面向一流本科專業(yè)建設(shè)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)課程建設(shè)研究

高瑋瑋 張海峰 周俊 雷菊陽(yáng)

摘要：一流本科專業(yè)建設(shè)，既是應(yīng)用型本科高校貫徹落實(shí)教育部“一流本科教育”的核心基礎(chǔ)，也是基于自身特性提升專業(yè)實(shí)力，推動(dòng)整體發(fā)展的重要途徑。本文基于應(yīng)用型本科大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為背景，討論面向一流本科專業(yè)建設(shè)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)課程的建設(shè)相關(guān)方法。

關(guān)鍵詞：一流本科;機(jī)器視覺(jué);課程建設(shè)

1.引言

當(dāng)前我國(guó)擁有全球最大的工科教育規(guī)模，但我國(guó)工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位不清晰，工科教學(xué)理科化，工程教育與行業(yè)企業(yè)實(shí)際脫節(jié)較大，工科學(xué)生存在綜合素質(zhì)與知識(shí)結(jié)構(gòu)方面的缺陷。近年隨著本科教育的大眾化，本科教育質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)引起社會(huì)廣泛關(guān)注，各級(jí)政府也相繼出臺(tái)了各種措施。2017 年 11 月，教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖在第十屆“中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇”上提出“一流本科，一流專業(yè)，一流人才”。2018 年 6 月，在成都舉行的新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議，第一次以“本科教育”為主題發(fā)表了“一流本科教育宣言”[1]。2019 年 4 月，教育部正式印發(fā)《關(guān)于實(shí)施一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃”的通知》，主要任務(wù)是在 2019—2021 年建設(shè)約一萬(wàn)個(gè)國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)點(diǎn)和一萬(wàn)個(gè)省級(jí)一流本科專業(yè)點(diǎn) [2]。

由于高校實(shí)力的不同，實(shí)施一流本科教育，不同層次的高校有不同的道路。應(yīng)用型本科院校相對(duì)于“雙一流”重點(diǎn)大學(xué)，師資力量較為薄弱，不應(yīng)好高騖遠(yuǎn)，盲目跟隨重點(diǎn)大學(xué)的腳步。對(duì)于應(yīng)用型本科高校來(lái)說(shuō)，應(yīng)腳踏實(shí)地，通過(guò)建設(shè)一批一流專業(yè)來(lái)逐步提升學(xué)校綜合實(shí)力。本文以應(yīng)用型本科高校的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為背景，討論面向一流本科專業(yè)建設(shè)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)課程的建設(shè)相關(guān)途徑和方法。

目前，隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的提出，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)成為智能制造的“風(fēng)口”技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)人才就業(yè)質(zhì)量高，在沿海地區(qū)更是供不應(yīng)求。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)涵蓋面廣，需要機(jī)械、電子、圖像處理、模式識(shí)別以及面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，對(duì)人才培養(yǎng)提出了很大的挑戰(zhàn)。目前，在國(guó)內(nèi)開設(shè)《機(jī)器視覺(jué)技術(shù)》相關(guān)課程，各專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同。但從根本上來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)是以視覺(jué)技術(shù)為核心的智能機(jī)器技術(shù)，在日本也稱為“視覺(jué)機(jī)器”，因此，這門課程更適合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)。本文擬從立體化教材建設(shè)、課堂教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和校企合作四個(gè)方面進(jìn)行探討。

2.以“一流本科”專業(yè)建設(shè)為指導(dǎo)，進(jìn)行立體化教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

按照“一流本科”專業(yè)建設(shè)的指導(dǎo)意見，機(jī)械類本科專業(yè)開設(shè)《機(jī)器視覺(jué)技術(shù)》課程，其課程總體教學(xué)目標(biāo)為：（1）了解機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基本組成、原理和圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí);（2）掌握機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的硬件技術(shù);（3）掌握?qǐng)D像處理的經(jīng)典方法;（4）掌握機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用最普遍的尺寸測(cè)量技術(shù)與缺陷檢測(cè)技術(shù);（5）熟悉并了解基于機(jī)器視覺(jué)的字符識(shí)別、車牌識(shí)別技術(shù)。通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的使用機(jī)器視覺(jué)軟硬件能力和創(chuàng)新思維。初步掌握機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和工程技能，為成為一名具有光機(jī)電一體化集成和開發(fā)能力的工程師奠定堅(jiān)實(shí)的理論和工程實(shí)際基礎(chǔ)。基于此，我們進(jìn)行了課程教學(xué)大綱的設(shè)計(jì)，總學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，理論學(xué)時(shí)26學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)，另外安排了多個(gè)選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.以案例教學(xué)為重點(diǎn)，改革課程教學(xué)方法

《機(jī)器視覺(jué)技術(shù)》課程內(nèi)容比較繁雜且實(shí)踐性強(qiáng)，如何在30個(gè)學(xué)時(shí)的有限時(shí)間里讓學(xué)生既能掌握基本的理論同時(shí)還具備一定的實(shí)踐動(dòng)手能力，這對(duì)教師的教學(xué)方法和手段是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。比如：圖像處理方法這一章，雖然在課時(shí)安排上已經(jīng)明顯傾斜，但是即便如此想要把圖像處理方法講清楚，還是非常困難的。基于此，采用基于案例的教學(xué)方法來(lái)講解各種圖像處理方法的應(yīng)用和理論。例如在圖像分割方法這一部分的內(nèi)容講授時(shí)，對(duì)于閾值分割方法中閾值的選取，會(huì)以多種類型的圖像為例來(lái)說(shuō)明閾值該如何選取，同時(shí)通過(guò)零件缺陷檢測(cè)、血管分割等經(jīng)典案例來(lái)說(shuō)明圖像分割在實(shí)際中的應(yīng)用，從而加深學(xué)生對(duì)該方法的理解。

4.以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為依托，構(gòu)建機(jī)器視覺(jué)實(shí)踐平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

課堂理論講授重要，而搭建一個(gè)功能齊全，具有基礎(chǔ)性兼顧先進(jìn)性的機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室同等重要甚至是更為重要。從2016年開始，利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，先后投入150多萬(wàn)元，打造了集教學(xué)和科研為一體的機(jī)器學(xué)習(xí)與視覺(jué)綜合實(shí)驗(yàn)室。主要的設(shè)備有：機(jī)器視覺(jué)綜合試驗(yàn)臺(tái)10套，線陣掃描平臺(tái)1套。大型綜合實(shí)訓(xùn)和科研設(shè)備有：Faro激光跟蹤儀，視覺(jué)引導(dǎo)激光打標(biāo)機(jī)，視覺(jué)引導(dǎo)AGV，雷尼紹激光干涉儀、UR人機(jī)協(xié)作機(jī)器人、Fanuc視覺(jué)并聯(lián)機(jī)器人，航拍無(wú)人機(jī)等。機(jī)器視覺(jué)器件包括：智能相機(jī)、工業(yè)相機(jī)、Gocator激光位移傳感器、工業(yè)鏡頭、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、LED光源、激光器、型號(hào)規(guī)格齊全，方便學(xué)生在靜態(tài)臺(tái)架和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上開展各種課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。開設(shè)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)有：圖像獲取與光源實(shí)驗(yàn)、多距離測(cè)量、劃痕檢測(cè)、車牌識(shí)別實(shí)驗(yàn)等，另外選做的實(shí)驗(yàn)有：相機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人手眼標(biāo)定實(shí)驗(yàn)等。由于成立了先進(jìn)、完善的機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室，也為我們校企合作打下了良好的基礎(chǔ)。

5.結(jié)論

作為契合“一流本科專業(yè)建設(shè)”指導(dǎo)思想的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)課程，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)具有重要意義。不僅需要建立科學(xué)合理的教學(xué)體系，更需構(gòu)建先進(jìn)完備的實(shí)踐基地。這樣才能牢固學(xué)生理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 張晞，顧永安，張根華 . 地方應(yīng)用型高校一流本科專業(yè)推進(jìn)策略 —基于江蘇 20 所高校特色專業(yè)建設(shè)的調(diào)研[J]. 中國(guó)高校科技，2019（11）.

[2] 李曉賢. 地方院校推進(jìn)一流本科教育的戰(zhàn)略研究 [D]. 山西大學(xué)，2019.

上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院?高瑋瑋，張海峰，周俊，雷菊陽(yáng)