基于CDIO模式的數(shù)字圖像處理課程教學(xué)改革與實(shí)踐

秦琴 張希靚 屠子美 朱冬冬

摘? 要：針對(duì)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需要，數(shù)字圖像處理課程進(jìn)行了CDIO教學(xué)模式改革與實(shí)踐。通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)法，該教學(xué)改革課程基于原有課程基礎(chǔ)，貫徹CDIO能力培養(yǎng)宗旨，提高學(xué)生對(duì)該門課程的理解和實(shí)際應(yīng)用能力，為應(yīng)用型本科院校相關(guān)專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程和實(shí)踐教學(xué)提供參考。通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)手段、授課方式等多個(gè)角度的改革與實(shí)踐，教學(xué)效果明顯提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理? LabVIEW? 教學(xué)改革? CDIO

中圖分類號(hào)：TP301-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）02（b）-0001-04

The Teaching Reform and Practice of the Digital Image Processing Course Based on CDIO Mode

QIN Qin*? ZHANG Xiliang? TU Zimei? ZHU Dongdong

（Shanghai Polytechnic University， Shanghai， 201209? China）

Abstract：The Digital Image Processing course is reformed and practiced by CDIO teaching mode in order to satisfy the need of applied undergraduate talent cultivation of the major of Measurement & Control Technology and Instrument. Through the project-based teaching method， the teaching reform course is based on the original course foundation， implements the CDIO ability training purpose， improves students' understanding and practical application ability of the course， and it offers reference for relevant majors of applied undergraduate colleges as a digital image processing course and practical teaching. Through the reform and practice of teaching content， teaching methods， experimental methods， teaching methods and other angles， the teaching effect has been significantly improved.

Key Words：Digital image processing; LabVIEW; Teaching reform; CDIO

數(shù)字圖像處理領(lǐng)域是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的較新的科學(xué)領(lǐng)域。近年來(lái)，借助微電子、探測(cè)、通信、編碼和航天等一些學(xué)科的研究成果，它得以快速發(fā)展。在國(guó)外，數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展早于國(guó)內(nèi)，開(kāi)設(shè)的課程也早于國(guó)內(nèi)，并且有相應(yīng)的經(jīng)典教材。在國(guó)內(nèi)，某些重點(diǎn)大學(xué)該門課程開(kāi)設(shè)較早，注重理論講授，然而相對(duì)應(yīng)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)較少，且大多在研究生教育階段開(kāi)設(shè)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，尤其是人工智能領(lǐng)域的爆發(fā)式發(fā)展，用人單位對(duì)本科生提出了更高的要求。上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部智能制造與控制工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)于2011年為該專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)了數(shù)字圖像處理課程，自2017年起進(jìn)行CDIO工程教育模式改革，并計(jì)劃于2018年實(shí)現(xiàn)全英文授課，接軌國(guó)內(nèi)國(guó)際名校數(shù)字圖像領(lǐng)域最新發(fā)展前沿和教育資源。

該文總結(jié)了該門課程自開(kāi)設(shè)以來(lái)的教學(xué)改革與實(shí)踐成果，為應(yīng)用型本科院校相關(guān)專業(yè)的數(shù)字圖像處理課程和實(shí)踐教學(xué)提供參考。

1? 數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容改革

傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程注重理論知識(shí)的傳授和算法的仿真，而針對(duì)圖像采集、機(jī)器視覺(jué)和圖像缺陷檢測(cè)等工業(yè)上的典型應(yīng)用知識(shí)的技術(shù)則涉及較少，并且這些知識(shí)在智能制造領(lǐng)域的信息傳輸、質(zhì)量控制、生產(chǎn)監(jiān)控等諸多環(huán)節(jié)尤為重要。教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)數(shù)字圖像處理課程內(nèi)容進(jìn)行了改革。

原有知識(shí)章節(jié)包括緒論、數(shù)字圖像基礎(chǔ)、圖像幾何處理、圖像變換、圖像濾波、圖像恢復(fù)與重建、圖像壓縮、彩色圖像處理、圖像分割、形態(tài)學(xué)圖像處理、目標(biāo)識(shí)別[1]。在原有課時(shí)學(xué)分不變的前提下，將形態(tài)學(xué)圖像處理和目標(biāo)識(shí)別兩部分內(nèi)容作為課外拓展知識(shí)，布置學(xué)生課后學(xué)習(xí)，同時(shí)增加機(jī)器視覺(jué)技術(shù)（圖像采集、軟硬件設(shè)計(jì)、圖像標(biāo)定）和工業(yè)圖像檢測(cè)技術(shù)兩部分知識(shí)并配備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，如圖1所示。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和工業(yè)圖像檢測(cè)技術(shù)是數(shù)字圖像處理技術(shù)走向具體應(yīng)用必不可少的知識(shí)環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)理論知識(shí)和實(shí)踐能力相結(jié)合的關(guān)鍵。課程內(nèi)容經(jīng)優(yōu)化后，面向本科教學(xué)實(shí)用性與針對(duì)性更強(qiáng)。

2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)

該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)力求充分體現(xiàn)課程內(nèi)容并加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，鍛煉學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。對(duì)接改革后的課程內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為圖像處理算法仿真和機(jī)器視覺(jué)與圖像檢測(cè)兩個(gè)模塊，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置見(jiàn)圖2。

圖像處理算法仿真模塊采用MATLAB語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算和驗(yàn)證，共含有6個(gè)實(shí)驗(yàn)，這部分體現(xiàn)了該門課程經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和的實(shí)驗(yàn)手段。機(jī)器視覺(jué)與圖像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K則采用專業(yè)教師自己搭建的機(jī)器視覺(jué)教學(xué)平臺(tái)和工業(yè)機(jī)器人分揀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3為機(jī)器視覺(jué)教學(xué)平臺(tái)，該硬件平臺(tái)包括PC機(jī)（千兆網(wǎng)卡）、光學(xué)支架、工業(yè)相機(jī)（GIGE千兆網(wǎng)接口）、鏡頭、光源及光源控制器，軟件系統(tǒng)采用LabVIEW軟件編程，功能包括實(shí)驗(yàn)原理介紹、實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)介紹、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、產(chǎn)品缺陷檢測(cè)、圖像尺寸測(cè)量等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[2]。

圖4為工業(yè)機(jī)器人分揀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，硬件主要包括MOTOMAN系列MH5F型的六軸機(jī)器人、Manta G-201B工業(yè)相機(jī)、PC機(jī)和路由器組成。結(jié)合LabVIEW軟件編程和工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)圖像的采集、檢測(cè)和分揀工作，該平臺(tái)提供二次開(kāi)發(fā)接口，鼓勵(lì)學(xué)生在本平臺(tái)上進(jìn)行創(chuàng)新研究和實(shí)驗(yàn)[3-7]。

3? 基于CDIO工程教育模式的課程改革

該課程自2017年起實(shí)行CDIO工程教育模式改革[8-9]，以項(xiàng)目式教學(xué)法全面提高學(xué)生能力。通過(guò)學(xué)生分組的形式自課程初始，教學(xué)團(tuán)隊(duì)布置綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：基于圖像處理的工業(yè)產(chǎn)品缺陷檢測(cè)項(xiàng)目。每組學(xué)生待檢測(cè)的工業(yè)產(chǎn)品均不同，項(xiàng)目具體技術(shù)要求包括檢測(cè)精度、檢測(cè)范圍、檢測(cè)速度、檢測(cè)結(jié)果輸出方式、檢測(cè)設(shè)備成本、安裝要求、工作環(huán)境及可靠性要求等。

學(xué)生自課程初期領(lǐng)取項(xiàng)目要求之后，帶著問(wèn)題邊學(xué)邊處理;在課程中期進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)方案答辯和討論，授課教師及時(shí)對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目方案進(jìn)行把關(guān)和指導(dǎo);在課程末期學(xué)生需提交項(xiàng)目作品并進(jìn)行答辯展示。

4? 雙語(yǔ)授課

為提高學(xué)生在該領(lǐng)域的科技英文詞匯并與國(guó)際接軌，該課程嘗試使用了英文教材和中文授課的雙語(yǔ)教學(xué)形式。

學(xué)生在初期學(xué)習(xí)純英文教材有些不適應(yīng)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解有困難，需要教師花更多的時(shí)間和精力來(lái)引導(dǎo)和幫助。由于課時(shí)有限，因此授課教師通過(guò)布置大量的該領(lǐng)域科技文獻(xiàn)閱讀作業(yè)來(lái)快速提高學(xué)生的能力，具體為課程前1/3學(xué)時(shí)每周布置1篇科技文獻(xiàn)，要求學(xué)生翻譯重點(diǎn)內(nèi)容，并在課堂上抽出時(shí)間進(jìn)行點(diǎn)評(píng);課程中間1/3學(xué)時(shí)要求學(xué)生在項(xiàng)目方案寫作和答辯時(shí)提供中英文兩個(gè)版本;課程后1/3學(xué)時(shí)要求學(xué)生用中英文撰寫項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告。

學(xué)生經(jīng)過(guò)雙語(yǔ)教學(xué)的改革模式以后，普遍反映課程初期閱讀該專業(yè)英文文獻(xiàn)有些痛苦，但由于是分組執(zhí)行作業(yè)要求，學(xué)生可以在課后充分溝通和交流，促進(jìn)學(xué)習(xí)和理解。在課程中后期進(jìn)行方案寫作、結(jié)題報(bào)告的寫作過(guò)程中，大家分工合作、共同完成任務(wù)，能夠體會(huì)到合作的樂(lè)趣和效率，并逐漸適應(yīng)采用科技英文進(jìn)行工作的方法和思路，收獲非常大。

5? 結(jié)語(yǔ)

為更好地滿足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)需要，上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)數(shù)字圖像處理課程，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)手段、授課方式等多個(gè)角度進(jìn)行了改革與實(shí)踐。從教學(xué)效果來(lái)看，經(jīng)過(guò)該輪改革，學(xué)生課程參與度明顯提高，且在CDIO項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，普遍提高了學(xué)習(xí)熱情、知識(shí)掌握深度、學(xué)習(xí)信心以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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