基于“以賽促教”的“機(jī)器人視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程改革探索與實(shí)踐

袁雪瓊 龍凱 熊英 高維 朱澤慧

摘?要：本文針對(duì)“機(jī)器人視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)考核方式等方面存在的不足，以各類“技能競(jìng)賽”及“競(jìng)賽項(xiàng)目組”為突破點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)模式，優(yōu)化考核評(píng)價(jià)方式，開拓“以賽促教”的新視野、新思路，提出“梯隊(duì)小組”“認(rèn)知—實(shí)踐—認(rèn)知”等新模式、新方法，讓更多的學(xué)生享受到技能競(jìng)賽的“紅利”，為智能制造行業(yè)的發(fā)展輸送更多技術(shù)技能人才，助力長(zhǎng)沙市、湖南省現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)升級(jí)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：以賽促教；機(jī)器視覺；課程教學(xué)改革

技能競(jìng)賽是提升技術(shù)技能人才培養(yǎng)質(zhì)量、檢驗(yàn)教學(xué)成果、引領(lǐng)教育教學(xué)改革的重要抓手，是職業(yè)院校教育教學(xué)活動(dòng)的一種重要形式和有效延伸，是對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求、反映國(guó)家職業(yè)教育教學(xué)水平的師生技能賽事［12］。技能競(jìng)賽以具體崗位操作為基礎(chǔ)，要求學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決工作崗位面臨的具體問題，能夠有效促進(jìn)學(xué)生專業(yè)技能的提升。此外，技能競(jìng)賽要求教師能夠充分了解當(dāng)前市場(chǎng)的人才需求方向，即時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式，優(yōu)化教學(xué)資源。堅(jiān)持以賽促教，能讓職業(yè)教育的腳步緊跟企業(yè)發(fā)展，對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，提高教育教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)更多高素質(zhì)技術(shù)技能人才、能工巧匠、大國(guó)工匠。

機(jī)器視覺是利用計(jì)算機(jī)、圖像處理器以及其他相關(guān)設(shè)備來(lái)模擬人類視覺功能的技術(shù)，是人工智能的一個(gè)分支［34］?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)將繼續(xù)深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)，推進(jìn)制造業(yè)的科技創(chuàng)新和智能制造水平，推動(dòng)先進(jìn)裝備制造業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)向自主研發(fā)制造轉(zhuǎn)變，高端裝備制造業(yè)行業(yè)將逐漸走向信息化、專業(yè)化和服務(wù)化。2021年3月，科技部正式復(fù)函湖南省人民政府，支持長(zhǎng)沙市建設(shè)國(guó)家新一代人工智能創(chuàng)新發(fā)展試驗(yàn)區(qū)，政策利好將有力推動(dòng)長(zhǎng)沙市人工智能及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈迅速發(fā)展，刺激機(jī)器視覺行業(yè)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)［57］。

為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，更好地服務(wù)地域經(jīng)濟(jì)、服務(wù)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，學(xué)院電子信息工程技術(shù)專業(yè)群開設(shè)了“機(jī)器人視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程。課程旨在讓學(xué)生了解和掌握機(jī)器視覺圖像獲取、傳輸、識(shí)別、處理的整個(gè)流程，能夠完成視覺開發(fā)環(huán)境的搭建，掌握市場(chǎng)主流的視覺模塊，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)智能制造典型應(yīng)用開發(fā)做好技術(shù)準(zhǔn)備，讓學(xué)生具備從事機(jī)器視覺開發(fā)、調(diào)試及維護(hù)等相關(guān)工作的能力［89］。

1?課程教學(xué)現(xiàn)狀

課程的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）素質(zhì)目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)機(jī)器人視覺技術(shù)，養(yǎng)成多學(xué)科交叉的學(xué)習(xí)方法和思維習(xí)慣；通過完成視覺檢測(cè)任務(wù)，增強(qiáng)分析問題解決問題的能力；通過自主設(shè)計(jì)、優(yōu)化檢測(cè)方案，提升創(chuàng)新意識(shí)、打造創(chuàng)新精神。

（2）知識(shí)目標(biāo)：了解機(jī)器人視覺技術(shù)的基本架構(gòu)及相關(guān)理論知識(shí)；了解市場(chǎng)上主流的計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)及其常用編程語(yǔ)言；掌握?qǐng)D像獲取、傳輸、識(shí)別、處理的整個(gè)流程；

（3）能力目標(biāo)：能夠機(jī)器視覺軟件平臺(tái)環(huán)境搭建；能夠運(yùn)用算法庫(kù)中的常用工具進(jìn)行物體定位、識(shí)別、測(cè)量、缺陷檢測(cè)等；能夠從事機(jī)器人圖像智能處理方面的開發(fā)、調(diào)試、及維護(hù)等相關(guān)工作。

課程教學(xué)的主要內(nèi)容有：

（1）視覺軟件平臺(tái)環(huán)境搭建（visionpro）。

（2）機(jī)器視覺系統(tǒng)標(biāo)定。

（3）物體的定位、識(shí)別及測(cè)量。

課程教學(xué)目前存在的主要痛點(diǎn)有：

（1）課程教學(xué)內(nèi)容與人工智能產(chǎn)業(yè)需求及區(qū)域經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)聯(lián)系不緊密，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)際崗位操作脫節(jié)。課程主要教學(xué)內(nèi)容包括視覺軟件平臺(tái)的搭建與使用、圖像處理工具的應(yīng)用、基于視覺的尺寸測(cè)量等。

存在以下主要問題：第一，教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)講了圖像處理工具的應(yīng)用，很少設(shè)計(jì)工具開發(fā)的流程、編程的方式。第二，實(shí)踐教學(xué)更多的是在電腦上進(jìn)行視覺軟件的操作，很少涉及視覺平臺(tái)的搭建及視覺系統(tǒng)與其他設(shè)備的通信，與崗位實(shí)際操作不符。第三，教學(xué)內(nèi)容的思政元素中職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)精神、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)、安全意識(shí)不夠突出。

（2）課程教學(xué)模式缺乏創(chuàng)新，小組教學(xué)中團(tuán)隊(duì)組合缺乏針對(duì)性，“講解+示范+操作”的實(shí)踐教學(xué)模式不利于激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)造力。課程采取理論課+實(shí)踐課的方式教學(xué)，采用的主要教學(xué)方法由講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法。理論教學(xué)重點(diǎn)講解機(jī)器視覺的整個(gè)工作流程、各類圖像處理算子的使用方法，實(shí)踐教學(xué)由教師示范，學(xué)生完成圖像處理算子的應(yīng)用。

目前教學(xué)模式主要存在以下問題：首先，有采用劃分小組的形式組織學(xué)生完成工作任務(wù)，但小組為隨機(jī)組合或?qū)W生自愿組合，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生抱團(tuán)，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生動(dòng)手能力弱，造成兩極分化，沒有很好地發(fā)揮小組學(xué)習(xí)互幫互助，共同進(jìn)步的優(yōu)勢(shì)。其次，當(dāng)前采用的“講解+示范+操作”的實(shí)踐教學(xué)模式，讓學(xué)生習(xí)慣性地吸收教師灌輸?shù)闹R(shí)，模仿教師的操作，缺乏主動(dòng)思考、創(chuàng)新的能力，不利于提高學(xué)生的臨場(chǎng)應(yīng)變能力及解決問題能力。

（3）課程考核方式單一，不能對(duì)學(xué)生的技術(shù)技能做出全面、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。課程采取過程考核+綜合測(cè)評(píng)的方式進(jìn)行考核，過程考核主要對(duì)實(shí)踐教學(xué)過程中學(xué)生的任務(wù)完成情況進(jìn)行考核，由任課教師進(jìn)行評(píng)分；綜合測(cè)評(píng)采取理論測(cè)試的方式對(duì)學(xué)生的課程知識(shí)掌握情況進(jìn)行檢測(cè)。總體來(lái)看，課程目前的考核方式能夠在一定程度上反映學(xué)生的技術(shù)技能掌握情況，但存在以下幾個(gè)問題：首先，過程考核沒有統(tǒng)一評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)分受主觀因素影響較大，不能客觀反應(yīng)學(xué)生操作是否符合崗位操作標(biāo)準(zhǔn)。其次，過程考核缺少生生互評(píng)，學(xué)生依賴教師評(píng)價(jià)，不能對(duì)自己的問題進(jìn)行自查自糾。最后，對(duì)學(xué)生的素質(zhì)目標(biāo)的考核沒有量化，未能很好地激發(fā)學(xué)生對(duì)職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)精神的重視度，不利于學(xué)生提高對(duì)工作崗位的適應(yīng)能力。

2?課程改革思路

課程改革可以以各類視覺相關(guān)技能競(jìng)賽作為切入點(diǎn)，通過競(jìng)賽的“研培戰(zhàn)”過程，提取總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，融入課程教學(xué)，將機(jī)器視覺相關(guān)的各類技能競(jìng)賽元素融入課程教學(xué)，對(duì)機(jī)器人視覺技術(shù)及應(yīng)用課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式進(jìn)行改革。機(jī)器視覺相關(guān)的技能競(jìng)賽賽項(xiàng)主要有：機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用、生產(chǎn)單元數(shù)字化改造、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用、機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)等?？梢匀谌胝n程教學(xué)的競(jìng)賽元素有：競(jìng)賽精神、競(jìng)賽任務(wù)、競(jìng)賽評(píng)分以及競(jìng)賽選手培養(yǎng)選拔等。

在教學(xué)內(nèi)容方面，參照“競(jìng)賽任務(wù)”，調(diào)整教學(xué)案例，改善實(shí)驗(yàn)條件，借助“競(jìng)賽內(nèi)容”充分結(jié)合理論教學(xué)和用人單位實(shí)際需求這一優(yōu)勢(shì)，切實(shí)提高教學(xué)內(nèi)容與長(zhǎng)沙市“人工智能與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈”的契合度。將競(jìng)賽精神中的拼搏精神、挑戰(zhàn)自我精神作為思政元素融入課堂，激發(fā)學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)；將競(jìng)賽中對(duì)職業(yè)素養(yǎng)和安全意識(shí)的要求融入課程素質(zhì)目標(biāo)，提高學(xué)生對(duì)工作崗位的適應(yīng)性。此外，將競(jìng)賽任務(wù)中與具體工作崗位、與產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切聯(lián)系的部分融入課程教學(xué)任務(wù)，使課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)與市場(chǎng)實(shí)際需求保持一致，為學(xué)生就業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

在教學(xué)模式方面，借鑒競(jìng)賽選手選拔時(shí)采用的“競(jìng)賽項(xiàng)目組”培養(yǎng)模式，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力的強(qiáng)弱及學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的優(yōu)劣程度在教學(xué)班級(jí)組建“優(yōu)中差”生組合的“梯隊(duì)小組”，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位開展“認(rèn)知—實(shí)踐—認(rèn)知”的學(xué)習(xí)，打破高職院校常規(guī)教學(xué)模式。以實(shí)踐任務(wù)作為驅(qū)動(dòng)，學(xué)生先通過閱讀資料、觀看視頻、聽教師講解、觀摩實(shí)操等方式對(duì)任務(wù)所需知識(shí)技能有初步認(rèn)知，再通過實(shí)際操作、小組競(jìng)賽等活動(dòng)對(duì)知識(shí)技能進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練及檢測(cè)，最后通過總結(jié)、反饋、點(diǎn)評(píng)等活動(dòng)將知識(shí)內(nèi)化，形成自己新的認(rèn)知。讓學(xué)生不僅“知其然”，還“知其所以然”，為高職院校人才培養(yǎng)向應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)換做鋪墊。

在考核方式方面，技能競(jìng)賽的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)均為行業(yè)專業(yè)制定，能夠體現(xiàn)出對(duì)人才綜合素質(zhì)的市場(chǎng)評(píng)價(jià)。在課程考核方式中，對(duì)標(biāo)“競(jìng)賽評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)”，引入技能競(jìng)賽全過程、全方位的考核方式，細(xì)化、量化考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)及課程任務(wù)完成的合理性、規(guī)范性、完成質(zhì)量進(jìn)行考核。采用過程考核與結(jié)果考核相結(jié)合的方式，對(duì)學(xué)生的知識(shí)、能力及素質(zhì)目標(biāo)達(dá)成情況進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)，讓學(xué)生更好地把握崗位對(duì)知識(shí)及技能的要求，提高學(xué)生適應(yīng)崗位的靈活性。

3?典型教學(xué)案例分析

3.1?教學(xué)內(nèi)容改革典型案例

選取機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用競(jìng)賽任務(wù)——芯片綜合檢測(cè)及分揀作為教學(xué)案例，根據(jù)教學(xué)需求、結(jié)合教學(xué)實(shí)踐條件，對(duì)競(jìng)賽任務(wù)進(jìn)行分解、提煉，重構(gòu)教學(xué)任務(wù)。芯片綜合檢測(cè)及分揀共分為六個(gè)教學(xué)任務(wù)，具體如下：

任務(wù)一：元件選型；任務(wù)二：機(jī)械電氣安裝；任務(wù)三：手眼標(biāo)定；任務(wù)四：芯片引腳測(cè)量及分揀；任務(wù)五：數(shù)據(jù)保存與發(fā)送；任務(wù)六：工具的二次開發(fā)。

與原有教學(xué)案例的教學(xué)內(nèi)容相比較，主要新增了機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)保存與發(fā)送、工具的二次開發(fā)，完善了整個(gè)視覺系統(tǒng)開發(fā)流程，教學(xué)內(nèi)容更加全面，貼合生產(chǎn)實(shí)際。

3.2?教學(xué)模式改革典型案例

以“機(jī)械電氣安裝”課堂教學(xué)為例來(lái)講解如何將“梯隊(duì)小組”模式及“認(rèn)知——實(shí)踐——認(rèn)知”學(xué)習(xí)方法落實(shí)到日常教學(xué)。

課前：綜合前修課程考核情況及既往課堂表現(xiàn)來(lái)分組，充分發(fā)揮項(xiàng)目組成員的優(yōu)勢(shì)，將其合理分配至各個(gè)學(xué)習(xí)小組，確保每個(gè)小組都有一個(gè)學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力及表達(dá)能力較為優(yōu)秀的學(xué)生充當(dāng)小組核心成員。組內(nèi)選定小組名稱及口號(hào)，形成小組文化。教師下發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)械電氣安裝學(xué)習(xí)文檔及操作視頻，小組長(zhǎng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員完成課前學(xué)習(xí)，對(duì)機(jī)械電氣安裝形成初步認(rèn)知。

課中：教師講解任務(wù)，小組根據(jù)課前認(rèn)知來(lái)進(jìn)行探索，讓學(xué)生在探索中完善初步認(rèn)知。在確保安全的前提下允許學(xué)生出錯(cuò)，使其進(jìn)入一種“帶著疑問求學(xué)”的高求知欲狀態(tài)。根據(jù)學(xué)生的實(shí)踐情況，教師進(jìn)行針對(duì)性示范，學(xué)生在教師或小組核心成員的帶領(lǐng)下完成實(shí)踐任務(wù)。

課后：對(duì)實(shí)踐過程進(jìn)行總結(jié)、提煉、反思，形成對(duì)該知識(shí)的深刻認(rèn)知。

3.3?課程考核改革典型案例

在實(shí)踐課堂中，效仿企業(yè)實(shí)際工作要求，給學(xué)生下發(fā)工作票或者操作票，票面上有實(shí)操的項(xiàng)目信息、操作人員信息、操作的具體步驟、操作的具體要求及考核評(píng)分。參照技能大賽評(píng)分表，設(shè)定過程評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)操作步驟及操作要求對(duì)其進(jìn)行量化。

過程評(píng)分共計(jì)20分，設(shè)定安全操作、工程素養(yǎng)、精神風(fēng)貌等考察項(xiàng)。以工程素養(yǎng)考核項(xiàng)為例說(shuō)明，其共計(jì)6分，具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

結(jié)語(yǔ)

本文從“以賽促教”的視角對(duì)“機(jī)器人視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程進(jìn)行了剖析，提出了課程改革的內(nèi)容及思路，并對(duì)課程典型教學(xué)案例進(jìn)行了分析，創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

（1）提出了一種“以賽促教”的新思路。從競(jìng)賽的“研培戰(zhàn)”全過程完成競(jìng)賽元素的挖掘，對(duì)競(jìng)賽精神、競(jìng)賽任務(wù)進(jìn)行提煉、內(nèi)化，完成課程教學(xué)的全面改革。

（2）提出了一種新的團(tuán)隊(duì)組建方式。以“競(jìng)賽項(xiàng)目組”作為切入點(diǎn)，提出了“梯隊(duì)小組”的概念，通過將“優(yōu)中差”生進(jìn)行搭配組合，模擬“競(jìng)賽項(xiàng)目組”的人才梯隊(duì)，形成“優(yōu)帶差，差促優(yōu)”的良好學(xué)習(xí)氛圍。

（3）提出了一種高效學(xué)習(xí)方法。根據(jù)“競(jìng)賽項(xiàng)目組”日常訓(xùn)練，總結(jié)出“認(rèn)知—實(shí)踐—認(rèn)知”的學(xué)習(xí)方法，并在教學(xué)班級(jí)中進(jìn)行創(chuàng)造性推廣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

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項(xiàng)目基金：2023年湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題《“以賽促教”視角下“機(jī)器人視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程改革探索》（編號(hào)：2023hniuktyb06）；2022年度湖南省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題《“三高四新”背景下工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)四鏈融合課程體系建設(shè)》（編號(hào)：ND228378）

作者簡(jiǎn)介：袁雪瓊（1990—?），女，漢族，湖南新化人，碩士研究生，講師，研究方向：機(jī)器視覺。