新工科背景下機器視覺課程的問題式教學法改革

蔣大成，陳超波，馬天力，趙素平，朱楠

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西西安 710021）

為積極推進新工科建設，高校積極探索，開設了大量新工科專業[1]。西安工業大學電信學院2019年開設了機器人工程專業并開始招生。作為面向新興產業的新工科專業，機器人工程專業設置了大量全新設計的課程，課程內容更新、更貼近新興產業的實際需要，能夠幫助畢業生更好更快地進入新興產業工作[2-3]，機器視覺是機器人工程專業新開設的課程之一。

相較于傳統專業，新工科專業更注重工程實踐[4]。在傳統課程教學中，實踐部分是圍繞理論知識部分設計的，與新工科專業的適應性不強[5]。與此同時，高度面向應用的新工科課程也需要大量引入最新工程技術和知識，課程大綱和教學內容需要更快速地更新[6-7]，新工科專業課程的教學方法亟待改善。

1 機器視覺課程中傳統教學法存在的問題

1.1 學生難以掌握理論知識

機器視覺課程分為理論部分和實踐部分，主要教學方式為講授和實驗。為了符合新工科課程的特點，滿足新工科專業的畢業要求，在課程設計中增加了大量其他同類課程沒有的新知識點，以及近十年內發現的新方法與新算法。但根據學生的反饋，部分理論知識點難以理解。同時，由于新開設課程內容的技術較新，知識點相較于經典課程更加分散，知識點相互之間的聯系較少。受課時限制課內實驗無法完全覆蓋課程理論部分，導致部分理論知識點沒有實驗支撐，學生較難理解。

1.2 在實踐環節學生難以結合實際情況運用知識

盡管進行了教學設計，機器視覺課程目前仍然缺少新的教學模式，學生獨立思考的空間較小。教學理論與實踐脫節，大大影響了教學效果與教學質量。學生對于課程內知識點的掌握不足，無法將理論知識點與實踐教學部分有效銜接，缺乏舉一反三的能力，也無法將所學知識遷移至實際應用中。

2 改革思路與方法探索

2.1 以啟發式教學為中心思想

針對上述傳統教學法在新工科課程中存在的問題，課程改革的方案以啟發式教學為主導。啟發式教學法是從學生的實際出發，以啟發學生的思維為核心[8-10]。啟發式教學法可以充分調動學生學習的積極性和主動性，在新工科課程中使學生能夠更主動地掌握實際應用的知識與實踐技能，滿足新工科專業畢業目標要求。

2.2 問題式教學法的應用

在機器視覺課程中，比較適合的啟發式教學法為問題式教學法（Problem Based Learning,PBL）。問題式教學法即教師提出某一個學習問題，引導學生解決并從中獲取解決問題的經驗；然后教師再提出與前述問題有關的問題，進一步引導學生逐步解決，從而形成整體知識體系[11]。一套適合新工科課程的啟發式教學法可以通過設置合適的學習問題，調整教學內容的順序，調動學生的學習積極性，同時可以幫助學生將零散的知識點聯系，形成體系化的知識[12]。

在傳統的問題式教學中，問題設置需要非常高的技巧。問題需要一環扣一環，每個問題均需要吸引學生的注意力，一旦某一個問題并未引起學生的興趣，問題鏈條就會斷裂，導致后續問題均無法起到啟發學生思維的作用。問題的設置需要精心設計和反復迭代與調整，才能與教學內容較好地配合，故而比較適合內容偏基礎、教學大綱改動不大的課程。

新工科課程需要與實際應用深度融合，基于當前高速發展的新技術應用環境，課程內容需要與時俱進，快速更新，盡可能把更多最新的工程技術在課程中體現，故需要高頻次地修改課程大綱和更新課程內容[13]。對于授課內容快速變化的課程，教師需要圍繞新技術的更新換代以及多學科融合應用的特點設置問題，啟發學生思考，激發學生自主學習的積極性。

2.3 兩級問題設置

在新工科課程內容快速迭代的背景下，教師可以對傳統的問題式教學法做出調整。在機器視覺課程中，可以采用多線、兩級式的問題式教學法。兩級式問題教學法將學習問題分為主線問題和次級問題。主線問題是以應用目標為導向的大問題，起導向作用，用于激發學生的學習興趣。圍繞工程應用中的若干關鍵技術，可以根據應用需求設置多個主線問題。與自頂向下的傳統教學方法不同，主線問題的抽象程度可以很低，一般為圍繞應用需求的某一個需要解決的具體問題。由于實際生產研究環境的問題客觀存在，主線問題一般無須做較大的調整。教師可以精心設計問題，以有效吸引學生的興趣。以主線問題為前提，教師通過引導學生對主線問題進行預先設計的分解，使學生關注次級問題。次級問題一般為主線問題的延伸或者分步驟的更為細化的問題。對學生來說，次級問題是解決主線問題的一部分，或是解決主線問題后對具體主線問題的一般化擴展中所需額外解決的問題。相對于主線問題，次級問題抽象級別會提高很多，問題一般性更強。學生通過對于次級問題的探究，可以加深對次級問題相關知識點的理解。同時，由于次級問題一般性較強，學生也可以對整個知識體系有系統性理解，進而提升知識遷移能力。

2.4 實踐與理論相結合

機器視覺是注重實際應用的課程，學生需要通過實驗來驗證所學的理論知識，同時獲得運用知識的經驗與能力[14-15]。在傳統教學設計中，理論部分和實踐部分割裂，學生無法高效和深入地理解所學知識。對于該課程的教學改革，可以通過調整理論與實踐教學的內容、順序與比例等，在啟發式教學與問題式教學背景下將理論知識和實踐應用有機結合，在教學過程中模糊理論與實踐的區別，以問題為導向，讓學生更深刻地理解理論知識與提高實踐能力。

3 教學改革案例

機器視覺課程是新工科機器人工程專業的核心課程。基于學生初期實踐經驗不足的情況，教師在授課過程中需圍繞關鍵技術問題引入問題式教學，引導學生梳理問題，在逐步解答問題的過程中深入理解和掌握知識點。

課程中兩個典型的主線問題為“如何通過視覺方式識別產線上的易拉罐？”和“怎么識別道路中的障礙物？”圍繞主線問題，設置了多個次級問題。表1 列出了機器視覺課程中具體案例的主線問題、次級問題，以及對應的知識點。

表1 機器視覺課程中典型的問題與對應知識點

“如何通過視覺方式識別產線上的易拉罐”作為主線問題之一，可以引導學生對問題進行分解，引出為了解決主線問題所需要解決的三個次級問題：“怎么在程序中處理圖像”“如何識別物體輪廓”和“如何通過物體輪廓識別特定物體的形狀”，這三個較為一般的次級問題對應主線問題的分步解決步驟，同時分別對應了“圖像的表達與性質”“卷積計算與角點檢測”和“霍夫變換”的知識點。

主線問題之二“怎么識別道路中的障礙物”，可以按解決步驟分解為兩個次級問題：“對于無法進行確定性描述的圖像特征如何處理”和“如何在無確定物理意義的參數中提取有效信息”。與此同時，次級問題“如何在無確定物理意義的參數中提取有效信息”作為一般性問題，可以有效延伸對應知識點“卷積神經網絡”的廣度，引出“LeNet”網絡等可以解決其他類似主線問題的知識點，幫助學生全面掌握大綱所列的知識點。

對于課程內容需要頻繁更新的情況，在主線問題不變的情況下，根據大綱要求的知識點的變化，改變對應的次級問題，保持在能夠解決主線問題的基礎上動態調整所學知識點。這可以保證在不更改精心設計的主線問題、使學生保持學習興趣的前提下，快速對授課內容進行調整和更新。

4 結語

本文對機器視覺課程進行了課程改革和探索。通過使用啟發式教學思想與問題式教學方法，彌補了當前課程講授過程中存在的不足，激發了學生的學習興趣，提升了教學質量和效果。兩級式問題教學方法的創造與改進解決了問題式教學法在內容快速更新的課程中應用的難點，使得在高迭代的新工科應用型課程中也可以較高質量地應用問題式教學法。改革后的機器視覺課程可以快速迭代最新的工程知識，同時使學生在問題的引導下將理論學習與實踐應用相結合，提升教學效果，將學生培養成為新工科行業所需人才。