張凱兵 張緩緩 李珣 盧健

摘 要 在新工科背景下，突出視覺檢測方向在測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)中教學(xué)地位，是高等學(xué)校應(yīng)對新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，升級改造傳統(tǒng)專業(yè)課程體系的建設(shè)舉措。筆者以本校測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)方案的修訂為依據(jù)，詳細介紹了測控技術(shù)與儀器專業(yè)視覺檢測方向課程體系的構(gòu)成，分析了各課程設(shè)置的必要性，為高校推進新工科建設(shè)，培養(yǎng)適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的卓越工程人才提供參考。

關(guān)鍵詞 新工科 測控技術(shù)與儀器專業(yè) 視覺檢測 課程體系

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.009

Abstract Under the background of new engineering， in order to gear with the new technological revolution and the development of new industries， it is a constructive measure for universities to upgrade and improve the curriculums of the traditional majors by enhancing the teaching position of vision detection in the major of measuring and controlling technology and instrument. In this paper， the authors detail the curriculum construction of vision detection for the major of measuring and controlling technology and instrument， and make an analysis of the necessary of the setting of each course， which provides a reference for universities to advance the new engineering construction and cultivate the excellent engineers so as to meet with the requirements of regional economy development and the transformation and upgrading of traditional industries.

Keywords new engineering； major of measuring and controlling technology and instrument； vision detection； curriculum

0 引言

為積極應(yīng)對新一輪的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，自2017 年2月開始，教育部積極推進新工科建設(shè)，先后形成了 “復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”的建設(shè)新工科“三部曲”，為全力探索和開拓工程教育改革新路徑指明了建設(shè)方向。新工科專業(yè)涵蓋了人工智能、智能制造、機器人、云計算等支持新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專業(yè)，同時也包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造。[1]

測控技術(shù)與儀器專業(yè)作為匯集和滲透光學(xué)、精密機械、電子、電力、自動控制、信號處理、計算機與信息技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科，其人才培養(yǎng)質(zhì)量在技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革中具有舉足輕重的作用。在新工科背景下，測控技術(shù)與儀器專業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常密切，其人才培養(yǎng)面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。機器視覺檢測是計算機視覺領(lǐng)域表現(xiàn)十分活躍的一個分支，其核心是以精密可控的測量方法從視覺信息中提取精確、定量、可溯源的量值信息，為工程應(yīng)用尤其是工業(yè)制造提供高效的自動化測量手段。[2]視覺檢測融合了光學(xué)、機電工程、計算機科學(xué)、緊密測量等多學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，具有鮮明的新工科特征。 因此，為助力新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需求，突出視覺檢測方向在測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的地位，以形成面向人工智能、智能制造、機器人、云計算等多元化人才需求，對測控技術(shù)與儀器專業(yè)進行升級改造勢在必行。

為適應(yīng)新工科建設(shè)對視覺檢測人才培養(yǎng)的要求，不僅要求學(xué)生具有儀器設(shè)計制造、測量與控制等領(lǐng)域扎實的基礎(chǔ)理論知識，而且還要掌握扎實的計算機軟硬件知識和視覺測量和檢測的理論方法，培養(yǎng)學(xué)生具備利用計算機視覺技術(shù)解決實際生產(chǎn)中的測量與檢測任務(wù)的能力。筆者認(rèn)為，對應(yīng)上述專業(yè)學(xué)習(xí)的要求，測控技術(shù)與儀器專業(yè)視覺檢測方向的課程體系可設(shè)置成四個層次。

1 計算機基礎(chǔ)類課程

計算機基礎(chǔ)課程主要包括計算機應(yīng)用基礎(chǔ)、C語言程序設(shè)計語言等。

“計算機應(yīng)用基礎(chǔ)”系統(tǒng)全面介紹計算機技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包括計算機組成與工作原理、Windows操作系統(tǒng)、OFFICE操作與應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)及Internet應(yīng)用、VFP數(shù)據(jù)庫表操作、信息安全等方面的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生從總體上對計算機應(yīng)用技術(shù)進行了解。在新工科建設(shè)要求下，本課程應(yīng)該增加前沿知識的講解，可以采用專題講座的形式，由從事不同領(lǐng)域研究的教師分別承擔(dān)，包括計算機視覺、模式識別、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)+等涉及計算機新技術(shù)相關(guān)知識，以開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的興趣。[3]

“C語言程序設(shè)計”是電子信息類專業(yè)的編程入門語言， 它不僅是學(xué)習(xí)其他編程語言，如C++、Java、C#、Python等的基礎(chǔ)，也是學(xué)習(xí)許多機器學(xué)習(xí)算法的實現(xiàn)、機器學(xué)習(xí)算法框架以及編程接口的基礎(chǔ)。[4]在各類學(xué)科競賽中，如智能小車競賽、大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，C 語言是控制系統(tǒng)軟件開發(fā)的首選。而且，在“單片機與接口技術(shù)”課程教學(xué)中，筆者所在的教學(xué)院系已經(jīng)將傳統(tǒng)的匯編語言教學(xué)變成以嵌入式C語言的編程的教學(xué)。因此，熟練掌握C 語言編程，也是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的其他硬件相關(guān)課程的基礎(chǔ)。

2 計算機硬件類課程

計算機硬件類課程主要包括單片機與接口技術(shù)和ARM嵌入式系統(tǒng)原理。

“單片機與接口技術(shù)”是電子類專業(yè)的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握8051單片機系統(tǒng)基本組成、工作原理、指令系統(tǒng)以及程序設(shè)計的基本方法，更深入地理解計算機軟、硬件系統(tǒng)的基本組成和基本原理，掌握計算機應(yīng)用系統(tǒng)的前向通道、后向通道、人機通道、相互通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路配置、接口技術(shù)及數(shù)據(jù)輸入輸出的基本方式。同時，了解常用的并行、串行接口芯片和計算機的連接方法及使用方法。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生利用單片機進行自動化系統(tǒng)及電子系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計能力，為將來在工作中設(shè)計單片機控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

“ARM嵌入式系統(tǒng)原理”結(jié)合了計算機軟硬件、通信和微電子技術(shù)，是一門涉及嵌入式計算機軟硬件綜合性應(yīng)用的計算機系統(tǒng)課程。通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計方法，掌握ARM微處理器的體系結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)、ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器的總體結(jié)構(gòu)、存儲器組織、系統(tǒng)控制模塊和I/O外圍控制模塊，掌握嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、分析及設(shè)計的方法，獲得嵌入式系統(tǒng)的有關(guān)軟硬件知識以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的初步能力，為進一步的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3 視覺檢測相關(guān)課程

視覺檢測相關(guān)的課程主要包括圖像認(rèn)知計算、工業(yè)機器視覺基礎(chǔ)和視覺測量軟件設(shè)計等。

“圖像認(rèn)知計算”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)適應(yīng)新工科背景下信息科學(xué)和新興傳感器發(fā)展，進一步改造傳統(tǒng)專業(yè)課程體現(xiàn)。該課程系統(tǒng)地介紹了圖像認(rèn)知分析和計算的基礎(chǔ)理論，內(nèi)容包括圖像的表示、圖像采樣、圖像增強、圖像恢復(fù)、圖像分割、二值圖像處理、彩色圖像處理。通過學(xué)習(xí)本課程，培養(yǎng)學(xué)生掌握圖像認(rèn)知分析和計算的基礎(chǔ)理論與方法，具備在測控視覺系統(tǒng)中選擇正確的預(yù)處理技術(shù)改善圖像質(zhì)量、有效地認(rèn)知圖像內(nèi)容、科學(xué)客觀地評價處理結(jié)果，并根據(jù)不同的認(rèn)知計算要求合理設(shè)計測試實驗方法的能力。除了基本的數(shù)字圖像處理技術(shù)的講授，在該課程中，可以適當(dāng)增加基本的模式識別方面的知識，包括特征提取、聚類和分類器設(shè)計等方面的基礎(chǔ)知識，讓學(xué)生了解設(shè)計和實現(xiàn)一個基本的圖像識別與分類系統(tǒng)的基本過程和方法。

“視覺自動檢測技術(shù)”是“圖像認(rèn)知計算”的后續(xù)課程。該課程設(shè)計測控技術(shù)與儀器專業(yè)領(lǐng)域中有關(guān)認(rèn)知的多個分支，包括人工智能、信號處理、模式識別等。本課程通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能掌握機器視覺的基本概念、理論和專業(yè)知識，能利用機器視覺技術(shù)進行光源、鏡頭、圖像采集和標(biāo)定設(shè)備搭建適用于半導(dǎo)體與集成電路行業(yè)、精密制造行業(yè)、包裝印刷行業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品深加工行業(yè)等的視覺檢測系統(tǒng)，并能利用合理的圖像分析算法對要檢測產(chǎn)品的外觀質(zhì)量進行準(zhǔn)確和在線的分類、定位、分割和檢測。通過案例教學(xué)，讓學(xué)生能夠利用機器視覺技術(shù)對工業(yè)自動化檢測和生產(chǎn)技術(shù)的改造提出較合理的視覺檢測解決方案，培養(yǎng)學(xué)生獨立地設(shè)計和運用機器視覺系統(tǒng)的能力，為今后智能制造產(chǎn)業(yè)升級奠定基礎(chǔ)。

“視覺測量軟件設(shè)計”是在學(xué)習(xí)高級語言程序設(shè)計、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、智能儀器設(shè)計、圖像認(rèn)知計算、機器人視覺測量與控制等課程的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生通過機器視覺技術(shù)改變傳統(tǒng)的計量和檢測方式，解決實際生產(chǎn)中的測量與檢測任務(wù)，以滿足現(xiàn)代制造業(yè)的高速、精密、復(fù)雜的應(yīng)用需求。該課程要求學(xué)生掌握視覺檢測系統(tǒng)的構(gòu)成、視覺成像技術(shù)和視覺檢測的核心算法。同時，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon、計算機視覺庫OpenCV和C#編程軟件設(shè)計和實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的方法，基本具備利用機器視覺技術(shù)和主流編程軟件解決實際工程應(yīng)用中視覺檢測與測量問題的設(shè)計能力。教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)，以具體案例，將理論知識與工程實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生實際工程問題的分析能力。在課堂教學(xué)中采用多媒體教學(xué)，為學(xué)生展示機器視覺應(yīng)用軟件的使用方法和理論算法的具體實現(xiàn)過程，以提高學(xué)生的軟件設(shè)計能力。此外，在課程教學(xué)中，可以是適當(dāng)引入Python 語言的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生選擇性地掌握不同的編程語言，以應(yīng)對新工科對機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等領(lǐng)域的行業(yè)需求，提高學(xué)生的可持續(xù)學(xué)習(xí)能力。[5]

4 集中實踐類教學(xué)課程

此類課程主要包括視覺測量軟件設(shè)計課程設(shè)計、工業(yè)機器視覺基礎(chǔ)和ARM 嵌入式系統(tǒng)原理課程設(shè)計等。

“視覺測量軟件設(shè)計課程設(shè)計”實踐教學(xué)是對“視覺測量軟件設(shè)計”課程理論教學(xué)的進一步補充。通過該課程，進一步鞏固計算機視覺測量和檢測技術(shù)的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生運用計算機視覺測量和檢測的理論方法解決實際生產(chǎn)中的測量與檢測任務(wù)的能力，以滿足現(xiàn)代智能制造業(yè)的高速、精密、復(fù)雜的應(yīng)用需求。本課程以項目驅(qū)動的模式，通過講練結(jié)合，要求學(xué)生掌握視覺檢測系統(tǒng)及其實驗環(huán)境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon、計算機視覺庫OpenCV和C#編程軟件設(shè)計和實現(xiàn)視覺檢測系統(tǒng)的方法。通過實際工程中具體的視覺測量和檢測案例的學(xué)習(xí)與實踐，使學(xué)生初步具備解決實際工程中視覺檢測軟件的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。為保證教學(xué)效果，“工業(yè)機器視覺測量與控制”綜合實踐安排了56個學(xué)時，并安排專門“視覺自動檢測技術(shù)”、“機器人視覺測量與控制”課程的兩名專任教師擔(dān)當(dāng)實踐教學(xué)的指導(dǎo)教師，有利于根據(jù)學(xué)生的實踐能力開展個性化的教學(xué)。在綜合實踐訓(xùn)練階段，采用課題組形式，以3～4個學(xué)生為一組，每組推薦組長1名，負責(zé)組織和協(xié)調(diào)組內(nèi)成員在課題設(shè)計過程中遇到的問題。在整個實踐教學(xué)中，每個學(xué)生要按要求如實記載實踐教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容、進展情況、遇到的問題和解決途徑，由指導(dǎo)教師和其他課題組長交叉檢查學(xué)生實踐過程的記載情況，并作為成績（下轉(zhuǎn)第63頁）（上接第18頁）評定的依據(jù)。在考核中，全面客觀地評價學(xué)生在綜合實踐過程中的表現(xiàn)，考核時遵循“四個結(jié)合”原則，即：課內(nèi)和課外實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合、個人能力和團隊協(xié)作能力相結(jié)合、課程設(shè)計報告和答辯成績相結(jié)合、自評和互評成績相結(jié)合，從學(xué)生對必知必會知識的掌握情況、理論知識運用于實踐的能力、工程設(shè)計與實現(xiàn)能力和團隊溝通與協(xié)作能力等多個方面進行全面考核。

“ARM 嵌入式系統(tǒng)原理課程設(shè)計”是配合其理論課程“ARM 嵌入式系統(tǒng)原理”而設(shè)立的設(shè)計性實踐課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和主要專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)和掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基本知識和方法；掌握其系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計的基本方法；獲得嵌入式系統(tǒng)的有關(guān)軟硬件知識以及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的初步能力，為進一步的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。教學(xué)內(nèi)容包括ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建，在ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建實訓(xùn)中，通過講練結(jié)合形式，讓學(xué)生熟悉掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中軟件安裝配置、建立交叉編譯環(huán)境、下載相應(yīng)固件庫、配置環(huán)境參數(shù)、熟悉開發(fā)板硬件資源、文件系統(tǒng)的制作、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板的燒寫、編程練習(xí)。在綜合實踐階段，由指導(dǎo)教師全面組織，學(xué)生可以在所給選定題目選擇，也可根據(jù)當(dāng)前實際情況經(jīng)指導(dǎo)老師審題具有難度不低于所給題目及一定創(chuàng)新性的自命題題目，學(xué)生在指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)下獨立完成設(shè)計題目要求，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，原理圖設(shè)計，系統(tǒng)搭建、調(diào)試環(huán)節(jié)，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查，最后獨立撰寫課程設(shè)計報告。選題包括呼吸燈設(shè)計、電子時鐘的設(shè)計、圖像采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計、移植操作系統(tǒng)Linux或%ec/os_Ⅱ及多任務(wù)開發(fā)實踐課題。

5 結(jié)束語

在新工科建設(shè)背景下，測控技術(shù)與儀器專業(yè)的人才培養(yǎng)面臨著新的機遇和更大的挑戰(zhàn)。應(yīng)對新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高等學(xué)校要肩負起新工科建設(shè)的社會責(zé)任，積極對傳統(tǒng)專業(yè)進行改造升級，探索適應(yīng)新工科建設(shè)要求的課程體系和人才培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，適應(yīng)新經(jīng)濟發(fā)展需要的新工科人才。[6]

參考文獻

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