內(nèi)容。

2.3 以PPT 匯報的形式報告實驗結(jié)果，學(xué)生們之間可以相互學(xué)習(xí)、比較

針對實驗結(jié)果， 我們設(shè)計了通過PPT 形式報告自己實驗結(jié)果的考核方式。 在PPT 中學(xué)生們說明設(shè)計方案、實驗過程和實驗結(jié)果及分析，這樣可以全面鍛煉了學(xué)生科研能力，也讓學(xué)生們更好地理解課本上的內(nèi)容。在教學(xué)實踐中，這個環(huán)節(jié)大家非常踴躍，詳細匯報了自己方法的優(yōu)點。通過比較，他們也會發(fā)現(xiàn)別人方法的優(yōu)勢，以及自己方法還可以改進的地方。