史金龍　白素琴　龐林斌　錢強

摘要：闡述基于CDIO的機器視覺研究生課程教學改革實踐方法，提出通過開展實踐式教學、創(chuàng)建實習實驗室、設計真實的教學環(huán)境等教學改革手段，加強教師素質培養(yǎng)與團隊建設。實踐證明，該改革方法能夠改善課程教學效果，提高研究生科研能力。

關鍵詞：機器視覺；CDIO；教學改革；研究生教學

我國的研究生教育經(jīng)過擴招后，質量出現(xiàn)了嚴重下滑的現(xiàn)象，研究生教育改革勢在必行。為提高研究生教育質量，課程體系改革是中心工作。傳統(tǒng)的教育模式主要是教師主動傳授，學生被動接受。這種教育方式已不適應當前人才培養(yǎng)需要，因此必須逐步改變傳統(tǒng)教育模式，探索適合中國教育特色的研究生培養(yǎng)路線，實踐證明CDIO是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的可行之路。本文以研究生機器視覺課程為試點，探索CDIO模型下的研究生教學改革方案。

1.機器視覺課程特點

隨著數(shù)字圖像處理、人工智能技術的快速發(fā)展，機器視覺應用越來越廣泛。機器視覺成為了信息相關專業(yè)研究生的一門重要選修課，該課程涉及信息處理、計算機、機器人、人工智能等眾多領域。機器視覺從信息處理的層次研究視覺信息的認知過程，包括視覺處理中的方法、理論及信息描述等。該課程具有以下兩個特點。

1）理論抽象，內(nèi)容廣泛。

機器視覺涉及圖像處理、模式識別、機器學習等多個學科領域，所涉及的內(nèi)容數(shù)學表達抽象、內(nèi)容廣泛、算法繁多，學生難以理解。

2）與工程應用結合緊密，實踐性強。

這門課程知識體系的構建源自各種特色專業(yè)應用領域。在工業(yè)中，特別是在各種生產(chǎn)線上，視覺產(chǎn)品應用非常廣泛。只有讓研究生經(jīng)歷大量的工程項目設計與實現(xiàn)，才能深切體會各種機器視覺算法和技術的功能及作用。

2.CDIO教育模式

隨著經(jīng)濟、科技高速發(fā)展，全球面臨工程人才短缺和工程教育質量問題。為了培養(yǎng)符合企業(yè)需求的人才，麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所大學經(jīng)過多年探索、研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育模式，并成立了CDIO國際合作組織。CDl0教育模式是構思（conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）4個英文單詞的縮寫。

（1）構思要求學生根據(jù)所掌握的專業(yè)知識基本原理，確定個人未來的發(fā)展方向。

（2）設計是以產(chǎn)品規(guī)劃與設計為核心，通過產(chǎn)品研發(fā)，解決某個具體問題。

（3）實現(xiàn)是以制造或建造為核心，鞏固學生所掌握的專業(yè)知識，提高實踐能力，形成一體化的課程實踐。

（4）運作是產(chǎn)品應用的各個環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)將學生能力培養(yǎng)貫穿于從產(chǎn)品研發(fā)到運行的整個生命周期中。通過系統(tǒng)的產(chǎn)品設計與研發(fā)，提高學生的專業(yè)技術水平，培養(yǎng)學生個人能力、職業(yè)能力、態(tài)度、團隊工作和交流能力等。

CDIO代表了一種工程教育理念，它是“基于項目教育和學習”及“做的過程中學習”的抽象表達和集中概括，強調(diào)通過密切聯(lián)系產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)學生的綜合能力。燕山大學、清華大學、汕頭大學等多所高校進行了CDIO教育模式試點改革，并取得較好的成效。

3.基于CDIO的“機器視覺”教學改革

本課題組借鑒國內(nèi)外高校在CDIO教學改革方面的經(jīng)驗，重新審視了江蘇科技大學研究生教學中機器視覺課程的不足之處，參照CDIO教育模式，結合江蘇科技大學特點制定了基于CDIO的機器視覺教學改革方案。江蘇科技大學研究生來自全國各地，部分學生是非計算機專業(yè)出身，知識水平及應用能力差距較大；同時，該課程內(nèi)容涉及廣泛、綜合性強，需注重實踐能力的培養(yǎng)，這些都給教學帶來了困難。

3.1加強教師素質培養(yǎng)與團隊建設

CDIO模式的實施需要教師深刻理解CDIO模式的理念，具備豐富的工程實踐經(jīng)驗，并能長期與企業(yè)在各個工業(yè)領域開展合作，因此，江蘇科技大學作出關于培育CDIO模式師資力量的計劃。首先，讓青年教師到企業(yè)掛職鍛煉，了解企業(yè)實際需求及工業(yè)的相關技術發(fā)展；其次，與企業(yè)簽訂合同，讓教師參與企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)，提高教師工程實踐能力；再次，將教師企業(yè)掛職經(jīng)歷、參與企業(yè)合作研發(fā)產(chǎn)生的效益等作為晉職的考核指標之一。

本次教學改革打破傳統(tǒng)系、教研室的觀念，組建復合型“機器視覺”教學科研團隊。該團隊以機器視覺課程為主線，吸收數(shù)學、計算機語言、軟件工程等基礎課，工業(yè)控制、機器人學、人工智能、模式識別、機器學習等專業(yè)課，實現(xiàn)機器視覺課程和相關專業(yè)課程的融合，促進機器視覺與相關專業(yè)知識的互相滲透和有機結合，實現(xiàn)教師及實驗資源的合理使用。

同時，學校要求本課題中從事機器視覺教學的教師，不僅從事機器視覺課堂教學，而且必須參與相關項目，從事實際項目設計、開發(fā)、測試等工作。目前，江蘇科技大學的機器視覺教學科研團隊，已與企業(yè)合作承擔了若干與機器視覺相關的項目。通過參與項目的實際開發(fā)，提高了教師的教學科研能力，同時為CDIO模式的有效實施創(chuàng)造了有利條件。

3.2開展講座式、討論式、實踐式教學

本次教學改革將機器視覺的教學內(nèi)容分割成濾波器、特征提取與匹配、圖像分割、圖像匹配、目標跟蹤、光流、三維重建、缺陷檢測等若干研究主題。針對每個主題設計項目，教師圍繞項目進行講授，讓學生理解每個項目的目標、任務、所涉及的基礎知識、開發(fā)項目的基本過程。

在課堂教學中，教師采用提問式教學方法，激發(fā)學生的討論熱情，鼓勵學生自發(fā)的討論問題。

項目實施過程中，將3-5名學生分為1組，每組同學選擇并完成不同的項目，達到將所學理論融入科研實踐的目的。學校鼓勵學生完善所做項目，積極參加大學生“挑戰(zhàn)杯”、機器人大賽、電子設計競賽等各種科技競賽，增強學生就業(yè)創(chuàng)新能力。

最后，組織學生進行課題討論，提煉總結創(chuàng)新成果，并要求學生提交計劃、分析、設計、開發(fā)、測試等創(chuàng)作文檔。通過項目創(chuàng)新設計思路的描述和分析討論，使學生將機器視覺課程與專業(yè)課程體系有機地結合起來，深入消化、吸收所學知識，理解、掌握科研創(chuàng)新的方法及過程，激發(fā)實踐創(chuàng)新興趣。

3.3創(chuàng)建實習實驗室，設計真實的教學環(huán)境

CDIO教育體系旨在培養(yǎng)高素質的工程技術人員，注重將教學項目的全過程放在真實的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中。江蘇科技大學非常注重教學工廠型實習基地建設，課題組抓住洽談機器視覺項目的契機，與符合專業(yè)發(fā)展方向的機器視覺企業(yè)建立了校企合作機制，創(chuàng)建了符合教學要求的產(chǎn)品研發(fā)實習實驗室。產(chǎn)品研發(fā)實習實驗室既是教室又是實驗室，真正做到“教學和實踐合一”。課程教學時，讓學生在實驗室中產(chǎn)品開發(fā)的實際環(huán)境下進行實訓、研究。學生在實踐中學習，學習中實踐，有利于其構建扎實的“機器視覺”知識體系。

在產(chǎn)品研發(fā)實習實驗室中，要求學生嚴格按照企業(yè)規(guī)定進行實際產(chǎn)品研發(fā)，例如產(chǎn)品開發(fā)中的需求分析、概要設計、詳細設計、軟件編碼、測試等工作要嚴格按照需求執(zhí)行，要有相應的技術文檔。這樣有利于學生在真實的產(chǎn)品研發(fā)過程中掌握技術規(guī)范、工程化研發(fā)思想及相應的專業(yè)技能。

教師參與產(chǎn)品開發(fā)，可將教師的最新研究成果應用于企業(yè)，也可通過企業(yè)的實際需求帶動教師的科研工作。在此過程中教師能更好地指導學生，與學生形成默契的合作關系。

另外，課題組將公司的企業(yè)文化及管理思想引入實習實驗室教學環(huán)節(jié)中，讓學生在企業(yè)環(huán)境下掌握管理知識、學習管理經(jīng)驗、養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)，做到企業(yè)運營與教學管理的真正融合。通過這樣的教學形式，培養(yǎng)真正適合企業(yè)需要的人才。

3.4培養(yǎng)學生合作精神，增強學生團隊意識

“合作精神”與“團隊意識”是CDIO教育理念精髓所在。社會的進步與現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的趨勢都對高校人才“合作精神”與“團隊意識”的培養(yǎng)提出了迫切要求。但中國人內(nèi)斂的傳統(tǒng)自我意識使學生之間缺乏交流與合作，以考試為中心的應試教育忽略了對學生“合作精神”與“團隊意識”的培養(yǎng)，獨生子女問題導致部分學生自我思想較重，缺乏相互理解、寬容、謙讓的精神。

因此，為了培養(yǎng)學生的“合作精神”與“團隊意識”需要學生將所學的專業(yè)知識運用到團隊課題中，在課題中實踐合作精神，培養(yǎng)團隊意識。實踐教學作為研究生教學環(huán)節(jié)中重要的組成部分，是培養(yǎng)學生實踐及創(chuàng)新能力的重要途徑，更能將“團隊意識”的培養(yǎng)落到實處。

在機器視覺課程中，安排4～5名學生組成小組，完成項目作業(yè)，每人承擔項目的不同部分，最后以組為單位提交設計、開發(fā)報告，讓學生逐一匯報自己的工作，進行項目總結交流與經(jīng)驗分享。這種方式即拓展了學生的知識，又培養(yǎng)了學生的語言表達、溝通協(xié)調(diào)等能力。

機器視覺類項目以算法為主，需要通過軟件編程實現(xiàn)，在實際項目開發(fā)中通常采用VSS（Visual Source Safe）源碼版本控制軟件進行團隊開發(fā)管理。教學中，學生的項目計劃文檔、需求分析文檔、軟件設計文檔、算法源代碼、測試文檔等均通過VSS服務器實現(xiàn)共享管理，以便學生從項目中學會計劃、協(xié)調(diào)、溝通，提高學生的組織和團隊合作能力。

學生最終的成績以小組共同開發(fā)的軟件為評分依據(jù)，同組組員得分相同。通過項目調(diào)動學生的主觀能動性，增強與他人的合作精神，培養(yǎng)團隊意識。

4.教學效果評價體系

為了客觀地評價CDIO教育模式的教學效果，發(fā)現(xiàn)教學過程中的問題，制定教學完善措施，需要建立一套科學的教學效果評價體系。在CDIO模式中，除了評估學科基礎知識、基本技能之外，也要評估學生個人的人際交往技能以及產(chǎn)品研發(fā)過程控制和系統(tǒng)構建技能。

本課題組使用以下方法衡量學生是否達到預期學習效果。

（1）筆試。評價學科基礎知識、基本技能的掌握程度。

（2）口試。項目完成后，每個學生都要闡述產(chǎn)品的計劃、分析、設計、編碼、測試等產(chǎn)品開發(fā)過程，以評價學生創(chuàng)新、思維、表達、團隊協(xié)作等綜合能力。

（3）軟件演示。將每個項目小組開發(fā)的軟件進行展示，由多名教師聯(lián)合評估打分，并提出反饋意見，以便后期改進。

通過測評，評估學生的綜合能力，并發(fā)現(xiàn)教學過程中的問題，以便在下個教學階段進行完善。

5.結語

本課題通過CDIO教育模式與機器視覺課程相結合，將教師、學生與企業(yè)緊密聯(lián)系在一起，將教學項目的全過程置于真實的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中，提出針對機器視覺課程的具體措施和建議。實踐證明，采用這種教學方式提高了研究生的教育質量，是對今后培養(yǎng)符合社會需要的高素質工程技術人員的一次有益嘗試。

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（編輯：趙廓）