江祥奎，丁 銳，熊 偉

（西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西西安 710121）

1 聚焦“問(wèn)題導(dǎo)向”，強(qiáng)化學(xué)情分析

機(jī)器視覺(jué)是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的專業(yè)課，授課對(duì)象為智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)三年級(jí)學(xué)生。在知識(shí)結(jié)構(gòu)上，學(xué)生已學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模與仿真、模式識(shí)別等課程，具備了一定的理論分析和編程實(shí)踐能力，但是對(duì)于復(fù)雜的工程實(shí)踐問(wèn)題，學(xué)生仍無(wú)法很好地理解相關(guān)原理。為此，機(jī)器視覺(jué)課程能很好地從工程需求背景出發(fā)，讓學(xué)生了解前沿科學(xué)技術(shù)及其工作原理。機(jī)器視覺(jué)是智能學(xué)科的重要研究方向，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的核心技術(shù)之一，對(duì)于我國(guó)建設(shè)智造強(qiáng)國(guó)至關(guān)重要［1-3］。

機(jī)器視覺(jué)課程具有學(xué)科交叉、知識(shí)點(diǎn)多、數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、不利于學(xué)生系統(tǒng)化掌握等特點(diǎn)，給教學(xué)工作帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)［4］。因此，需要堅(jiān)持以學(xué)生發(fā)展為中心，通過(guò)學(xué)情分析，深度挖掘痛點(diǎn)。根據(jù)學(xué)習(xí)認(rèn)知模型，總結(jié)的痛點(diǎn)問(wèn)題如下：

（1）課程涉及的知識(shí)繁雜，構(gòu)建體系困難。機(jī)器視覺(jué)課程中的基礎(chǔ)理論、基本方法和圖像處理算法，不僅涉及到高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、矩陣論、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)知識(shí)，而且涉及到數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等相關(guān)課程。該課程內(nèi)容推導(dǎo)量、運(yùn)算量大，涉及到的概念通?；逎?、枯燥難懂，無(wú)法吸引學(xué)生注意力。同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容涉及面廣，存在過(guò)多的教學(xué)案例，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用案例，致使學(xué)生無(wú)法形成完整的知識(shí)體系。

（2）實(shí)踐訓(xùn)練不足，難以學(xué)有所用。在傳統(tǒng)教學(xué)體系下，大量課程時(shí)間用于理論教學(xué)，實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)間較少，僅設(shè)置了8 學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)重點(diǎn)教學(xué)環(huán)節(jié)中實(shí)際案例的分析與實(shí)現(xiàn)，僅一次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以很好地培養(yǎng)學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。因此，單純的實(shí)驗(yàn)課程并不足以讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)有所用。

（3）課堂評(píng)價(jià)流于形式，未能激發(fā)學(xué)生持續(xù)改進(jìn)。在課堂教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展了多種形式的評(píng)價(jià)，如課前線上測(cè)試、線上學(xué)習(xí)、課堂討論、課堂測(cè)試、課程作業(yè)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、期末考試等，但是多種評(píng)價(jià)形式對(duì)于教學(xué)改進(jìn)的效果仍有待提升，評(píng)價(jià)結(jié)果尚未很好地促進(jìn)學(xué)生發(fā)展，教學(xué)評(píng)價(jià)的診斷與改進(jìn)作用未能充分發(fā)揮。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)，打造深層教學(xué)模式

為解決教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，本課程秉承“以學(xué)生發(fā)展為中心，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教學(xué)理念，以所羅門學(xué)習(xí)風(fēng)格理論為指導(dǎo)，通過(guò)5 輪教學(xué)改革實(shí)踐的迭代，總結(jié)出“以學(xué)生發(fā)展為中心，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向”的深層教學(xué)模式［5-7］，如圖1所示。

Fig.1 Deep teaching model centered on student development and oriented by ability output圖1 “以學(xué)生發(fā)展為中心，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向”的深層教學(xué)模式

針對(duì)以往該課程教學(xué)中存在的“涉及知識(shí)繁雜，構(gòu)建體系困難”的痛點(diǎn)問(wèn)題，采用“兩結(jié)合，一貫通”的教學(xué)策略，其中“兩結(jié)合”采用“趣味案例教學(xué)法”與“情緒喚醒法”相結(jié)合的教學(xué)策略。“一貫通”是指將一個(gè)案例貫穿始終，甚至多個(gè)章節(jié)，由一個(gè)案例為導(dǎo)引，連通學(xué)生的知識(shí)體系，使學(xué)生可由一個(gè)案例串聯(lián)出眾多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。針對(duì)每個(gè)章節(jié)的重難點(diǎn)設(shè)計(jì)案例教學(xué)，將機(jī)器視覺(jué)抽象枯燥的原理、公式通過(guò)典型案例一步一步進(jìn)行講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，課程將繁瑣枯燥的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合具體實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行講授，構(gòu)造有“現(xiàn)實(shí)性”的課程案例，激發(fā)學(xué)生多層次的心理響應(yīng)，使其高階認(rèn)知與低階認(rèn)知良性互動(dòng)，提升其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

在課前預(yù)習(xí)的設(shè)計(jì)中，不拘泥于課本，積極吸收各類學(xué)術(shù)成果、國(guó)際前沿科技發(fā)展理論，引入恰當(dāng)?shù)膮⒖假Y料，結(jié)合具體現(xiàn)實(shí)需求，緊扣知識(shí)點(diǎn)形成優(yōu)質(zhì)的“機(jī)器視覺(jué)劇本”，并增添趣味案例，如“人形描邊”“幸福識(shí)別”“混聲分離”等。與此同時(shí)，在“趣味”教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生的思維方式，形成積極的人生價(jià)值觀。

改變傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式，采用線上線下相結(jié)合的模式，即教師與學(xué)生角色互換，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。在線上，學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)節(jié)奏、風(fēng)格及知識(shí)呈現(xiàn)方式，授課教師采用講授法和協(xié)作法以滿足學(xué)生需要，促進(jìn)其個(gè)性化的學(xué)習(xí)。通過(guò)教師的案例演示、個(gè)別指導(dǎo)，讓學(xué)生進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練以提升其學(xué)習(xí)能力［8-11］。在線下，增加機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用體驗(yàn)課時(shí)，面對(duì)面進(jìn)行實(shí)體案例演示，讓學(xué)生切實(shí)感受身邊的實(shí)踐應(yīng)用，而非只是圖片、視頻中不可觸摸的案例。教學(xué)體系創(chuàng)新框架如圖2所示。

根據(jù)目前教學(xué)班的學(xué)習(xí)風(fēng)格制定教學(xué)策略。所羅門學(xué)習(xí)理論從信息加工、感知、輸入、理解4 個(gè)方面將學(xué)習(xí)風(fēng)格分為4 個(gè)組與8 種維度。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式收集學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格，以“智能1904”班級(jí)學(xué)生為調(diào)查對(duì)象，利用所羅門學(xué)習(xí)風(fēng)格量表對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行分析，可將學(xué)生分為沉思型/活躍型、感悟型/直覺(jué)型、視覺(jué)型/言語(yǔ)型、順序型/綜合型，如圖3 所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)“智能1904”班更喜歡通過(guò)積極討論進(jìn)行小組合作，通過(guò)事實(shí)和案例來(lái)理解知識(shí)，并喜歡視覺(jué)型學(xué)習(xí)材料，更愿意按順序?qū)W習(xí)。所以在課堂講解時(shí)，可引入視頻講解代替原來(lái)的文字教學(xué)。在“立體視覺(jué)”一章，結(jié)合“螳螂捕食”“智能眼”等趣味案例，以幫助學(xué)生更好地理解立體視覺(jué)原理。通過(guò)課后的反映，學(xué)生理解透徹且印象深刻。

Fig.2 Innovation framework of teaching system圖2 教學(xué)體系創(chuàng)新框架

Fig.3 Analysis of students'learning styles圖3 學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格分析

同時(shí)，為更好地了解學(xué)生，在課程開(kāi)始之前，對(duì)學(xué)生的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、C 語(yǔ)言和MATLAB 的達(dá)成度進(jìn)行了分析，如圖4所示。

其中，通過(guò)對(duì)學(xué)生高等數(shù)學(xué)達(dá)成度進(jìn)行分析后可知，學(xué)生的空間想象、推理論證和數(shù)據(jù)處理等基本能力有待提高；通過(guò)對(duì)學(xué)生C 語(yǔ)言達(dá)成度進(jìn)行分析后可知，學(xué)生對(duì)于數(shù)組、函數(shù)以及三大控制結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)體、共用體與指針的使用還有待加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)化或模塊化程序設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)技能有待提高。

Fig.4 Analysis of achievement degree of relevant courses圖4 相關(guān)課程達(dá)成度分析

3 “雙創(chuàng)+實(shí)踐”貫穿課堂教學(xué)，促進(jìn)學(xué)有所用

針對(duì)“實(shí)踐訓(xùn)練不足，難以學(xué)有所用”的痛點(diǎn)問(wèn)題，在教授課程理論的同時(shí)，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和各類競(jìng)賽所需的知識(shí)點(diǎn)潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地貫穿于課堂教學(xué)的每一個(gè)章節(jié)，以激發(fā)學(xué)生的工程思維，促進(jìn)學(xué)生學(xué)有所用。根據(jù)課程相關(guān)的空間幾何變換、圖像采集、攝像機(jī)標(biāo)定等基本知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)檢測(cè)、OCR 識(shí)別、機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)等典型應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生圖像處理的編程實(shí)踐能力與軟件開(kāi)發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的落地，達(dá)到“以賽促教、促學(xué)、促用”的目標(biāo)。

充分利用課堂主陣地，引導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練競(jìng)賽，尤其是智能機(jī)器人比賽項(xiàng)目。該項(xiàng)目應(yīng)用視覺(jué)傳感信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制并完成簡(jiǎn)單的避障功能，需實(shí)時(shí)識(shí)別周圍環(huán)境，測(cè)量周圍物體與機(jī)器人之間的距離，并根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)參數(shù)、調(diào)整動(dòng)作策略及處理緊急情況等。

在競(jìng)賽過(guò)程中，為學(xué)生講解先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用，將圖像采集技術(shù)與當(dāng)下常態(tài)化新冠抗疫的國(guó)情相聯(lián)系。面對(duì)突發(fā)疫情，防疫壓力增加，傳統(tǒng)人工識(shí)別效率有限，因此需要依靠科技力量阻擊疫情，將圖像采集技術(shù)應(yīng)用于口罩識(shí)別等應(yīng)用中。

還可從通過(guò)面部表情圖像控制輪椅運(yùn)動(dòng)和無(wú)人機(jī)靶向空投等實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，讓學(xué)生感受到圖像采集技術(shù)的重要性。同時(shí)，由淺入深地講解圖像采集原理，逐步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4 聚焦“多元評(píng)價(jià)”，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)

上課前，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和數(shù)據(jù)分析對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度與學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行診斷性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果用于選擇與改進(jìn)教學(xué)方法，如圖5所示。

Fig.5 Diagnostic evaluation圖5 診斷性評(píng)價(jià)

在課中，通過(guò)討論、筆記、小測(cè)試等方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果用于查缺補(bǔ)漏，未達(dá)標(biāo)的學(xué)生需要通過(guò)線上學(xué)習(xí)進(jìn)行校正。學(xué)生課中小組討論匯報(bào)成果如圖6所示。

Fig.6 Students discuss and report the results in groups圖6 學(xué)生課中小組討論匯報(bào)成果

在課后，學(xué)生充分利用學(xué)習(xí)通、詞云等數(shù)智化手段，有機(jī)結(jié)合線上線下教學(xué)，活躍課堂教學(xué)氛圍，并采取小組討論等形式創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，營(yíng)造學(xué)習(xí)共同體。讓學(xué)生唱主角，從而變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，成為學(xué)習(xí)的主人。通過(guò)讓學(xué)生多討論、多思考，培養(yǎng)其獨(dú)立思考的能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)有所思，形成自己的工程思維。同時(shí)，通過(guò)詞云大數(shù)據(jù)對(duì)課堂討論和教學(xué)內(nèi)容的分析，幫助學(xué)生快速了解課堂討論的重點(diǎn)內(nèi)容，并幫助其課后更好地進(jìn)行復(fù)習(xí)。學(xué)習(xí)通與詞云大數(shù)據(jù)如圖7所示。

本課程考核采取過(guò)程考核與期末考試相結(jié)合的方式，采用百分制進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定，評(píng)定方法為：總評(píng)成績(jī)=期末考試成績(jī)×60%+平時(shí)成績(jī)×40%。其中，期末考試采用閉卷考試。

5 聚焦“成果輻射”，實(shí)現(xiàn)共同成長(zhǎng)

鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極參加比賽，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力與科研開(kāi)發(fā)能力。團(tuán)隊(duì)不僅重視學(xué)生的學(xué)科成績(jī)，而且會(huì)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、表達(dá)能力、批判質(zhì)疑能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力等對(duì)其進(jìn)行定性評(píng)估。

在2021年全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練競(jìng)賽中，指導(dǎo)學(xué)生參加智能機(jī)器人項(xiàng)目和智能配送無(wú)人機(jī)項(xiàng)目，學(xué)生在比賽中取得了全國(guó)銀獎(jiǎng)的好成績(jī)。學(xué)生成果如圖8所示。

Fig.7 Xue xi tong and Ci yun big data圖7 學(xué)習(xí)通與詞云大數(shù)據(jù)

Fig.8 Student achievements圖8 學(xué)生成果

經(jīng)過(guò)不斷的改革和創(chuàng)新，筆者作為機(jī)器視覺(jué)課程的主講教師，贏得了學(xué)生的信任和好評(píng)；在校內(nèi)各種比賽和課程創(chuàng)新交流中，得到了評(píng)委和教師們的一致表?yè)P(yáng)與認(rèn)可；在對(duì)畢業(yè)生的追蹤調(diào)查中，受到畢業(yè)生好評(píng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是形成“以學(xué)生發(fā)展為中心，以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向”的深層教學(xué)模式，該模式將“以學(xué)生發(fā)展為中心”的理念貫穿教學(xué)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，利用信息技術(shù)工具精準(zhǔn)分析學(xué)情，之后根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)情分析結(jié)果精準(zhǔn)匹配教學(xué)策略，開(kāi)展多元評(píng)價(jià)并進(jìn)行改進(jìn)，讓學(xué)生在知識(shí)、能力、素質(zhì)3 方面全面發(fā)展，使不同層次的學(xué)生都得到提升，因此具有較高的推廣價(jià)值。