機(jī)械智能制造方向本科生“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”課程教學(xué)改革探索

黃建 李平

摘 要 在工業(yè)4.0背景下，開(kāi)展機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用本科教學(xué)必要性不斷增加。針對(duì)前期本課程面臨與傳統(tǒng)機(jī)械專業(yè)課接軌性較差、學(xué)生積極性較差以及教學(xué)內(nèi)容面臨的局限性等問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)。主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式三方面進(jìn)行了改革，從而為本課程后續(xù)開(kāi)展以及教學(xué)質(zhì)量的提高奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺(jué);教學(xué)改革;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.33.021

Exploration on the Teaching Reform of "Machine Vision and Application"

for Undergraduates in the Direction of Mechanical Intelligent Manufacturing

HUANG Jian， LI Ping

（School of Mechanical Engineering， Chongqing Technology and Business University， Chongqing 400067）

Abstract Under the background of industry 4.0， the necessity of undergraduate teaching of machine vision and application is increasing. In view of the problems faced by this course in the early stage， such as poor integration with traditional mechanical courses， poor students' enthusiasm and the limitations of teaching content， this paper makes improvements. The reform is mainly carried out from three aspects： teaching content， teaching mode and assessment method， which lays a foundation for the follow-up development of this course and the improvement of teaching quality.

Keywords machine vision; teaching reform; teaching content; teaching mode

引言

自從2015年李克強(qiáng)總理簽批工業(yè)4.0以來(lái)，中國(guó)制造2025已經(jīng)上升至國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略發(fā)展的高度。而其中一個(gè)重要的發(fā)展方向就是智能制造。[1]智能制造技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)，結(jié)合前期學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，利用特定算法，對(duì)過(guò)程進(jìn)行分析和判斷，并結(jié)合智能機(jī)器人對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行取代，從而極大提高生產(chǎn)效率。因此，智能制造將使傳統(tǒng)的機(jī)械制造與信息流結(jié)合，邁向智能化機(jī)械制造。[2]而完成智能制造的一項(xiàng)重要工作就是利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)、環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，從而保障后續(xù)工作的順利推進(jìn)。同時(shí)，由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)較強(qiáng)的獲取信息能力和適應(yīng)環(huán)境能力，并且容易構(gòu)建自動(dòng)化和智能化等優(yōu)點(diǎn)，[3]從而成了發(fā)展智能制造的關(guān)鍵部分。

除了企業(yè)界對(duì)機(jī)器視覺(jué)方向的不斷探索，高等院校也在不斷開(kāi)拓機(jī)器視覺(jué)的教育空間，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的順利銜接，最明顯的一項(xiàng)措施就是部分高校在本科教學(xué)中增設(shè)了“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”課程。

然而，機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用這門課程面臨著以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）與先修專業(yè)課程接軌性較差。傳統(tǒng)的機(jī)械類專業(yè)課和機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械原理，機(jī)電一體化等課程接軌性較高，更多地從力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者電路等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)。但是，從本門課程主要涉及光學(xué)以及算法知識(shí)。由于缺少對(duì)光學(xué)類最基本的概念，如物象關(guān)系，視場(chǎng)以及投影變換，因此在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易一頭霧水，讓部分學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，從而對(duì)課程內(nèi)容提不起興趣，積極性下降。（2）課堂氣氛不活躍。由于機(jī)器視覺(jué)的核心是通過(guò)特定算法實(shí)現(xiàn)識(shí)別的功能，在講解算法時(shí)，涉及大量數(shù)學(xué)知識(shí)，將會(huì)進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，很多時(shí)候?qū)⒊霈F(xiàn)教師在黑板上推導(dǎo)公式，學(xué)生在下面記筆記的場(chǎng)面，教師無(wú)法利用幽默的語(yǔ)言吸引學(xué)生注意力，因此課堂分為比較枯燥，學(xué)生積極性難以調(diào)動(dòng)。（3）教學(xué)內(nèi)容具有一定局限性。目前本科生“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”普遍存在內(nèi)容廣泛但是難度較大，比如涉及光學(xué)成像的知識(shí)以及大量有關(guān)算法的知識(shí)，因此需要學(xué)生自學(xué)大量前期未修的知識(shí);課時(shí)較少，目前為32學(xué)時(shí)，由于內(nèi)容較多且難度較大，很多學(xué)生學(xué)完之后感覺(jué)應(yīng)用能力無(wú)法滿足實(shí)際工程需求，因此導(dǎo)致信心不足，從而對(duì)本領(lǐng)域產(chǎn)生一定的動(dòng)搖。

在課時(shí)有限的情況下，如何提高教學(xué)效率，提升學(xué)生對(duì)課程吸收程度同時(shí)培養(yǎng)本科生動(dòng)手實(shí)踐能力，這將是本門課程面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，我們將從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，教學(xué)模式改革，考核方式改革三方面切入，并以學(xué)生就業(yè)興趣為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生在本領(lǐng)域的獨(dú)立工作能力。

1 機(jī)械類“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”本科生教學(xué)改進(jìn)措施

1.1師資隊(duì)伍的建設(shè)

影響學(xué)科發(fā)展的因素很多，其中關(guān)聯(lián)最大最直接的就是授課教師的質(zhì)量和穩(wěn)定性。首先，教師的學(xué)術(shù)研究背景將影響本課程的教學(xué)深度和高度。為了提升教師的學(xué)術(shù)本經(jīng)，可以增加本門課程的教師和其他學(xué)校教師的交流，這樣能夠促進(jìn)本課程教師學(xué)術(shù)方面的提升，同時(shí)可以指導(dǎo)本門課程前沿的教學(xué)知識(shí)教學(xué)。第二，形成年齡、職稱合理分布的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。第三，多參加全國(guó)高等學(xué)校教學(xué)一流課程創(chuàng)新論壇或者會(huì)議，這對(duì)于提升教學(xué)質(zhì)量，把握課堂將會(huì)有顯著的提升。第四，為青年教師的成長(zhǎng)提供機(jī)會(huì)，促使其在教學(xué)方面不斷提升;以未來(lái)前景引導(dǎo)其方向，并適時(shí)的鼓勵(lì)和贊揚(yáng)，提升其教學(xué)成就感和榮譽(yù)感。第五，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的老教師要與青年教師多交流溝通，對(duì)其在教學(xué)、生活中的困難和困惑要及時(shí)幫助解決，并以過(guò)來(lái)人的身份給其建議，增加青年教師的歸屬感。

1.2教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

考慮到機(jī)械類專業(yè)學(xué)科特點(diǎn)，對(duì)“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一定的修訂以及發(fā)散。首先，對(duì)傳統(tǒng)的成像部分進(jìn)行擴(kuò)展，主要拓寬學(xué)生對(duì)物象關(guān)系部分內(nèi)容的知識(shí)，如關(guān)于機(jī)器視覺(jué)的硬件技術(shù)中鏡頭技術(shù)，攝像機(jī)技術(shù)，光源技術(shù)以及攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)。本部分內(nèi)容主要以講解為主，通過(guò)幾何光學(xué)公式推導(dǎo)，從理論上講解各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)成像的影響，同時(shí)，利用實(shí)際物體，讓學(xué)生親身體會(huì)改變硬件參數(shù)，我們?nèi)搜塾^測(cè)到的成像質(zhì)量，從而進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)光學(xué)參數(shù)的理解，這將為后續(xù)系統(tǒng)關(guān)鍵接口參數(shù)的選型奠定基礎(chǔ)。

其次，對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心部分，即圖像處理技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容調(diào)整。針對(duì)機(jī)械類學(xué)生，本門課程主要以利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行形狀尺寸以及缺陷檢測(cè)為最終目的，從而調(diào)整圖像處理算法的內(nèi)容。對(duì)本部分內(nèi)容從算法來(lái)源以及過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并配以啟發(fā)性教學(xué)。讓學(xué)生充分意識(shí)到本門課程與本專業(yè)未來(lái)發(fā)展的結(jié)合程度，同時(shí)認(rèn)識(shí)到本門課程在未來(lái)新技術(shù)發(fā)展中的重要性。

第三，對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用部分內(nèi)容以實(shí)際訓(xùn)練為主要方式進(jìn)行教學(xué)。本部分內(nèi)容將前面所學(xué)的所有內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，完成某項(xiàng)測(cè)量工作時(shí)，將涉及成像鏡頭的選取，相機(jī)的選取，以及各類算法的設(shè)計(jì)，因此將是一個(gè)系統(tǒng)以及實(shí)用知識(shí)能力的訓(xùn)練。

1.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)一步理解的重要平臺(tái)，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提升也起著至關(guān)重要的作用，因此，必須完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。主要包含軟件和硬件的建設(shè)，其中硬件主要為視覺(jué)系統(tǒng)，包括鏡頭、相機(jī)、電腦以及光源;軟件主要包含圖像處理的平臺(tái)，可以為MATLAB，Python，C等語(yǔ)言。最后，學(xué)生在硬件的支撐下，拍攝圖片，并在配置的電腦上編寫代碼，進(jìn)行圖像處理。同時(shí)可以將此平臺(tái)作為學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其畢業(yè)設(shè)計(jì)成果可以儲(chǔ)存在系統(tǒng)中，可以為后續(xù)教學(xué)積累一定的資源。

1.4教學(xué)模式的改革

首先，引入翻轉(zhuǎn)課堂。[4]此種教學(xué)模式將以學(xué)生為中心，教師以輔助引導(dǎo)，完成知識(shí)點(diǎn)教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂主要是為了調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，增加他們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中的參與感。根據(jù)前一節(jié)課布置的預(yù)習(xí)作業(yè)，課堂上隨機(jī)抽取一位同學(xué)來(lái)進(jìn)行講解，并且將針對(duì)同學(xué)的提問(wèn)進(jìn)行答疑。這樣一方面增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。但是，對(duì)于基礎(chǔ)較差的同學(xué)，此種方法將帶來(lái)一定困難，因此，教師在布置預(yù)習(xí)作業(yè)時(shí)，將對(duì)預(yù)習(xí)難度進(jìn)行把控，對(duì)于較難理解的知識(shí)點(diǎn)由教師講解。

其次，充分利用多媒體資源，幫助學(xué)生理解較難理解的知識(shí)點(diǎn)。特別是針對(duì)利用頻率域?yàn)V波對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)以及特征提取部分。利用多媒體，展示不同的頻率對(duì)應(yīng)圖像的特征。然后，學(xué)生可以帶上自己電腦進(jìn)課堂，和老師一起編寫頻率濾波的程序，并一起運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后大家討論改正。并且在程序運(yùn)行的過(guò)程中，觀察每一步的結(jié)果，并和理論推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

第三，利用大作業(yè)，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并加深對(duì)前期基礎(chǔ)知識(shí)的理解。最后一部分的尺寸測(cè)量是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最普遍的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的利用游標(biāo)卡尺或者千分尺進(jìn)行測(cè)量精度低、速度慢、有磨損，無(wú)法滿足目前大規(guī)模生產(chǎn)。因此，講授最后一部分實(shí)例應(yīng)用時(shí)，可以以目前自動(dòng)化制造生產(chǎn)線上檢測(cè)的任務(wù)，給學(xué)生布置大作業(yè)。一方面深刻體會(huì)到本門課程在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際操作的能力。

第四，考核方式的改革。傳統(tǒng)的考核方式是利用試卷筆試的方式進(jìn)行考核，此種考核方式將會(huì)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生一定誤導(dǎo)，認(rèn)為本門課程是理論為主導(dǎo)的課程。然而，本門課程是以實(shí)際操作為主導(dǎo)。因此，僅以筆試進(jìn)行考核不適用。另一方面，采取合理的考核方式，才能使教學(xué)質(zhì)量有所提升，學(xué)生的積極性與興趣也隨之而來(lái)。所以，本門課程的考核成績(jī)主要有三部分組成：平時(shí)成績(jī)、筆試成績(jī)以及大作業(yè)實(shí)踐成績(jī)。平時(shí)成績(jī)主要根據(jù)平時(shí)上課出勤率、隨堂測(cè)試以及課堂積極性三方面進(jìn)行打分。對(duì)于表現(xiàn)較好的學(xué)生，應(yīng)該予以獎(jiǎng)勵(lì)和倡導(dǎo)。筆試成績(jī)主要是最終試卷考試的成績(jī)，對(duì)最基本的概念的理解，以及一些基本算法的理解予以考試。大作業(yè)成績(jī)主要鼓勵(lì)學(xué)生課后動(dòng)手，解決實(shí)際問(wèn)題，主要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作和對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析思考的能力。

2 機(jī)械類“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”本科教學(xué)實(shí)踐過(guò)程分析

對(duì)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)“機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用”本科課程進(jìn)行了教改試點(diǎn)。

安排了學(xué)生大作業(yè)題目，學(xué)生根據(jù)自己興趣，上網(wǎng)查詢資料進(jìn)行選題。隨后，完成方案確定，利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，撰寫報(bào)告。在上課期間，學(xué)生同時(shí)主動(dòng)和老師討論大作業(yè)的解決方案，老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑解惑，并了解進(jìn)度情況。提交報(bào)告后，教師根據(jù)代碼的完整性以及效果，給出成績(jī)。通過(guò)與學(xué)生課外交流，學(xué)生普遍反映該門課程提升了他們的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力得到了加強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)以后的工作學(xué)習(xí)的信心得到提高。

除了實(shí)驗(yàn)課程以及大作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力以外，還應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，如互聯(lián)網(wǎng)+，大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽等，使學(xué)生能夠感受到本門課程在實(shí)際生活中的重要性。第二，可以督促學(xué)生自學(xué)新知識(shí)，查閱最新文獻(xiàn)，接觸本領(lǐng)域前沿知識(shí)。第三，參加競(jìng)賽通常需要組隊(duì)參加，每位同學(xué)完成項(xiàng)目中一個(gè)模塊，因此，需要團(tuán)隊(duì)成員之間互相交流溝通，從而可以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力和與人溝通、交流的能力。

3 機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用課堂存在的問(wèn)題及反思

從實(shí)際教學(xué)效果來(lái)看，雖然較以前教學(xué)效果得到了一定提升，但是還是存在一定的問(wèn)題。第一，部分學(xué)生難以達(dá)到老師期望的教學(xué)效果，上課主動(dòng)性較差。通過(guò)交流，發(fā)現(xiàn)其原因一方面是學(xué)生內(nèi)驅(qū)力不夠，對(duì)機(jī)器視覺(jué)的內(nèi)容需求不大，故學(xué)習(xí)的主動(dòng)性降低。另一方面受限于前期專業(yè)課基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，理解不夠深刻，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)這門綜合性較強(qiáng)的課程，綜合應(yīng)用知識(shí)的能力有所欠缺。第二，適合本科生的教材較少，學(xué)生參考的書籍不夠，使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解不夠深入。第三，部分學(xué)生大作業(yè)完成質(zhì)量較低，其原因主要是由于積極性不夠以及前期專業(yè)知識(shí)掌握不扎實(shí)的綜合效應(yīng)導(dǎo)致。

針對(duì)以上學(xué)生反映出來(lái)的問(wèn)題，擬采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)：首先，評(píng)估未達(dá)到要求教學(xué)質(zhì)量的學(xué)生人數(shù)占比，如果占比小于20%，則主要原因在學(xué)生身上，需要通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行疏導(dǎo)，溝通和交流，同時(shí)對(duì)學(xué)生欠缺的知識(shí)進(jìn)行提升。如果占比大于20%，則老師的教學(xué)模式存在一定的不合理，需要改進(jìn)教學(xué)模式或者教學(xué)內(nèi)容。[5]第二，改進(jìn)教材，將選用更加適合于機(jī)械專業(yè)的機(jī)器視覺(jué)教材，這樣一方面讓學(xué)生對(duì)本門課程的陌生感減小，同時(shí)覺(jué)得本門課程和本專業(yè)結(jié)合更緊密，實(shí)用性更強(qiáng)，進(jìn)一步的，可以針對(duì)本專業(yè)，撰寫適合學(xué)生的教材。第三，對(duì)大作業(yè)實(shí)行分組完成的方式，可以促進(jìn)學(xué)生互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，各自發(fā)揮自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)早期機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用課程經(jīng)驗(yàn)不足，同時(shí)在目前工業(yè)4.0大環(huán)境背景下，對(duì)原有的課程體系以及教育模式進(jìn)行了改進(jìn)。具體包括了對(duì)教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)，使教學(xué)內(nèi)容更貼近機(jī)械類專業(yè)，與計(jì)算機(jī)專業(yè)進(jìn)行了區(qū)分。其次，對(duì)教學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，使學(xué)生進(jìn)一步增加了參與感。最后，對(duì)考核方式進(jìn)行了改革，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際應(yīng)用知識(shí)的能力。本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)及應(yīng)用課程中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施，這將為后續(xù)本門課程的開(kāi)展奠定一定的基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：重慶市教委重大教改項(xiàng)目，以學(xué)科競(jìng)賽為載體的地方高校學(xué)生國(guó)際交流途徑探索與模式研究（項(xiàng)目編號(hào)：171017）重慶工商大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)教改項(xiàng)目，以創(chuàng)新能力提升為導(dǎo)向的機(jī)械基礎(chǔ)類課程教學(xué)范式改革與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：2018107）

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