工程教育專業認證背景下的課程教學研究

趙榮麗 王中任 肖光潤 陳科鵬

[摘 要] 通過分析工程教育專業認證背景下“機器視覺技術”課程教學現狀及不足，以OBE專業認證理念為引導，對課程目標設置、教學內容優化、教學組織、質量評價等方面進行了研究與改進。以團隊開發的系列應用產品為對象，優化了基于一個視覺硬件基礎、四條視覺應用主線的教學內容。針對每條主線設計了產品觀摩、客戶端程序演示、開發例程調試、圖像處理算法等教學過程，鍛煉學生對于機器視覺領域典型應用進行需求分析、論證和系統設計的能力，以及在工程實踐中使用恰當現代工程工具進行建模、預測與仿真能力的培養，支撐學生達到畢業要求。

[關鍵詞] 工程教育專業認證;機器視覺;課程教學

[基金項目] 2020年度湖北文理學院質量工程項目“機器視覺原理及應用”（YZ1202007）;2021年度湖北文理學院學科開放基金項目“復合視覺傳感的管道全位置焊接機器人”（XKQ2021039）

[作者簡介] 趙榮麗（1984—），女，山東臨沂人，碩士，湖北文理學院機械工程學院講師，主要從事高等工程教育和機器視覺研究;王中任（1974—），男，湖北黃梅人，博士，湖北文理學院機械工程學院教授，主要從事高效智能焊接和機器視覺研究;肖光潤（1987—），男，湖北宜城人，博士，湖北文理學院機械工程學院講師，主要從事機器視覺理論與應用研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）27-0121-04 [收稿日期] 2021-11-12

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。工程教育專業認證的核心就是要確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價。工程教育專業認證要求專業課程體系設置、師資隊伍配備、辦學條件配置等都圍繞學生畢業能力達成這一核心任務展開，并強調建立專業持續改進機制和文化，以保證專業教育質量和專業教育活力。我校機械設計制造及其自動化專業（簡稱機制專業）從2017年開始貫徹“以學生為中心、以學生學習產出導向、持續改進”（簡稱OBE）的專業認證理念[1]，構建基于OBE專業認證理念的本科教學質量保證監控保障體系，開展工程教育專業認證工作。

機器視覺技術是一門涉及人工智能、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理和模式識別的多領域交叉學科。機器視覺技術主要是利用計算機模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。隨著工業4.0浪潮襲來，該技術發展勢頭迅猛，已經廣泛應用于智能制造、醫療檢測、人臉識別、交通和精密測量等領域。掌握該技術的畢業生就業質量較高，在發達地區更是人才供不應求。我校從2012年開始在機制專業開設“機器視覺技術”課程，自2016級開展基于OBE專業認證理念的“機器視覺技術”課程建設。“機器視覺技術”主要圍繞工程教育專業認證畢業要求3（使用現代工具）及畢業要求5（設計/開發解決方案等）兩個目標，開展以學生為中心的教學活動，使學生達到相應的能力[2]。

一、“機器視覺技術”課程傳統教學現狀分析

根據OBE工程教育認證理念，課程建設的內涵，即課程目標確定、教學內容設置、教學組織和質量評價都要圍繞學生能力達成而進行。基于成果導向的專業認證教學體系與傳統的教學體系在課程目標設置、教學內容選取、教學組織上存在差異，這些差異在“機器視覺技術”傳統教學中表現為以下幾個方面的不足：（1）課程目標設置基于知識系統的完整性，未能完全與學生能力達成強關聯，不能完全支撐工程教育專業認證對應的畢業要求。（2）教學內容組織優化未能體現成果導向的理念，未能做到根據技術/能力需求，進行成果導向的設計，教學內容與課程目標、學生能力培養不完全吻合。（3）在教學組織上以教師、教科書、教室為中心，學生僅作為被動的單向接受者，缺乏對教學過程設計的深度參與，有限的課堂互動通常止于低層次思維。未能實現以教師為中心到以學生為中心的轉變，對學生能力達成作用有限。（4）質量評價方面側重教學過程，而非對學生學習成果的評價，且評價未能周期性、有效地體現在教學改進中。

基于專業認證OBE理念，結合傳統教學的情況，我們根據“機器視覺技術”課程特點，圍繞課程目標設置、教學內容優化、教學組織多樣化、質量評價多元化等方面進行了研究與改進，以促進學生的能力培養，支撐學生達到畢業要求。

二、面向工程教育專業認證的“機器視覺技術”課程教學改革

（一）根據專業認證畢業要求，設置課程目標

本課程所支撐的畢業要求是設計/開發解決方案和使用現代工具。通過設置對應的課程教學目標，使之與學生能力達成形成強關聯。設置后的課程目標是通過課程教學與實驗、實踐環節，培養學生對于機器視覺領域典型應用進行需求分析、論證和系統設計的能力，使學生能夠在工程實踐中恰當使用現代工程工具進行建模、預測與仿真，并能夠在實踐過程中領會相關工具的局限性。具體的課程教學目標細化為兩方面：課程目標1是通過工業相機、工業鏡頭、光源的工作原理、種類、主要參數及攝像機標定的基本原理和常用的標定方法的學習，使學生能夠利用硬件知識，掌握根據技術需求初步分析設計并選擇硬件參數、搭建機器視覺系統進行圖像采集的能力。課程目標2是通過尺寸測量、缺陷檢測、模式識別、三維重建等機器視覺的基本應用領域的介紹和典型應用案例的訓練，使學生掌握圖像增強、圖像分割、邊緣提取、特征提取等技術中的經典算法，能夠具備運用HALCON軟件等現代圖像處理工具，并根據工程實際需求，選擇合適的算法進行軟件編程、圖像處理的能力。以上兩個目標相對課程總目標的占比為3∶7。

（二）對照教學課程目標，優化教學內容

“機器視覺技術”作為專業選修課程，僅占36學時。在有限并少量教學學時內把機器視覺基本理論體系構建起來，并讓學生獲得相應的能力，對教學內容選取及教學方法都提出了很高的要求。以圖像處理技術部分為例，雖然安排了課程近1/3的學時，但想把博大精深的圖像處理技術講清楚，并讓學生獲得圖像處理能力非常困難。我們對照課程目標，以學生能力導向為主，打破以理論體系構建為主的教學內容體系，以機器視覺科研團隊開發的機器視覺應用系統系列產品為案例對象重建教學內容。

“機器視覺技術”教學科研團隊是由該學科方向帶頭人牽頭，6名博士及1名實驗技術人員參與組建的以機器視覺技術為特色的團隊。近5年來，團隊依托智能制造與機器視覺襄陽市重點實驗室硬件資源，與襄陽地區智能制造企業通過科研項目研究與成果轉化方式合作完成機器視覺應用系統系列橫向項目20余項，開發視覺應用產品10余臺[3]。機器視覺應用系統系列產品包括：柔性加工單元的視覺定位與檢測系統、視覺導航AGV、管道全位置智能焊接機器人、變速箱智能裝配線、刀具磨損在位測量系統、工件雙遠心視覺測量系統、汽車座椅滑軌檢測系統、藥瓶塞視覺檢測機等，視覺產品應用系列涵蓋了機器視覺技術主要的應用領域。具有基礎性兼顧先進性的實驗室為開展教學活動提供了良好的基礎條件[4]。我們選取了尺寸測量、缺陷檢測、模式識別、三維重建等四大視覺應用領域對應的典型產品，以產品觀摩、客戶端程序演示、開發例程調試、圖像處理算法分析為主要教學內容，致力導向學生能力培養。

產品觀摩主要教學內容包括案例產品視覺功能介紹、案例產品系統組成、相機鏡頭等硬件類型參數、光源照明方式等。客戶端程序演示是指面向客戶運行的程序端交互界面演示，主要教學內容包括軟件程序功能、圖像處理關鍵步驟交互過程、圖像處理結果顯示等。開發例程調試主要教學內容為基于圖像處理專業主流軟件HALCON開發環境下產品的案例程序源代碼，具體教學內容分為三部分：一是從程序源代碼中提取軟件設計部分流程框圖，二是介紹圖像分析過程中關鍵步驟算子的使用，三是修改源程序中關鍵算子參數，進行功能調試。圖像處理算法主要教學內容是HALCON例程中的圖像處理關鍵算子的理論原理及實現。

教學內容的優化選取是基于一個基礎，四條主線。視覺硬件是基礎，尺寸測量、缺陷檢測、模式識別、三維重建屬于四條主線。圍繞這四條主線，我們由淺入深地設計了產品觀摩、客戶端程序演示、開發例程調試、圖像處理算法四大教學內容，最終導向學生對于機器視覺領域典型應用進行需求分析、論證和系統設計的能力，以及在工程實踐中使用恰當現代工程工具進行建模、預測與仿真能力的獲得。

（三）貫徹OBE工程教育認證理念，精心組織教學

基于OBE理念的教學應體現以學生為中心、激發學生主動學習和有效學習，過程中突出學生的深度參與、與實踐體驗的緊密結合及批判性思維養成等。針對教學內容選擇與課程目標相適應的教學方法，才有助于學生畢業要求的達成。

下面以尺寸測量這條主線為例，介紹教學過程的實施。我們從團隊開發的視覺應用產品中選取了工件雙遠心視覺測量系統和外螺紋通用測量系統為案例對象。教學設計1個實驗學時，對這兩套系統進行觀摩和客戶端程序演示。在觀摩過程中，通過實驗技術人員解釋其功能、系統設計及各組成部分，學生可直觀了解機器視覺在測量領域的應用，對網口工業相機、遠心鏡頭、背光源、環形光源組成有感性認識，并進一步結合通過理論學時獲得的硬件技術知識，即可提升對典型視覺系統組成的分析能力。通過客戶端程序演示，學生可理解連接相機、圖像采集、圖像處理、特征提取、尺寸計算等基本圖像處理步驟，以及工件距離、半徑、角度等基本的尺寸參數測量需求。根據相機、鏡頭、光源等硬件組成功能及參數的介紹，結合該產品客戶測量需求，幫助學生理解該產品開發過程中特定相機、鏡頭、光源的選型依據。結合本課程2個學時的圖像獲取與光源實驗環節，可使學生初步獲得根據技術需求初步分析設計，并選擇硬件參數與搭建機器視覺系統進行圖像采集的能力。在開發程序調試部分，學生主要通過運行源程序、小組討論等方式理解案例軟件例程，并進一步提取程序流程框圖。在這種逆向思維訓練下，學生通過主動思考獲取程序開發的初步設計能力，更進一步地通過閾值分割、邊緣提取、直線擬合關鍵算子使用及參數修改調試，獲得使用HALCON這種主流的圖像處理工具軟件的能力。最后通過對比工件雙遠心視覺測量系統與外螺紋通用測量系統，理解視覺測量通用性、高精度的應用發展趨勢。

這樣的教學組織讓學生能夠由淺入深、由實踐到理論進行啟發式學習，激發學生內在的探尋動力，貫徹OBE理念，真正做到以學生為中心。

（四）建立“評價—反饋—改進”的閉環課程持續改進評價機制

“教學質量為王，考核評價方法為綱”，課程考核與評價方法是提高教育質量的關鍵。本課程采用定量和定性相結合的評價方式。定量評價依據課程目標的達成度，定性評價依據學生達成度調查問卷。定量評價考核內容包括課后作業、實驗和期末考試。其中，課程目標2為畢業強支撐指標點，占總考核比例的70%，分解到不同考核方式占比為20%、12%、38%;課程目標1為30%，分解到不同考核方式占比為10%、8%、12%。我們針對每個課程目標的不同考核方式，制定了易操作、好評價的考核內容和考核標準。

定性評價是基于學生調查問卷的課程目標達成情況評價。我們根據課程目標、每次授課情況和學情設計了問卷，調查學生運用機器視覺技術解決工程問題的能力及課程目標達成情況。定性評價為學生針對自己能力達成情況的主觀反饋，不計入學生達成度，僅作為后期持續改進參考。根據每學年班級教學反饋情況，結合定量評價進行授課總結和反思，針對存在的問題提出改進措施，以指導下次授課過程。“評價—反饋—改進”反復循環的持續改進評價機制提高了課程教學效果和質量，有效保障了學生畢業要求的達成。

三、面向工程教育專業認證的“機器視覺技術”課程教學實踐效果

自2018年以來，我們在2016級、2017級、2018級機制專業本科生中開展面向專業認證的3個輪次“機器視覺技術”課程教學改革及實踐，取得了較為明顯的成效。每個年級的課程目標1達成度均大于0.8，課程目標2達成度均高于0.7，稍低于課程目標1。課程目標2達成度稍低表明學生運用HALCON軟件等現代圖像處理工具，根據工程實際需求，選擇合適的算法進行軟件編程、圖像處理的能力稍弱。我們應對相關內容進行關注，加強編程能力訓練，持續改進。課程目標達成度整體呈現逐年上升的趨勢。

我校學生在“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽和全國機械創新設計大賽等各類比賽中能夠應用機器視覺技術，通過團隊協作創新取得國家級、省級獎項近十項。在大學生創新創業訓練項目和畢業設計中，也能夠獨立分析技術需求，根據機器視覺技術搭建視覺系統，進行圖像分析編程，同時解決實際工程問題。以學生為中心、以學生畢業要求達成為導向的“機器視覺技術”課程教學目標得以實現。

今后，我們將繼續深化課程改革，推動本科教學從“教得好”向“學得好”轉變，助力專業教學質量和人才培養質量的進一步提升。

參考文獻

[1]SPADY W. D. Outcome based education： critical issuses and answers[M]. Arlington， VA： American Association of School Administrators，1994：1-10.

[2]中國工程教育專業認證協會秘書處.工程教育認證通用標準解讀及使用指南（2018版）[S/OL].[2021-10-20].https：//www.ccf.org.cn/c/2018-11-05/654410.shtml.

[3]王中任，劉海生，秦濤.基于校企協同的應用型人才培養與VISION團隊模式[J].文教資料，2016（2）：106-107.

[4]王中任，劉海生，肖光潤，等.面向新工科的機器視覺技術課程建設研究[J].教育教學論壇，2018（50）：246-247.

Research on Curriculum Teaching under the Background of Engineering Education Professional

Certification： Taking “Machine Vision Technology” as an Example

ZHAO Rong-li， WANG Zhong-ren， XIAO Guang-run， CHEN Ke-peng

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Arts and Sciences， Xiangyang， Hubei 441053，

China）

Abstract： We analyze the current situation and shortcomings of Machine Vision Technology teaching under the background of engineering education certification. Guided by the concept of OBE professional certification， this paper studies and improves the curriculum objective setting， teaching content optimization， teaching organization and quality evaluation. Taking the series of application products developed by the team， the teaching content based on one visual hardware foundation and four visual application mainlines is optimized. For each main line， teaching processes such as product observation， client program demonstration， development routine debugging and image processing algorithm are designed to guide students’ ability to conduct analysis， demonstration and system design for typical applications in the field of machine vision， as well as the cultivation of modeling， prediction and simulation ability by using appropriate modern engineering tools in engineering practice， so as to support students to meet graduation requirements.

Key words： engineering education professional certification; machine vision; course teaching