面向新工科的機(jī)器視覺課程建設(shè)與改革實(shí)踐

李策，唐崢巖

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，給高等教育帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。然而當(dāng)前機(jī)器視覺課程教學(xué)中存在許多問題，如教學(xué)平臺陳舊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不夠靈活、綜合性實(shí)驗(yàn)效果差等，這些問題影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，越來越多的教育工作者開始探索新的教學(xué)模式和教學(xué)手段，以提高學(xué)生的編碼能力和實(shí)踐能力。

本文提出了一種基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的教學(xué)模式，該模式以機(jī)器視覺與邊緣計(jì)算應(yīng)用為主要內(nèi)容，以提高學(xué)生編碼能力為主要目標(biāo)。在教學(xué)過程中，采用了“授課-實(shí)驗(yàn)-討論”層次分明的教學(xué)模式，構(gòu)建了一套教學(xué)平臺，充分利用云服務(wù)器等技術(shù)手段，構(gòu)建合適的環(huán)境，并采用有效的評分機(jī)制對學(xué)生的課后練習(xí)進(jìn)行評級。此外，將“課程思政”[1]元素融入教學(xué)中，挖掘?qū)I(yè)課程中的育人資源，以促進(jìn)各類課程與思想政治理論課的交叉融合。通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該教學(xué)模式能夠有效提高學(xué)生的理論與實(shí)踐結(jié)合能力，明顯改善了教學(xué)質(zhì)量。本文旨在探討該教學(xué)模式的特點(diǎn)、實(shí)踐效果和存在的問題，并為機(jī)器視覺課程的教學(xué)和實(shí)踐提供一些參考和借鑒。

1 機(jī)器視覺課程特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

機(jī)器視覺是一門蓬勃發(fā)展的交叉學(xué)科[2-3]，涉及計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容相對較為復(fù)雜，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、目標(biāo)檢測、目標(biāo)識別、邊緣計(jì)算等多個(gè)方面。課堂教學(xué)以講授各部分內(nèi)容的算法為主，尤其是各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，初學(xué)者理解起來較為困難。然而，機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些問題，如學(xué)習(xí)門檻高、內(nèi)容不易理解、學(xué)生編程能力差、實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺缺乏智能性等，限制了學(xué)生對機(jī)器視覺知識的掌握和應(yīng)用能力。因此在機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要采用有針對性分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，以幫助學(xué)生更好地理解和掌握該學(xué)科。

為了提高機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，學(xué)者們已經(jīng)嘗試了多種方法和策略，如基于翻轉(zhuǎn)課堂[4]、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、基于混合式學(xué)習(xí)[5]和項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)改革、注重編程能力培養(yǎng)、基于微信平臺[6]的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以及引入ACM 機(jī)制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。這些方法和策略在一定程度上緩解了機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

機(jī)器視覺課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的復(fù)雜程度與課程難度密切相關(guān)。目前，機(jī)器視覺課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置缺乏針對性。當(dāng)前的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式通常是根據(jù)課程教學(xué)大綱的要求，對機(jī)器視覺課程知識進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)與分析驗(yàn)證。由于缺乏區(qū)分不同專業(yè)培養(yǎng)需求的考慮，實(shí)驗(yàn)題目難度的不平衡性，難以滿足不同基礎(chǔ)學(xué)生的需求，基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程中往往難以理解和完成實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生畏難情緒；而基礎(chǔ)好的學(xué)生則很容易完成這些實(shí)驗(yàn)題目，卻無法得到充分的挑戰(zhàn)和提高。2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺缺乏智能性。目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺通常只能對學(xué)生提交的代碼進(jìn)行簡單的結(jié)果評測，無法對代碼的質(zhì)量、可讀性和語法結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢查和評估。此外，由于老師只能通過批閱紙質(zhì)報(bào)告來了解學(xué)生是否掌握了某個(gè)知識點(diǎn)，批閱過程耗時(shí)且容易出錯(cuò)。3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)課下討論還停留在簡單的群交流。非上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)間段，學(xué)生編程遇到問題只能通過在已建立的交流群中提問，由于問題數(shù)量龐大，老師往往不能做到及時(shí)回答每一個(gè)學(xué)生的問題，答案也無法得到充分的討論和深入的解析。

針對以上問題，本文構(gòu)建了一套基于MOOC的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺的使用對象是中國礦業(yè)大學(xué)（北京）計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生。學(xué)生可以根據(jù)自己的基礎(chǔ)水平選擇不同的課程進(jìn)行學(xué)習(xí)，并隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和測驗(yàn)。課程設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生先消化課程提供的案例和實(shí)驗(yàn)，在結(jié)合教材推薦的實(shí)驗(yàn)練習(xí)的過程中深度理解機(jī)器視覺常用算法原理和Open-VINO 的使用方法。該教學(xué)模式突破了傳統(tǒng)，近一半的時(shí)間介紹了OpenVINO 的實(shí)際應(yīng)用，并強(qiáng)調(diào)動手實(shí)踐，讓學(xué)生在實(shí)踐中鞏固所學(xué)知識。此外，學(xué)生和教師都可以登錄討論區(qū)進(jìn)行提問和回答，學(xué)生之間也能直接進(jìn)行交流，老師可以對問題及時(shí)更正或解答，方便后續(xù)有重點(diǎn)的集中講解和調(diào)整教學(xué)方式。教學(xué)平臺具有很好的實(shí)用性和互動性，為學(xué)生提供了一種全新的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)體驗(yàn)，有望為機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的思路和方法。

2 實(shí)踐方法——教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

為了更有針對性地開展計(jì)算機(jī)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，平臺采用了以MOOC 為授課方式的教學(xué)模式（見圖1）。該教學(xué)模式采用授課-課后檢驗(yàn)-考試的方式，旨在讓學(xué)生熟悉目標(biāo)檢測的常用算法，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用OpenVINO平臺，實(shí)現(xiàn)典型的機(jī)器視覺應(yīng)用，同時(shí)也讓能力較強(qiáng)的學(xué)生在此基礎(chǔ)上做出更具創(chuàng)新性的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用了阿里云的天池云環(huán)境，該環(huán)境可以基于開源版本深度優(yōu)化學(xué)習(xí)過程，具有多元的工業(yè)場景實(shí)驗(yàn)案例，便于學(xué)習(xí)。此外，平臺還可免費(fèi)使用大規(guī)模并發(fā)GPU&CPU 資源，以提升實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生在使用平臺時(shí)，代碼思路全程可視化，避免了不同代碼環(huán)境導(dǎo)致的兼容性問題。

圖1 以MOOC為授課方式的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

2.1 課程模塊

機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的課程分為“基礎(chǔ)-進(jìn)階-提升”三個(gè)層次，每個(gè)層次都包含不同難度的編程實(shí)驗(yàn)。“基礎(chǔ)層次”考慮了學(xué)生們的Python基礎(chǔ)和教學(xué)任務(wù)，對應(yīng)了較為簡單的實(shí)驗(yàn)題目。“進(jìn)階層次”則在實(shí)驗(yàn)難度上進(jìn)行提高，適用于在基礎(chǔ)課程鞏固消化后，想要更深層次了解算法結(jié)構(gòu)的學(xué)生。“提升層次”不僅在編程難度上進(jìn)行提高，同時(shí)要求學(xué)生對代碼進(jìn)行優(yōu)化，在對算法優(yōu)化的過程中進(jìn)行自我提升，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

對于無基礎(chǔ)或基礎(chǔ)較差學(xué)生，可以從“基礎(chǔ)層次”的實(shí)驗(yàn)題目開始做起，掌握機(jī)器視覺的層次架構(gòu)。對于基礎(chǔ)良好、早已接觸過機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)生，要適當(dāng)引導(dǎo)和開發(fā)有潛力的學(xué)生去做出創(chuàng)新，在已有的數(shù)據(jù)模型上進(jìn)一步優(yōu)化，逐漸挑戰(zhàn)“進(jìn)階層次”和“提升層次”的題目。反復(fù)對知識點(diǎn)強(qiáng)化以及深度理解，提高學(xué)生思維能力，對后續(xù)學(xué)習(xí)其他專業(yè)知識都有很大的幫助。

2.2 隨堂檢驗(yàn)?zāi)K

課程設(shè)置了隨堂檢驗(yàn)?zāi)K，在每單元課程后，包含文檔和隨堂檢驗(yàn)。文檔涵蓋了課程中的重要知識點(diǎn)，學(xué)生可以結(jié)合課程內(nèi)容進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)，提高課程的便利性。課外補(bǔ)充材料（見圖2）可以引起學(xué)生對機(jī)器視覺的深思和討論，提高學(xué)生的興趣度。隨堂檢驗(yàn)?zāi)K則是學(xué)生進(jìn)行自我檢測，老師可以根據(jù)學(xué)生的正確率來判斷哪些知識點(diǎn)掌握得較為薄弱，以此進(jìn)行重點(diǎn)講解，提高教學(xué)的有效性和目的性。

圖2 課外補(bǔ)充材料示例

2.3 課后作業(yè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊

傳統(tǒng)的機(jī)器視覺上機(jī)課程通常要求學(xué)生到機(jī)房完成實(shí)驗(yàn)題目，時(shí)間和進(jìn)度都是自主控制的。而采用MOOC教學(xué)方式，老師可以為學(xué)生提供了更好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，避免了兼容性問題，通過課后作業(yè)的形式鞏固學(xué)生對機(jī)器視覺課程所學(xué)內(nèi)容的理解。相較于傳統(tǒng)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課程，更加注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，讓學(xué)生在掌握基本理論知識的同時(shí)，能夠通過實(shí)踐加深對知識的理解和應(yīng)用。MOOC 課程還為學(xué)生提供了更加靈活的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間安排和學(xué)習(xí)進(jìn)度完成課程內(nèi)容，從而更好地掌握知識。

課后作業(yè)包括選擇題和編程實(shí)驗(yàn)題，支持不同編程語言，幫助學(xué)生深入理解課程內(nèi)容。老師可以通過查看學(xué)生提交的狀態(tài)信息，包括學(xué)號、姓名、排名、成績和最優(yōu)結(jié)果提交時(shí)間，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。使用天池云作為虛擬環(huán)境，可以查看學(xué)生代碼的運(yùn)行時(shí)間和資源消耗，方便進(jìn)行代碼調(diào)試和優(yōu)化，同時(shí)，學(xué)生也可以定位代碼出錯(cuò)的位置和具體原因。在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)秀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法可以優(yōu)化程序運(yùn)行時(shí)間，讓學(xué)生思考更優(yōu)的程序算法。

2.4 討論模塊

基于MOOC 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為學(xué)生提供了一種高效的互動式學(xué)習(xí)方式，使他們能夠更快地得到問題的答案，并拓展對問題的多角度思考。同時(shí)，這種教學(xué)方式也能減輕老師的工作負(fù)擔(dān)。

平臺對題目設(shè)置了專門的討論機(jī)制，學(xué)生可以在討論區(qū)發(fā)起主題，描述遇到的問題并等待回答。簡單的問題學(xué)生之間可以互相解答，老師只需要查看學(xué)生回答正確與否，或者有針對性地回復(fù)難題。如需深度討論，可以再發(fā)帖，等待同學(xué)或者老師的回答。相對于傳統(tǒng)的機(jī)器視覺教學(xué)平臺，以MOOC為授課方式的實(shí)驗(yàn)平臺更強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)和交流，學(xué)生能夠更加積極地參與課程中。這種教學(xué)方式不僅提高了學(xué)習(xí)的效率，還能夠提高學(xué)生的自我思考能力和解決問題的能力。

此外，基于MOOC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺還可以隨時(shí)討論問題（見圖3），這為學(xué)生提供了更加便捷的學(xué)習(xí)方式和更多交流的機(jī)會。通過這種方式，學(xué)生能夠更好地掌握知識，更好地理解機(jī)器視覺技術(shù)的前沿和應(yīng)用，更好地解決實(shí)踐中遇到的問題。同時(shí)，這種教學(xué)方式也對老師的教學(xué)能力提出了更高的要求，需要老師更好地掌握課程知識，更好地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

圖3 討論模塊示例

3 結(jié)束語

在課堂教學(xué)中，融入思政教育能夠讓學(xué)生更好地理解機(jī)器視覺技術(shù)的社會價(jià)值和意義，增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感和使命感。通過課堂討論、案例分析和實(shí)踐操作等教學(xué)方式，學(xué)生能夠更加深入地了解機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用場景和影響，同時(shí)也能夠更好地認(rèn)識到技術(shù)發(fā)展對社會的影響，有利于學(xué)生形成正確的技術(shù)倫理觀和社會責(zé)任感。

融入課程思政的機(jī)器視覺課堂教學(xué)和基于MOOC的機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)平臺的出現(xiàn)，不僅在技術(shù)層面提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和編碼能力，還在思想層面引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，具有重要的教育意義。這種教學(xué)方式有助于培養(yǎng)具備高度社會責(zé)任感和創(chuàng)新能力的優(yōu)秀人才，為機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。