王中任　劉海生　肖光潤(rùn)　劉德政　晏濤

摘要：分析了新工科的特點(diǎn)及其對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)人才的要求，提出了要以“新工科”為指導(dǎo)，整合課程教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行立體化教材建設(shè)。介紹了以案例教學(xué)為重點(diǎn)的課堂教學(xué)方法改革。提出了以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為依托，構(gòu)建機(jī)器視覺實(shí)踐平臺(tái)。最后，以湖北文理學(xué)院VISION團(tuán)隊(duì)為例，介紹了通過校企合作培養(yǎng)機(jī)器視覺行業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的方法與途徑。

關(guān)鍵詞：新工科；機(jī)器視覺；課程建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）50-0246-02

當(dāng)前我國(guó)擁有全球最大的工科教育規(guī)模，但我國(guó)工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位不清晰，工科教學(xué)理科化，工程教育與行業(yè)企業(yè)實(shí)際脫節(jié)較大，工科學(xué)生存在綜合素質(zhì)與知識(shí)結(jié)構(gòu)方面的缺陷。因此，2017年2月，在復(fù)旦大學(xué)舉行的綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)達(dá)成了“‘新工科建設(shè)復(fù)旦共識(shí)”，隨后，教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，啟動(dòng)“新工科研究與實(shí)踐”項(xiàng)目，面向新工科的人才培養(yǎng)研究成為了熱點(diǎn)。但從根本上來說，大學(xué)新工科的目標(biāo)就是培養(yǎng)偉大的工程師。

隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的提出，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)成為智能制造的“風(fēng)口”技術(shù)，機(jī)器視覺技術(shù)人才就業(yè)質(zhì)量高，在沿海地區(qū)更是供不應(yīng)求。機(jī)器視覺技術(shù)涵蓋面廣，需要機(jī)械、電子、圖像處理、模式識(shí)別以及面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，對(duì)人才培養(yǎng)提出了很大的挑戰(zhàn)。目前，在國(guó)內(nèi)開設(shè)《機(jī)器視覺技術(shù)》相關(guān)課程，各專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同。但從根本上來說，機(jī)器視覺是以視覺技術(shù)為核心的智能機(jī)器技術(shù)，在日本也稱為“視覺機(jī)器”，因此，這門課程更適合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)。本文作者從2012年開始在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)《機(jī)器視覺技術(shù)》課程，從立體化教材建設(shè)、課堂教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和校企合作四個(gè)方面，進(jìn)行了全方位的課程建設(shè)。

一、以“新工科”為指導(dǎo)，進(jìn)行立體化教材建設(shè)

按照“新工科”的時(shí)代要求和根本目標(biāo)，機(jī)械類本科專業(yè)開設(shè)《機(jī)器視覺技術(shù)》課程，其課程總體教學(xué)目標(biāo)為：①了解機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本組成、原理和圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí)；②掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件技術(shù)；③掌握?qǐng)D像處理的核心技術(shù)；④掌握機(jī)器視覺應(yīng)用最普遍的尺寸測(cè)量技術(shù)與缺陷檢測(cè)技術(shù)；⑤了解基于機(jī)器視覺的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)和三維重建技術(shù)。通過課程實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的使用機(jī)器視覺軟硬件能力和創(chuàng)新思維。初步掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和工程技能，為成為一名具有光機(jī)電一體化集成和開發(fā)能力的工程師奠定堅(jiān)實(shí)的理論和工程實(shí)際基礎(chǔ)?；诖?，我們進(jìn)行了課程教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)，總學(xué)時(shí)36學(xué)時(shí)，理論學(xué)時(shí)30學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)，另外安排了多個(gè)選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們正在與華中科技大學(xué)出版社合作出版《機(jī)器視覺技術(shù)》教材，并將于2018年出版。

二、以案例教學(xué)為重點(diǎn)，改革課程教學(xué)方法

《機(jī)器視覺技術(shù)》課程是一門多學(xué)科交叉的課程，內(nèi)容繁雜，實(shí)踐性強(qiáng)。要在30學(xué)時(shí)的有限時(shí)間內(nèi)把基本理論體系構(gòu)建起來，并讓學(xué)生有一定的實(shí)踐動(dòng)手能力，對(duì)教師的教學(xué)方法提出了很高的要求。以“圖像處理技術(shù)”這一章為例，雖然安排了課程近1/3的學(xué)時(shí)，但想把博大精深的圖像處理技術(shù)講清楚，非常困難。為此，我們采用了基于案例的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，通過一系列的機(jī)械零件圖像處理的小程序演示和項(xiàng)目案例，減少學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，再通過布置課外閱讀材料和輔導(dǎo)書，讓學(xué)生能夠由淺入深地去學(xué)習(xí)理論知識(shí)。比如，在“尺寸測(cè)量技術(shù)”這一章中，我們通過外螺紋視覺通用測(cè)量系統(tǒng)的研發(fā)案例來對(duì)“圖像處理技術(shù)”一章中難懂的概念和算法進(jìn)行了綜合運(yùn)用?；跈C(jī)器視覺的外螺紋測(cè)量是根據(jù)工業(yè)CCD相機(jī)采集到的螺紋圖像，應(yīng)用圖像處理的方法或算法，測(cè)量出外螺紋的大徑、中徑、小徑、螺距等參數(shù)。我們采用HALCON機(jī)器視覺函數(shù)庫來進(jìn)行教學(xué)，在教會(huì)學(xué)生圖像處理算法的同時(shí)，也教會(huì)了一種主流的工具軟件，通過這個(gè)案例，用20分鐘時(shí)間，讓學(xué)生領(lǐng)悟到視覺測(cè)量算法的精華，具有系統(tǒng)性和實(shí)用性。在講授三維重建技術(shù)中，我們結(jié)合團(tuán)隊(duì)的大型工件雙目結(jié)構(gòu)光掃描系統(tǒng)的開發(fā)和刀具在位磨損系統(tǒng)研發(fā)兩個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)行了案例教學(xué)，學(xué)生真切地感受到三維重建和測(cè)量在未來智能工廠中有光明的應(yīng)用前景，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)，不但掌握了三維重建的理論方法，更提升了工程師素養(yǎng)和實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的責(zé)任感。

三、以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為依托，構(gòu)建機(jī)器視覺實(shí)踐平臺(tái)

鞏固課堂理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是關(guān)鍵。而搭建一個(gè)功能齊全，具有基礎(chǔ)性兼顧先進(jìn)性的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室，尤其重要。從2012年起，利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，先后投入450多萬元，打造了集教學(xué)和科研為一體的智能制造與機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室。主要的設(shè)備有：機(jī)器視覺綜合試驗(yàn)臺(tái)5套，線陣掃描平臺(tái)1套。大型綜合實(shí)訓(xùn)和科研設(shè)備有：Faro激光跟蹤儀，視覺引導(dǎo)激光打標(biāo)機(jī)，Yamaha四軸視覺機(jī)器人，F(xiàn)anuc六軸視覺機(jī)器人，激光/白光三維形貌儀，F(xiàn)LIR紅外熱像儀，藥品塞視覺檢測(cè)機(jī)，視覺引導(dǎo)AGV，雷尼紹激光干涉儀、UR人機(jī)協(xié)作機(jī)器人、Fanuc視覺并聯(lián)機(jī)器人，航拍無人機(jī)等。機(jī)器視覺器件包括：智能相機(jī)、工業(yè)相機(jī)、Gocator激光位移傳感器、工業(yè)鏡頭、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、LED光源，激光器，型號(hào)規(guī)格齊全，方便學(xué)生在靜態(tài)臺(tái)架和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上開展各種課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室機(jī)器視覺仿真用計(jì)算機(jī)安裝有halcon、visionpro、hexsight、opencv等商業(yè)或開源機(jī)器視覺軟件。利用機(jī)器視覺綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)和線陣掃描平臺(tái)，本科生不僅可以做課程指定的六個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，還可以在第二課堂進(jìn)行20項(xiàng)選做項(xiàng)目。我們開設(shè)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)有：圖像獲取與光源實(shí)驗(yàn)、尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)、印刷體缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、車牌識(shí)別實(shí)驗(yàn)等，另外選做的實(shí)驗(yàn)有：相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、瓶蓋定位實(shí)驗(yàn)、條碼和二維碼識(shí)別實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人手眼標(biāo)定實(shí)驗(yàn)等。由于我們構(gòu)建了先進(jìn)而齊備的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室，也為我們校企合作打下了很好的基礎(chǔ)。

四、以校企合作為抓手，培養(yǎng)機(jī)器視覺創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

面向“新工科”的機(jī)器視覺技術(shù)人才，是在機(jī)器視覺領(lǐng)域方面有良好理論基礎(chǔ)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力好的高素質(zhì)復(fù)合型人才。本科第四學(xué)年的企業(yè)項(xiàng)目實(shí)踐至關(guān)重要，是打通從學(xué)生到企業(yè)技術(shù)人才最后一步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而企業(yè)進(jìn)行畢業(yè)生項(xiàng)目訓(xùn)練的代價(jià)很高，讓企業(yè)單方面投入大量人力和財(cái)力，去義務(wù)奉獻(xiàn)，是不現(xiàn)實(shí)的。校企合作，關(guān)鍵是教師科研團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)軍人物，要有海納百川的胸懷和持續(xù)踏實(shí)的合作精神。高校團(tuán)隊(duì)必須用掌握的核心技術(shù)為企業(yè)做事，拿技術(shù)成果與企業(yè)交換。高?？蒲械淖畲髢?yōu)勢(shì)是擁有一大批掌握前沿科學(xué)理論的博士和教授，但并不是所有博士都掌握核心技術(shù)。如果要實(shí)現(xiàn)，必須掌握企業(yè)所不具備的差異化核心技術(shù)，而機(jī)器視覺正是在大多數(shù)企業(yè)里缺乏的智能制造新技術(shù)。以湖北文理學(xué)院VISION團(tuán)隊(duì)為例，在2014—2017年，與襄陽博亞精工裝備股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“博亞公司”），開展了校企深度合作，共有50多名研究生和本科生先后參與到校企合作項(xiàng)目中。VISION團(tuán)隊(duì)與博亞公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，合作承擔(dān)了10多項(xiàng)以機(jī)器視覺技術(shù)為核心的研發(fā)課題，包括：柔性加工單元的視覺定位與檢測(cè)系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航AGV、管道全位置智能焊接機(jī)器人、變速箱智能裝配線、刀具磨損在位測(cè)量系統(tǒng)等。參與其中的教師和學(xué)生的專業(yè)有機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化、機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)軟件等。通過與博亞公司的深度合作，VISION團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)了一大批具有創(chuàng)新和實(shí)踐能力、有良好團(tuán)隊(duì)合作能力和敬業(yè)精神的畢業(yè)生，一部分留在博亞公司，更多的學(xué)生實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量就業(yè)，少部分學(xué)生已經(jīng)成功合伙創(chuàng)業(yè)。本科生參與項(xiàng)目后撰寫發(fā)表科研論文30多篇，專利10多項(xiàng)。博亞公司在與VISION團(tuán)隊(duì)的合作中，提升了自身的產(chǎn)品科研理論水平，多個(gè)合作項(xiàng)目結(jié)出了產(chǎn)品碩果，為企業(yè)創(chuàng)造了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了校企合作的雙贏。

五、結(jié)論

作為契合“新工科”人才培養(yǎng)的機(jī)器視覺技術(shù)課程，在機(jī)械類專業(yè)開設(shè)具有重要意義。需要構(gòu)建科學(xué)教學(xué)體系和校內(nèi)外實(shí)踐基地，牢固學(xué)生理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。建設(shè)好這樣一門新技術(shù)課程，是學(xué)校長(zhǎng)期的投入和科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)的結(jié)果，將來必然會(huì)回報(bào)社會(huì)一批批的優(yōu)秀“新工科”人才。

參考文獻(xiàn)：

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