占 宏 喬連芝 趙俊紅

華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院 廣東廣州 510641

2015年10月，黨中央、國務(wù)院提出建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的重大戰(zhàn)略決策，2017年9月，華南理工大學(xué)入選國家“雙一流”建設(shè)A類高校。在《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》(國發(fā)〔2015〕64號)中提出建設(shè)的任務(wù)要“突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責(zé)任心，富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”。自動化專業(yè)是一門主要面向工程應(yīng)用的專業(yè)，更加強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，以培養(yǎng)一大批拔尖創(chuàng)新人才[1-4]。在推動“雙一流”的建設(shè)中，華南理工大學(xué)自動化學(xué)院加大學(xué)科建設(shè)力度，不斷完善課程建設(shè)，構(gòu)建了以實(shí)踐為導(dǎo)向的自動化特色課程體系，其中增設(shè)了10門創(chuàng)新實(shí)踐課程。本文以機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程為例，闡述了在本課程中所進(jìn)行的教學(xué)改革，在實(shí)踐教學(xué)過程中取得了很好的效果，對于創(chuàng)新實(shí)踐類課程的教學(xué)具有一定的借鑒意義。

1 創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)中存在的問題

1.1 教師對培養(yǎng)目標(biāo)不明確

創(chuàng)新實(shí)踐類課程是一類新型的課程，不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程，它更注重培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神[5]。一些教師對此類課程認(rèn)識不足，對開設(shè)課程目的不明確，不明白基于什么教學(xué)方向來設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，無法達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。

1.2 課程教學(xué)體系不完善

創(chuàng)新實(shí)踐課程內(nèi)容的設(shè)置可以根據(jù)自身的學(xué)科背景、基于社會熱點(diǎn)需求問題來選擇合適的課程內(nèi)容[6]。有些創(chuàng)新實(shí)踐課程內(nèi)容過于簡單，無法達(dá)到人才培養(yǎng)的目的，有些課程內(nèi)容過于深奧，使學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的挫敗感，無法激起學(xué)生的研究欲望。有些創(chuàng)新實(shí)踐課程中，學(xué)生并不具備課程所需要的基礎(chǔ)知識，就進(jìn)行相關(guān)研究，學(xué)習(xí)效果較差。因此，創(chuàng)新實(shí)踐課程的內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)等需要進(jìn)一步完善。

1.3 教學(xué)模式單一

大部分的創(chuàng)新實(shí)踐課程都采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生自己在相應(yīng)時間內(nèi)完成各自的研究課題。由于教師在觀念上重視不足，對學(xué)生的引導(dǎo)不夠，學(xué)生僅靠自己的摸索來完成任務(wù)，實(shí)際教學(xué)效果并不理想。

2 科學(xué)建立“分層次、模塊化、開放式”的課程教學(xué)體系

機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程是我校自動化學(xué)院于2009年開設(shè)的一門獨(dú)立設(shè)課的研究性的實(shí)驗(yàn)選修課程，主要面向大四年級自動化、電子信息工程、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生。機(jī)器視覺技術(shù)是近年來快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的一門學(xué)科前沿技術(shù)，它涉及傳感器、圖像處理、模式識別等多門交叉學(xué)科，綜合實(shí)踐性較強(qiáng)[7]。根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)、立足學(xué)生認(rèn)知規(guī)律并結(jié)合本課程的特點(diǎn)，通過對機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程開展課程改革，確立了“重理論基礎(chǔ)、重能力培養(yǎng)、重實(shí)踐創(chuàng)新”的課程教學(xué)指導(dǎo)思想，分理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實(shí)踐三個模塊來組織開展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建“分層次，模塊化，開放式”的創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，如圖1所示。

圖1 機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)體系

3 積極推行基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)模式探索與實(shí)踐

機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程需要有機(jī)器視覺和圖像處理的理論知識，通常在研究生階段開設(shè)的數(shù)字圖像處理課程中才涉及相關(guān)的內(nèi)容，而且內(nèi)容眾多[7]。而本門創(chuàng)新實(shí)踐課程僅32學(xué)時，如何在較短時間內(nèi)完成相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)并完成最后的研究性課題，這是近幾年教學(xué)中一直在探索的問題[7]。經(jīng)過近十年多種教學(xué)模式的比較，我校提出了基于翻轉(zhuǎn)課堂，同時以項(xiàng)目式教學(xué)法、研究性教學(xué)法為輔的混合教學(xué)模式，如圖2所示[8]。

對于理論教學(xué)這一模塊，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式進(jìn)行教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而形成的一種新型的教學(xué)組織模式[9]?；诜D(zhuǎn)課堂的理論教學(xué)過程如圖3所示，在翻轉(zhuǎn)課堂上教師預(yù)先將本門課程所需要學(xué)習(xí)的理論知識內(nèi)容進(jìn)行整合并以PowerPoint、小視頻、小測驗(yàn)等形式發(fā)放到網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可以通過手機(jī)、電腦等移動設(shè)備利用碎片化時間進(jìn)行自學(xué)[9,10]。學(xué)生通過自學(xué)，基本可以掌握主要包括數(shù)字圖像處理和視覺檢測兩大部分的知識。前者包括圖像處理基礎(chǔ)、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原與重建、彩色圖像處理、圖像壓縮、圖像分割六部分內(nèi)容，后者包括視覺檢測概述、光源及照明方式、檢測鏡頭三部分內(nèi)容。在課堂中教師可以根據(jù)測驗(yàn)反饋，針對重難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行講授，并與學(xué)生進(jìn)行答疑等互動交流。采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式進(jìn)行理論教學(xué)，不僅可以提高學(xué)習(xí)效率，也培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

圖2 機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程的混合教學(xué)模式

圖3 基于翻轉(zhuǎn)課堂的理論教學(xué)過程

對于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)這一模塊的教學(xué)，本創(chuàng)新實(shí)踐課程安排了三名教師共同進(jìn)行指導(dǎo)，其中兩名理論課教師，一名實(shí)驗(yàn)師，師資配備合理。我院于2009年建立了機(jī)器視覺與智能檢測創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室配備了西安智敏公司ZM-VS1200機(jī)器視覺教學(xué)創(chuàng)新試驗(yàn)平臺8臺/套。該實(shí)驗(yàn)室采用開放式管理，學(xué)生可登錄實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)頁進(jìn)行預(yù)約，在預(yù)約時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。開放式的管理不僅可以滿足一人一臺設(shè)備的需求，而且提高了設(shè)備的利用率。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)分五大類型以小項(xiàng)目形式來開展[7,11,12]，見表1。學(xué)生可以在五種類型中選擇一個感興趣的小項(xiàng)目來完成。理論課教師會在實(shí)驗(yàn)前將每個小項(xiàng)目的具體任務(wù)發(fā)放給學(xué)生，學(xué)生自己根據(jù)要求進(jìn)行分析并設(shè)計詳細(xì)的方案，在此過程中教師指導(dǎo)學(xué)生檢索和查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，并參與學(xué)生的討論，教師主要引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)。接著教師對學(xué)生的設(shè)計方案進(jìn)行審核，通過之后，學(xué)生可在機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)平臺完成方案調(diào)試并在線上提交實(shí)驗(yàn)報告，此過程中主要由實(shí)驗(yàn)師進(jìn)行指導(dǎo)，最后由教師對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收，具體過程如圖4所示。通過項(xiàng)目式教學(xué)法，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且更好地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。

表1 實(shí)驗(yàn)類型及項(xiàng)目名稱表

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的項(xiàng)目式教學(xué)過程

創(chuàng)新實(shí)踐這一模塊更注重學(xué)生動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，這一環(huán)節(jié)主要依托科研項(xiàng)目，利用科研項(xiàng)目反哺教學(xué)，促進(jìn)拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[13,14]。此模塊的實(shí)現(xiàn)形式主要有三種，一種是由任課教師將自己的科研項(xiàng)目拆分成多個小課題，學(xué)生分組來開展探索性實(shí)驗(yàn)并完成最終的研究報告，此類實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生失敗，重在探索的過程[15]。目前已開展過的探索性實(shí)驗(yàn)有人體靜脈圖像的特征提取及匹配方法實(shí)驗(yàn)研究、空中機(jī)器人的圖像匹配探索性實(shí)驗(yàn)等。另一種方式是學(xué)生可以自己申請內(nèi)容相關(guān)的百步梯項(xiàng)目、國創(chuàng)省創(chuàng)項(xiàng)目開展相關(guān)研究。還有一種方式是學(xué)生通過參與“學(xué)生研究計劃項(xiàng)目”(SRP)、大學(xué)生校級、省級和全國性競賽來進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。為進(jìn)一步推動“雙一流”建設(shè)，學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)了國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練基地、智能車競賽基地，同時學(xué)院利用校企合作，聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室和實(shí)習(xí)基地等多途徑為學(xué)生提供實(shí)踐平臺。

4 進(jìn)一步完善創(chuàng)新實(shí)踐課程的考核體系

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程的考核主要是由平時成績和實(shí)驗(yàn)報告的成績兩部分組成，但是創(chuàng)新實(shí)踐課程不同于一般的實(shí)驗(yàn)課程，其重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。因此，此類課程應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的考核[7,8]?？己瞬扇∑綍r成績(40%)+創(chuàng)新實(shí)踐論文(40%)+口頭答辯(20%)三部分來給出最終成績。在學(xué)生完成創(chuàng)新實(shí)踐論文后進(jìn)行分組答辯，答辯過程中重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生是如何分析問題、解決問題以及創(chuàng)新點(diǎn)在哪里，這種方式能夠更好地對學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行考核。

5 教學(xué)改革效果

2015—2018年，機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革。此期間本課程共開設(shè)了三期，選修的學(xué)生人數(shù)分別為78，129，210人，呈逐年遞增趨勢，可見本課程在學(xué)生中的影響力及吸引力越來越大。同時，由學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)中的教學(xué)質(zhì)量評價結(jié)果看出，2015—2018年三年期間，學(xué)生對本課程教學(xué)評價的滿意度逐年提高，具體見表2。三年期間，學(xué)生對任課教師的評教分別為4.534，4.656，4.817分。由此可見，機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)改革得到了學(xué)生的認(rèn)可。

此外，三年期間學(xué)生通過多種創(chuàng)新實(shí)踐平臺，共申報了相關(guān)課題3項(xiàng)，其中1項(xiàng)獲國創(chuàng)項(xiàng)目結(jié)題優(yōu)秀獎，參與學(xué)生研究計劃10項(xiàng)，百步梯攀登計劃1項(xiàng)，取得了一定的成效，有效促進(jìn)了拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

表2 學(xué)生對任課教師及課程教學(xué)評價結(jié)果

6 結(jié)語

在“雙一流”建設(shè)中，根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)、立足學(xué)生認(rèn)知規(guī)律并結(jié)合創(chuàng)新實(shí)踐課程的特點(diǎn)，構(gòu)建了“分層次，模塊化，開放式”的機(jī)器視覺創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，分理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新實(shí)踐三個模塊來組織開展教學(xué)，提出了翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合，以項(xiàng)目式教學(xué)法、研究性教學(xué)法等為輔的多元化的教學(xué)模式，采取平時成績(40%)+創(chuàng)新實(shí)踐論文(40%)+口頭答辯(20%)三部分相結(jié)合的考核方式。由學(xué)生的評價看出本課程所開展的教學(xué)改革得到了學(xué)生的高度認(rèn)可，對于創(chuàng)新實(shí)踐類課程的教學(xué)具有一定的借鑒性。