面向一流本科專業(yè)建設的機器視覺技術課程建設研究

高瑋瑋 張海峰 周俊 雷菊陽

摘要：一流本科專業(yè)建設，既是應用型本科高校貫徹落實教育部“一流本科教育”的核心基礎，也是基于自身特性提升專業(yè)實力，推動整體發(fā)展的重要途徑。本文基于應用型本科大學機械設計制造及其自動化專業(yè)為背景，討論面向一流本科專業(yè)建設的機器視覺技術課程的建設相關方法。

關鍵詞：一流本科;機器視覺;課程建設

1.引言

當前我國擁有全球最大的工科教育規(guī)模，但我國工科人才培養(yǎng)的目標定位不清晰，工科教學理科化，工程教育與行業(yè)企業(yè)實際脫節(jié)較大，工科學生存在綜合素質與知識結構方面的缺陷。近年隨著本科教育的大眾化，本科教育質量問題已經引起社會廣泛關注，各級政府也相繼出臺了各種措施。2017 年 11 月，教育部高等教育司司長吳巖在第十屆“中國大學教學論壇”上提出“一流本科，一流專業(yè)，一流人才”。2018 年 6 月，在成都舉行的新時代全國高等學校本科教育工作會議，第一次以“本科教育”為主題發(fā)表了“一流本科教育宣言”[1]。2019 年 4 月，教育部正式印發(fā)《關于實施一流本科專業(yè)建設“雙萬計劃”的通知》，主要任務是在 2019—2021 年建設約一萬個國家級一流本科專業(yè)點和一萬個省級一流本科專業(yè)點 [2]。

由于高校實力的不同，實施一流本科教育，不同層次的高校有不同的道路。應用型本科院校相對于“雙一流”重點大學，師資力量較為薄弱，不應好高騖遠，盲目跟隨重點大學的腳步。對于應用型本科高校來說，應腳踏實地，通過建設一批一流專業(yè)來逐步提升學校綜合實力。本文以應用型本科高校的機械設計制造及其自動化專業(yè)為背景，討論面向一流本科專業(yè)建設的機器視覺技術課程的建設相關途徑和方法。

目前，隨著工業(yè)4.0和中國制造2025的提出，機器視覺技術已經成為智能制造的“風口”技術，機器視覺技術人才就業(yè)質量高，在沿海地區(qū)更是供不應求。機器視覺技術涵蓋面廣，需要機械、電子、圖像處理、模式識別以及面向對象的編程技術，對人才培養(yǎng)提出了很大的挑戰(zhàn)。目前，在國內開設《機器視覺技術》相關課程，各專業(yè)側重點不同。但從根本上來說，機器視覺是以視覺技術為核心的智能機器技術，在日本也稱為“視覺機器”，因此，這門課程更適合機械設計制造及自動化專業(yè)開設。本文擬從立體化教材建設、課堂教學方法、實驗室建設和校企合作四個方面進行探討。

2.以“一流本科”專業(yè)建設為指導，進行立體化教學內容建設

按照“一流本科”專業(yè)建設的指導意見，機械類本科專業(yè)開設《機器視覺技術》課程，其課程總體教學目標為：（1）了解機器視覺系統(tǒng)的基本組成、原理和圖像處理的基礎知識;（2）掌握機器視覺系統(tǒng)的硬件技術;（3）掌握圖像處理的經典方法;（4）掌握機器視覺應用最普遍的尺寸測量技術與缺陷檢測技術;（5）熟悉并了解基于機器視覺的字符識別、車牌識別技術。通過課程實驗培養(yǎng)學生的使用機器視覺軟硬件能力和創(chuàng)新思維。初步掌握機器視覺系統(tǒng)的設計方法和工程技能，為成為一名具有光機電一體化集成和開發(fā)能力的工程師奠定堅實的理論和工程實際基礎。基于此，我們進行了課程教學大綱的設計，總學時32學時，理論學時26學時，課內實驗學時6學時，另外安排了多個選做實驗項目。

3.以案例教學為重點，改革課程教學方法

《機器視覺技術》課程內容比較繁雜且實踐性強，如何在30個學時的有限時間里讓學生既能掌握基本的理論同時還具備一定的實踐動手能力，這對教師的教學方法和手段是一個很大的挑戰(zhàn)。比如：圖像處理方法這一章，雖然在課時安排上已經明顯傾斜，但是即便如此想要把圖像處理方法講清楚，還是非常困難的?；诖?，采用基于案例的教學方法來講解各種圖像處理方法的應用和理論。例如在圖像分割方法這一部分的內容講授時，對于閾值分割方法中閾值的選取，會以多種類型的圖像為例來說明閾值該如何選取，同時通過零件缺陷檢測、血管分割等經典案例來說明圖像分割在實際中的應用，從而加深學生對該方法的理解。

4.以實驗室建設為依托，構建機器視覺實踐平臺，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識

課堂理論講授重要，而搭建一個功能齊全，具有基礎性兼顧先進性的機器視覺實驗室同等重要甚至是更為重要。從2016年開始，利用學校實驗室建設經費，先后投入150多萬元，打造了集教學和科研為一體的機器學習與視覺綜合實驗室。主要的設備有：機器視覺綜合試驗臺10套，線陣掃描平臺1套。大型綜合實訓和科研設備有：Faro激光跟蹤儀，視覺引導激光打標機，視覺引導AGV，雷尼紹激光干涉儀、UR人機協(xié)作機器人、Fanuc視覺并聯機器人，航拍無人機等。機器視覺器件包括：智能相機、工業(yè)相機、Gocator激光位移傳感器、工業(yè)鏡頭、運動平臺、LED光源、激光器、型號規(guī)格齊全，方便學生在靜態(tài)臺架和運動平臺上開展各種課外創(chuàng)新實驗。開設的課內實驗有：圖像獲取與光源實驗、多距離測量、劃痕檢測、車牌識別實驗等，另外選做的實驗有：相機標定實驗、機器人手眼標定實驗等。由于成立了先進、完善的機器視覺實驗室，也為我們校企合作打下了良好的基礎。

5.結論

作為契合“一流本科專業(yè)建設”指導思想的機器視覺技術課程，在機械設計制造及自動化專業(yè)開設具有重要意義。不僅需要建立科學合理的教學體系，更需構建先進完備的實踐基地。這樣才能牢固學生理論基礎，培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力。

參考文獻

[1] 張晞，顧永安，張根華 . 地方應用型高校一流本科專業(yè)推進策略 —基于江蘇 20 所高校特色專業(yè)建設的調研[J]. 中國高?？萍迹?019（11）.

[2] 李曉賢. 地方院校推進一流本科教育的戰(zhàn)略研究 [D]. 山西大學，2019.

上海工程技術大學機械與汽車工程學院?高瑋瑋，張海峰，周俊，雷菊陽