黃建 李平

摘 要 在工業(yè)4.0背景下，開展機(jī)器視覺及應(yīng)用本科教學(xué)必要性不斷增加。針對前期本課程面臨與傳統(tǒng)機(jī)械專業(yè)課接軌性較差、學(xué)生積極性較差以及教學(xué)內(nèi)容面臨的局限性等問題進(jìn)行了改進(jìn)。主要從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及考核方式三方面進(jìn)行了改革，從而為本課程后續(xù)開展以及教學(xué)質(zhì)量的提高奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 機(jī)器視覺;教學(xué)改革;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)模式

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.33.021

Exploration on the Teaching Reform of "Machine Vision and Application"

for Undergraduates in the Direction of Mechanical Intelligent Manufacturing

HUANG Jian， LI Ping

（School of Mechanical Engineering， Chongqing Technology and Business University， Chongqing 400067）

Abstract Under the background of industry 4.0， the necessity of undergraduate teaching of machine vision and application is increasing. In view of the problems faced by this course in the early stage， such as poor integration with traditional mechanical courses， poor students' enthusiasm and the limitations of teaching content， this paper makes improvements. The reform is mainly carried out from three aspects： teaching content， teaching mode and assessment method， which lays a foundation for the follow-up development of this course and the improvement of teaching quality.

Keywords machine vision; teaching reform; teaching content; teaching mode

引言

自從2015年李克強(qiáng)總理簽批工業(yè)4.0以來，中國制造2025已經(jīng)上升至國家級戰(zhàn)略發(fā)展的高度。而其中一個重要的發(fā)展方向就是智能制造。[1]智能制造技術(shù)通過計算機(jī)，結(jié)合前期學(xué)習(xí)經(jīng)驗，利用特定算法，對過程進(jìn)行分析和判斷，并結(jié)合智能機(jī)器人對操作過程進(jìn)行取代，從而極大提高生產(chǎn)效率。因此，智能制造將使傳統(tǒng)的機(jī)械制造與信息流結(jié)合，邁向智能化機(jī)械制造。[2]而完成智能制造的一項重要工作就是利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對目標(biāo)、環(huán)境進(jìn)行探測，從而保障后續(xù)工作的順利推進(jìn)。同時，由于機(jī)器視覺系統(tǒng)較強(qiáng)的獲取信息能力和適應(yīng)環(huán)境能力，并且容易構(gòu)建自動化和智能化等優(yōu)點，[3]從而成了發(fā)展智能制造的關(guān)鍵部分。

除了企業(yè)界對機(jī)器視覺方向的不斷探索，高等院校也在不斷開拓機(jī)器視覺的教育空間，從而實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的順利銜接，最明顯的一項措施就是部分高校在本科教學(xué)中增設(shè)了“機(jī)器視覺及應(yīng)用”課程。

然而，機(jī)器視覺及應(yīng)用這門課程面臨著以下幾個問題：（1）與先修專業(yè)課程接軌性較差。傳統(tǒng)的機(jī)械類專業(yè)課和機(jī)械設(shè)計，機(jī)械原理，機(jī)電一體化等課程接軌性較高，更多地從力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計或者電路等方面進(jìn)行學(xué)習(xí)。但是，從本門課程主要涉及光學(xué)以及算法知識。由于缺少對光學(xué)類最基本的概念，如物象關(guān)系，視場以及投影變換，因此在學(xué)習(xí)過程中容易一頭霧水，讓部分學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，從而對課程內(nèi)容提不起興趣，積極性下降。（2）課堂氣氛不活躍。由于機(jī)器視覺的核心是通過特定算法實現(xiàn)識別的功能，在講解算法時，涉及大量數(shù)學(xué)知識，將會進(jìn)行數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，很多時候?qū)⒊霈F(xiàn)教師在黑板上推導(dǎo)公式，學(xué)生在下面記筆記的場面，教師無法利用幽默的語言吸引學(xué)生注意力，因此課堂分為比較枯燥，學(xué)生積極性難以調(diào)動。（3）教學(xué)內(nèi)容具有一定局限性。目前本科生“機(jī)器視覺及應(yīng)用”普遍存在內(nèi)容廣泛但是難度較大，比如涉及光學(xué)成像的知識以及大量有關(guān)算法的知識，因此需要學(xué)生自學(xué)大量前期未修的知識;課時較少，目前為32學(xué)時，由于內(nèi)容較多且難度較大，很多學(xué)生學(xué)完之后感覺應(yīng)用能力無法滿足實際工程需求，因此導(dǎo)致信心不足，從而對本領(lǐng)域產(chǎn)生一定的動搖。

在課時有限的情況下，如何提高教學(xué)效率，提升學(xué)生對課程吸收程度同時培養(yǎng)本科生動手實踐能力，這將是本門課程面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，我們將從教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，教學(xué)模式改革，考核方式改革三方面切入，并以學(xué)生就業(yè)興趣為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生在本領(lǐng)域的獨立工作能力。

1 機(jī)械類“機(jī)器視覺及應(yīng)用”本科生教學(xué)改進(jìn)措施

1.1師資隊伍的建設(shè)

影響學(xué)科發(fā)展的因素很多，其中關(guān)聯(lián)最大最直接的就是授課教師的質(zhì)量和穩(wěn)定性。首先，教師的學(xué)術(shù)研究背景將影響本課程的教學(xué)深度和高度。為了提升教師的學(xué)術(shù)本經(jīng)，可以增加本門課程的教師和其他學(xué)校教師的交流，這樣能夠促進(jìn)本課程教師學(xué)術(shù)方面的提升，同時可以指導(dǎo)本門課程前沿的教學(xué)知識教學(xué)。第二，形成年齡、職稱合理分布的教學(xué)團(tuán)隊。第三，多參加全國高等學(xué)校教學(xué)一流課程創(chuàng)新論壇或者會議，這對于提升教學(xué)質(zhì)量，把握課堂將會有顯著的提升。第四，為青年教師的成長提供機(jī)會，促使其在教學(xué)方面不斷提升;以未來前景引導(dǎo)其方向，并適時的鼓勵和贊揚(yáng)，提升其教學(xué)成就感和榮譽(yù)感。第五，教學(xué)經(jīng)驗豐富的老教師要與青年教師多交流溝通，對其在教學(xué)、生活中的困難和困惑要及時幫助解決，并以過來人的身份給其建議，增加青年教師的歸屬感。

1.2教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

考慮到機(jī)械類專業(yè)學(xué)科特點，對“機(jī)器視覺及應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一定的修訂以及發(fā)散。首先，對傳統(tǒng)的成像部分進(jìn)行擴(kuò)展，主要拓寬學(xué)生對物象關(guān)系部分內(nèi)容的知識，如關(guān)于機(jī)器視覺的硬件技術(shù)中鏡頭技術(shù)，攝像機(jī)技術(shù)，光源技術(shù)以及攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)。本部分內(nèi)容主要以講解為主，通過幾何光學(xué)公式推導(dǎo)，從理論上講解各個關(guān)鍵參數(shù)對成像的影響，同時，利用實際物體，讓學(xué)生親身體會改變硬件參數(shù)，我們?nèi)搜塾^測到的成像質(zhì)量，從而進(jìn)一步加深學(xué)生對光學(xué)參數(shù)的理解，這將為后續(xù)系統(tǒng)關(guān)鍵接口參數(shù)的選型奠定基礎(chǔ)。

其次，對機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部分，即圖像處理技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容調(diào)整。針對機(jī)械類學(xué)生，本門課程主要以利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對機(jī)械零部件進(jìn)行形狀尺寸以及缺陷檢測為最終目的，從而調(diào)整圖像處理算法的內(nèi)容。對本部分內(nèi)容從算法來源以及過程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并配以啟發(fā)性教學(xué)。讓學(xué)生充分意識到本門課程與本專業(yè)未來發(fā)展的結(jié)合程度，同時認(rèn)識到本門課程在未來新技術(shù)發(fā)展中的重要性。

第三，對機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用部分內(nèi)容以實際訓(xùn)練為主要方式進(jìn)行教學(xué)。本部分內(nèi)容將前面所學(xué)的所有內(nèi)容結(jié)合起來，完成某項測量工作時，將涉及成像鏡頭的選取，相機(jī)的選取，以及各類算法的設(shè)計，因此將是一個系統(tǒng)以及實用知識能力的訓(xùn)練。

1.3實驗平臺的建設(shè)

實驗平臺是促進(jìn)學(xué)生對基礎(chǔ)理論進(jìn)一步理解的重要平臺，對教學(xué)質(zhì)量的提升也起著至關(guān)重要的作用，因此，必須完善實驗平臺的搭建。主要包含軟件和硬件的建設(shè)，其中硬件主要為視覺系統(tǒng)，包括鏡頭、相機(jī)、電腦以及光源;軟件主要包含圖像處理的平臺，可以為MATLAB，Python，C等語言。最后，學(xué)生在硬件的支撐下，拍攝圖片，并在配置的電腦上編寫代碼，進(jìn)行圖像處理。同時可以將此平臺作為學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計的實驗平臺，其畢業(yè)設(shè)計成果可以儲存在系統(tǒng)中，可以為后續(xù)教學(xué)積累一定的資源。

1.4教學(xué)模式的改革

首先，引入翻轉(zhuǎn)課堂。[4]此種教學(xué)模式將以學(xué)生為中心，教師以輔助引導(dǎo)，完成知識點教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂主要是為了調(diào)動學(xué)生積極性，增加他們在教學(xué)過程中的參與感。根據(jù)前一節(jié)課布置的預(yù)習(xí)作業(yè)，課堂上隨機(jī)抽取一位同學(xué)來進(jìn)行講解，并且將針對同學(xué)的提問進(jìn)行答疑。這樣一方面增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力。但是，對于基礎(chǔ)較差的同學(xué)，此種方法將帶來一定困難，因此，教師在布置預(yù)習(xí)作業(yè)時，將對預(yù)習(xí)難度進(jìn)行把控，對于較難理解的知識點由教師講解。

其次，充分利用多媒體資源，幫助學(xué)生理解較難理解的知識點。特別是針對利用頻率域濾波對圖像進(jìn)行增強(qiáng)以及特征提取部分。利用多媒體，展示不同的頻率對應(yīng)圖像的特征。然后，學(xué)生可以帶上自己電腦進(jìn)課堂，和老師一起編寫頻率濾波的程序，并一起運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題后大家討論改正。并且在程序運(yùn)行的過程中，觀察每一步的結(jié)果，并和理論推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行對比。

第三，利用大作業(yè)，檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并加深對前期基礎(chǔ)知識的理解。最后一部分的尺寸測量是機(jī)器視覺技術(shù)最普遍的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的利用游標(biāo)卡尺或者千分尺進(jìn)行測量精度低、速度慢、有磨損，無法滿足目前大規(guī)模生產(chǎn)。因此，講授最后一部分實例應(yīng)用時，可以以目前自動化制造生產(chǎn)線上檢測的任務(wù)，給學(xué)生布置大作業(yè)。一方面深刻體會到本門課程在實際中的應(yīng)用價值，同時也培養(yǎng)了學(xué)生實際操作的能力。

第四，考核方式的改革。傳統(tǒng)的考核方式是利用試卷筆試的方式進(jìn)行考核，此種考核方式將會對學(xué)生的學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生一定誤導(dǎo)，認(rèn)為本門課程是理論為主導(dǎo)的課程。然而，本門課程是以實際操作為主導(dǎo)。因此，僅以筆試進(jìn)行考核不適用。另一方面，采取合理的考核方式，才能使教學(xué)質(zhì)量有所提升，學(xué)生的積極性與興趣也隨之而來。所以，本門課程的考核成績主要有三部分組成：平時成績、筆試成績以及大作業(yè)實踐成績。平時成績主要根據(jù)平時上課出勤率、隨堂測試以及課堂積極性三方面進(jìn)行打分。對于表現(xiàn)較好的學(xué)生，應(yīng)該予以獎勵和倡導(dǎo)。筆試成績主要是最終試卷考試的成績，對最基本的概念的理解，以及一些基本算法的理解予以考試。大作業(yè)成績主要鼓勵學(xué)生課后動手，解決實際問題，主要培養(yǎng)學(xué)生實際操作和對實際問題的分析思考的能力。

2 機(jī)械類“機(jī)器視覺及應(yīng)用”本科教學(xué)實踐過程分析

對機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)“機(jī)器視覺及應(yīng)用”本科課程進(jìn)行了教改試點。

安排了學(xué)生大作業(yè)題目，學(xué)生根據(jù)自己興趣，上網(wǎng)查詢資料進(jìn)行選題。隨后，完成方案確定，利用實驗平臺對代碼進(jìn)行實驗驗證，撰寫報告。在上課期間，學(xué)生同時主動和老師討論大作業(yè)的解決方案，老師對學(xué)生進(jìn)行答疑解惑，并了解進(jìn)度情況。提交報告后，教師根據(jù)代碼的完整性以及效果，給出成績。通過與學(xué)生課外交流，學(xué)生普遍反映該門課程提升了他們的學(xué)習(xí)興趣，對知識的應(yīng)用能力得到了加強(qiáng)，進(jìn)而對以后的工作學(xué)習(xí)的信心得到提高。

除了實驗課程以及大作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力以外，還應(yīng)該鼓勵學(xué)生參加學(xué)科競賽，如互聯(lián)網(wǎng)+，大學(xué)生電子設(shè)計競賽，挑戰(zhàn)杯競賽等，使學(xué)生能夠感受到本門課程在實際生活中的重要性。第二，可以督促學(xué)生自學(xué)新知識，查閱最新文獻(xiàn)，接觸本領(lǐng)域前沿知識。第三，參加競賽通常需要組隊參加，每位同學(xué)完成項目中一個模塊，因此，需要團(tuán)隊成員之間互相交流溝通，從而可以培養(yǎng)團(tuán)隊合作能力和與人溝通、交流的能力。

3 機(jī)器視覺及應(yīng)用課堂存在的問題及反思

從實際教學(xué)效果來看，雖然較以前教學(xué)效果得到了一定提升，但是還是存在一定的問題。第一，部分學(xué)生難以達(dá)到老師期望的教學(xué)效果，上課主動性較差。通過交流，發(fā)現(xiàn)其原因一方面是學(xué)生內(nèi)驅(qū)力不夠，對機(jī)器視覺的內(nèi)容需求不大，故學(xué)習(xí)的主動性降低。另一方面受限于前期專業(yè)課基礎(chǔ)不夠扎實，理解不夠深刻，對于機(jī)器視覺這門綜合性較強(qiáng)的課程，綜合應(yīng)用知識的能力有所欠缺。第二，適合本科生的教材較少，學(xué)生參考的書籍不夠，使學(xué)生對知識點的理解不夠深入。第三，部分學(xué)生大作業(yè)完成質(zhì)量較低，其原因主要是由于積極性不夠以及前期專業(yè)知識掌握不扎實的綜合效應(yīng)導(dǎo)致。

針對以上學(xué)生反映出來的問題，擬采取以下措施進(jìn)行改進(jìn)：首先，評估未達(dá)到要求教學(xué)質(zhì)量的學(xué)生人數(shù)占比，如果占比小于20%，則主要原因在學(xué)生身上，需要通過對學(xué)生進(jìn)行疏導(dǎo)，溝通和交流，同時對學(xué)生欠缺的知識進(jìn)行提升。如果占比大于20%，則老師的教學(xué)模式存在一定的不合理，需要改進(jìn)教學(xué)模式或者教學(xué)內(nèi)容。[5]第二，改進(jìn)教材，將選用更加適合于機(jī)械專業(yè)的機(jī)器視覺教材，這樣一方面讓學(xué)生對本門課程的陌生感減小，同時覺得本門課程和本專業(yè)結(jié)合更緊密，實用性更強(qiáng)，進(jìn)一步的，可以針對本專業(yè)，撰寫適合學(xué)生的教材。第三，對大作業(yè)實行分組完成的方式，可以促進(jìn)學(xué)生互相取長補(bǔ)短，各自發(fā)揮自己擅長的領(lǐng)域，培養(yǎng)團(tuán)隊合作的能力。

4 結(jié)語

針對早期機(jī)器視覺及應(yīng)用課程經(jīng)驗不足，同時在目前工業(yè)4.0大環(huán)境背景下，對原有的課程體系以及教育模式進(jìn)行了改進(jìn)。具體包括了對教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)，使教學(xué)內(nèi)容更貼近機(jī)械類專業(yè)，與計算機(jī)專業(yè)進(jìn)行了區(qū)分。其次，對教學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)，使學(xué)生進(jìn)一步增加了參與感。最后，對考核方式進(jìn)行了改革，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生實際應(yīng)用知識的能力。本文對機(jī)器視覺及應(yīng)用課程中存在的一些問題進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施，這將為后續(xù)本門課程的開展奠定一定的基礎(chǔ)。

基金項目：重慶市教委重大教改項目，以學(xué)科競賽為載體的地方高校學(xué)生國際交流途徑探索與模式研究（項目編號：171017）重慶工商大學(xué)校級重點教改項目，以創(chuàng)新能力提升為導(dǎo)向的機(jī)械基礎(chǔ)類課程教學(xué)范式改革與實踐（項目編號：2018107）

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