機械智能制造方向本科生“機器視覺及應用”課程教學改革探索

黃建 李平

摘 要 在工業4.0背景下，開展機器視覺及應用本科教學必要性不斷增加。針對前期本課程面臨與傳統機械專業課接軌性較差、學生積極性較差以及教學內容面臨的局限性等問題進行了改進。主要從教學內容、教學模式以及考核方式三方面進行了改革，從而為本課程后續開展以及教學質量的提高奠定了基礎。

關鍵詞 機器視覺;教學改革;教學內容;教學模式

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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年李克強總理簽批工業4.0以來，中國制造2025已經上升至國家級戰略發展的高度。而其中一個重要的發展方向就是智能制造。[1]智能制造技術通過計算機，結合前期學習經驗，利用特定算法，對過程進行分析和判斷，并結合智能機器人對操作過程進行取代，從而極大提高生產效率。因此，智能制造將使傳統的機械制造與信息流結合，邁向智能化機械制造。[2]而完成智能制造的一項重要工作就是利用機器視覺系統對目標、環境進行探測，從而保障后續工作的順利推進。同時，由于機器視覺系統較強的獲取信息能力和適應環境能力，并且容易構建自動化和智能化等優點，[3]從而成了發展智能制造的關鍵部分。

除了企業界對機器視覺方向的不斷探索，高等院校也在不斷開拓機器視覺的教育空間，從而實現產學研的順利銜接，最明顯的一項措施就是部分高校在本科教學中增設了“機器視覺及應用”課程。

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

在課時有限的情況下，如何提高教學效率，提升學生對課程吸收程度同時培養本科生動手實踐能力，這將是本門課程面臨的巨大挑戰。因此，我們將從教學內容調整，教學模式改革，考核方式改革三方面切入，并以學生就業興趣為導向，培養學生在本領域的獨立工作能力。

1 機械類“機器視覺及應用”本科生教學改進措施

1.1師資隊伍的建設

影響學科發展的因素很多，其中關聯最大最直接的就是授課教師的質量和穩定性。首先，教師的學術研究背景將影響本課程的教學深度和高度。為了提升教師的學術本經，可以增加本門課程的教師和其他學校教師的交流，這樣能夠促進本課程教師學術方面的提升，同時可以指導本門課程前沿的教學知識教學。第二，形成年齡、職稱合理分布的教學團隊。第三，多參加全國高等學校教學一流課程創新論壇或者會議，這對于提升教學質量，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會，促使其在教學方面不斷提升;以未來前景引導其方向，并適時的鼓勵和贊揚，提升其教學成就感和榮譽感。第五，教學經驗豐富的老教師要與青年教師多交流溝通，對其在教學、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教學內容的調整

考慮到機械類專業學科特點，對“機器視覺及應用”教學內容進行了一定的修訂以及發散。首先，對傳統的成像部分進行擴展，主要拓寬學生對物象關系部分內容的知識，如關于機器視覺的硬件技術中鏡頭技術，攝像機技術，光源技術以及攝像機標定技術。本部分內容主要以講解為主，通過幾何光學公式推導，從理論上講解各個關鍵參數對成像的影響，同時，利用實際物體，讓學生親身體會改變硬件參數，我們人眼觀測到的成像質量，從而進一步加深學生對光學參數的理解，這將為后續系統關鍵接口參數的選型奠定基礎。

其次，對機器視覺系統的核心部分，即圖像處理技術進行內容調整。針對機械類學生，本門課程主要以利用機器視覺系統對機械零部件進行形狀尺寸以及缺陷檢測為最終目的，從而調整圖像處理算法的內容。對本部分內容從算法來源以及過程進行詳細介紹，并配以啟發性教學。讓學生充分意識到本門課程與本專業未來發展的結合程度，同時認識到本門課程在未來新技術發展中的重要性。

第三，對機器視覺系統的應用部分內容以實際訓練為主要方式進行教學。本部分內容將前面所學的所有內容結合起來，完成某項測量工作時，將涉及成像鏡頭的選取，相機的選取，以及各類算法的設計，因此將是一個系統以及實用知識能力的訓練。

1.3實驗平臺的建設

實驗平臺是促進學生對基礎理論進一步理解的重要平臺，對教學質量的提升也起著至關重要的作用，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，其中硬件主要為視覺系統，包括鏡頭、相機、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，進行圖像處理。同時可以將此平臺作為學生本科畢業設計的實驗平臺，其畢業設計成果可以儲存在系統中，可以為后續教學積累一定的資源。

1.4教學模式的改革

首先，引入翻轉課堂。[4]此種教學模式將以學生為中心，教師以輔助引導，完成知識點教學。翻轉課堂主要是為了調動學生積極性，增加他們在教學過程中的參與感。根據前一節課布置的預習作業，課堂上隨機抽取一位同學來進行講解，并且將針對同學的提問進行答疑。這樣一方面增加了學生學習的成就感，另一方面培養了學生的自學能力。但是，對于基礎較差的同學，此種方法將帶來一定困難，因此，教師在布置預習作業時，將對預習難度進行把控，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行增強以及特征提取部分。利用多媒體，展示不同的頻率對應圖像的特征。然后，學生可以帶上自己電腦進課堂，和老師一起編寫頻率濾波的程序，并一起運行，發現問題后大家討論改正。并且在程序運行的過程中，觀察每一步的結果，并和理論推導的結果進行對比。

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

第四，考核方式的改革。傳統的考核方式是利用試卷筆試的方式進行考核，此種考核方式將會對學生的學習方式產生一定誤導，認為本門課程是理論為主導的課程。然而，本門課程是以實際操作為主導。因此，僅以筆試進行考核不適用。另一方面，采取合理的考核方式，才能使教學質量有所提升，學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實踐成績。平時成績主要根據平時上課出勤率、隨堂測試以及課堂積極性三方面進行打分。對于表現較好的學生，應該予以獎勵和倡導。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。大作業成績主要鼓勵學生課后動手，解決實際問題，主要培養學生實際操作和對實際問題的分析思考的能力。

2 機械類“機器視覺及應用”本科教學實踐過程分析

對機械工程學院機械電子工程專業“機器視覺及應用”本科課程進行了教改試點。

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

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

3 機器視覺及應用課堂存在的問題及反思

從實際教學效果來看，雖然較以前教學效果得到了一定提升，但是還是存在一定的問題。第一，部分學生難以達到老師期望的教學效果，上課主動性較差。通過交流，發現其原因一方面是學生內驅力不夠，對機器視覺的內容需求不大，故學習的主動性降低。另一方面受限于前期專業課基礎不夠扎實，理解不夠深刻，對于機器視覺這門綜合性較強的課程，綜合應用知識的能力有所欠缺。第二，適合本科生的教材較少，學生參考的書籍不夠，使學生對知識點的理解不夠深入。第三，部分學生大作業完成質量較低，其原因主要是由于積極性不夠以及前期專業知識掌握不扎實的綜合效應導致。

針對以上學生反映出來的問題，擬采取以下措施進行改進：首先，評估未達到要求教學質量的學生人數占比，如果占比小于20%，則主要原因在學生身上，需要通過對學生進行疏導，溝通和交流，同時對學生欠缺的知識進行提升。如果占比大于20%，則老師的教學模式存在一定的不合理，需要改進教學模式或者教學內容。[5]第二，改進教材，將選用更加適合于機械專業的機器視覺教材，這樣一方面讓學生對本門課程的陌生感減小，同時覺得本門課程和本專業結合更緊密，實用性更強，進一步的，可以針對本專業，撰寫適合學生的教材。第三，對大作業實行分組完成的方式，可以促進學生互相取長補短，各自發揮自己擅長的領域，培養團隊合作的能力。

4 結語

針對早期機器視覺及應用課程經驗不足，同時在目前工業4.0大環境背景下，對原有的課程體系以及教育模式進行了改進。具體包括了對教學內容的改進，使教學內容更貼近機械類專業，與計算機專業進行了區分。其次，對教學模型進行了改進，使學生進一步增加了參與感。最后，對考核方式進行了改革，進一步培養了學生實際應用知識的能力。本文對機器視覺及應用課程中存在的一些問題進行了分析，并提出了改進措施，這將為后續本門課程的開展奠定一定的基礎。

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

參考文獻

[1] 萬胤岳.工業4.0背景下企業智能制造發展探析[J].中小企業管理與科技（下旬刊）， 2021（09）： 47-49.

[2] 譚華，付小全，張玉勛，等.產業學院從“傳統機械制造”到“智能制造”轉型的新工科模式建設[J]. 科教導刊， 2021（20）： 28-31.

[3] 黃進，汪思源，于雙和，等.面向控制類專業的研究生“數字圖像處理”課程教改探索[J].教育現代化， 2020， 7（20）： 26-28.

[4] 郝萬博， 趙冰.“翻轉課堂”的優勢及存在的問題探析[J]. 教育現代化， 2018， 5（02）： 274-276.

[5] 庹軍波，杜彥斌.面向教學現實困境的工程制圖對分課堂教學探究[J].中國現代教育裝備， 2021（15）： 135-136+146.