科研競賽融入實驗教學內容提升控制類大學生創新能力

林海波+楊利達+高奇峰

摘要：本文論述將科研項目《基于 Kinect深度信息的無標記手勢分割和3D定位》和“西門子”中國智能制造挑戰賽融入實驗教學內容，提升控制類大學生創新能力；科研項目《基于 Kinect深度信息的無標記手勢分割和3D定位》包含基于深度信息的無標記手勢精確分割、手勢3D定位，“西門子”中國智能制造挑戰賽包含化工過程控制、電梯控制。

關鍵詞：實驗教學；創新能力；無標記手勢分割；3D定位；過程控制

一、引言

當今時代，科技進步日新月異，國際競爭變得日趨激烈。而各國之間的競爭，是民族創新能力的競爭。我國作為發展中國家，要想在激烈的國際競爭中占據有利位置，就必須走科教興國的道路。高等教育是培養人才的搖籃，是經濟發展的強大后盾，中華民族能否在二十一世紀取得更大的發展，關鍵在于我國的高等學校能否培育和造就出適應時代發展的大批創新人才。因此，高等學校必須加快教學改革，大力開展創新教育，著重培養大學生的創新性思維和創新能力，將教學目標由培養“知識型”人才轉向培養“創新型”人才。

二、改革實驗教學內容

傳統的實驗教學大多是驗證型實驗，只是讓學生驗證已有的正確性和科學性，這種被動的方式不利于他們創造力的培養。為了改變這種情況，我們按照控制類實驗教學大綱的要求，在現有的教學計劃中，加大實驗教學、實踐教學、綜合性課程設計、生產實習和社會實踐方面比重，同時設計比較靈活的教學計劃，使學生對實驗有深入研究的時間和能力，為培養學生的實驗能力、創新意識和創新能力提供一個寬松的環境。并將對技術基礎課和專業課的課程教學體系及內容進行改革，鼓勵教師把相關領域最新最前沿的科研成果轉化為實驗教學內容，形成具有學科特點的科學、完整、系統的實驗教學課程體系。同時，支持學生參加控制專業各類競賽，競賽內容充實到創新實驗中。實驗內容分為基礎型、綜合型、設計型，突破傳統模式，不斷更新教育教學理念，研究具有設計性、系統性、綜合性實驗教學模塊，探索新的實驗教學方式方法。在相關課程的基本實驗中，規定學生必做的實驗，或綜合相關課程的內容，進行設計型實驗，由“驗證型”實驗向“綜合型”、“設計型”實驗逐步推進，提高學生獨立思考、分析、判斷和處理實際技術的能力。啟發學生的創新意識，為學生獨立開展綜合性、創新性、設計性實驗打下良好基礎。在綜合性、設計性實驗階段，學生自由組成實驗小組，選擇老師指定的實驗題目或自行設立感興趣的題目。在老師的指導下，論證可行性，設計實驗方案和步驟，觀測實驗和記錄實驗現象，分析實驗結果，得出科學的結論，并撰寫相關科技論文。這個過程可以讓學生親身感受、理解知識產生和發展的過程，培養學生的實踐能力，進一步提高學生的科學素質。

三、科研競賽融入實驗教學內容

為了培養創新能力改革實驗教學內容，將科研競賽融入實驗教學內容，我們把控制類專業相關領域最新最前沿的科研項目《基于Kinect深度信息的無標記手勢分割和3D定位》內容和成果融入實驗教學內容，形成創新實驗，提升學生創新能力。支持學生參加控制專業各類競賽，同時將競賽內容融入創新實驗，提升學生創新能力。

1、科研融入實驗教學內容

《基于 Kinect深度信息的無標記手勢分割和3D定位》科研項目，主要內容：基于Kinect深度信息提出一種精確穩定的無標記手勢分割和3D定位方法，基于深度閾值方法在實驗空間中檢測出手部二值圖像，根據一般手勢行為特性提出基于目標手勢端點檢測和動態閾值算法無標記地分割出精確手勢，為避免不精確的分割結果對分割手勢基本形態閾值限定.選取精確目標手勢的重心坐標和縱向平均深度灰度值對手勢3D定位，實驗表明該手勢分割方法比已有無標記方法更精確穩定3D定位Kinect SDK的骨骼點手勢定位穩定可靠無奇異點。

機器視覺的手勢交互是智能人機交互（human computer interaction）HCI的關鍵技術之一，旨在提供更方便快捷的人機視覺接口。在手勢識別中，須解決手勢分割和定位、手勢特征提取和分析三個問題，基于膚色模型的分割方法使用普遍。然而，膚色的差異性、對光照環境變化的敏感以及當背景中存在與膚色顏色相近顏色時給這類方法帶來很大困難。近年來，隨著低成本深度攝像頭Kinect的出現，可以方便地通過深度閾值分割初步獲取手部區域。受到Kinect 深度數據分辨率的限制和手腕部分對手勢的干擾。本科研項目基于深度信息和動態閾值方法無標記地分割和定位出精確手勢，魯棒性好計算復雜度低，并結合手勢重心點與縱向平均灰度值穩定的定位出手勢3D位置。

通過基于Kinect深度信息的無標記手勢分割融入創新實驗，學生能夠熟練應用低成本深度攝像頭Kinect和相關軟件完成圖像處理，在完成基于深度閾值的手勢檢測和基于動態閾值手勢精確分割創新實驗后，學生創新能力和知識有很大提高，能夠應用中值濾波算法去噪處理和概率統計樣本分析方法處理實際問題，增強創新能力。

手勢3D定位是對手勢某一固定點坐標的實時反應，對動態手勢跟蹤和識別極其重要。引入手勢3D定位創新實驗對于培養學生空間想象能力，權重定位算法很重要，能夠提升學生創新能力。

2、競賽融入實驗教學內容

“西門子”中國智能制造挑戰賽包含化工過程控制、電梯控制。

化工過程控制：化工反應過程極為復雜多變，特別是臨界點壓力、溫度、液位變化很快，難于準確控制，學生在完成“西門子”中國智能制造挑戰賽化工過程控制中，面對如此復雜多變的控制對象，必須要思考創新的控制算法，才能完成競賽，創新能力得到提升。

電梯控制：學生除了完成單臺和多臺電機的電氣控制：順序控制、自鎖控制、聯鎖控制、延時控制外，關鍵是多臺電梯群控算法的研究，這將開發學生的聰明才智，提升創新能力。

通過創新性研究項目的實踐鍛煉和參加控制專業的大量競賽，學生能夠把握科技前沿、社會需求，建立先進的科學思想，探索、思考新的科學問題，同時其研究成果也為科研發展或者社會科技服務做出了貢獻。

綜上所述，通過科研競賽融入實驗教學內容，能夠提升學生創新能力。

參考文獻：

[1] 李強，田國棟.基于DS18B20d的室內智能溫度控制系統設計[J].電子設計工程，2012，20（3）：34-36.

[2]《過程控制系統》，編（譯）著：黃德先、王京春、金以慧。，出版社：清華大學出版社。

[3]自動控制原理，作者：吳麒，出版社：清華大學出版社。

[4]計算機控制技術——高等學校教材，作者：姜學軍，出版社：清華大學出版社。

[5]深入淺出《西門子S7-300PLC》 西門子（中國）有限公司

[6]《中藥萃取控制系統設計和仿真》講義 重慶郵電大學出版

[7]曹昕燕趙繼印李敏，基于膚色和運動檢測技術的單目視覺手勢分割J，湖南大學學報自然科學版201138178-83