研究生機器視覺課程的CDIO教學改革實踐

史金龍　白素琴　龐林斌　錢強

摘要：闡述基于CDIO的機器視覺研究生課程教學改革實踐方法，提出通過開展實踐式教學、創建實習實驗室、設計真實的教學環境等教學改革手段，加強教師素質培養與團隊建設。實踐證明，該改革方法能夠改善課程教學效果，提高研究生科研能力。

關鍵詞：機器視覺；CDIO；教學改革；研究生教學

我國的研究生教育經過擴招后，質量出現了嚴重下滑的現象，研究生教育改革勢在必行。為提高研究生教育質量，課程體系改革是中心工作。傳統的教育模式主要是教師主動傳授，學生被動接受。這種教育方式已不適應當前人才培養需要，因此必須逐步改變傳統教育模式，探索適合中國教育特色的研究生培養路線，實踐證明CDIO是培養創新型人才的可行之路。本文以研究生機器視覺課程為試點，探索CDIO模型下的研究生教學改革方案。

1.機器視覺課程特點

隨著數字圖像處理、人工智能技術的快速發展，機器視覺應用越來越廣泛。機器視覺成為了信息相關專業研究生的一門重要選修課，該課程涉及信息處理、計算機、機器人、人工智能等眾多領域。機器視覺從信息處理的層次研究視覺信息的認知過程，包括視覺處理中的方法、理論及信息描述等。該課程具有以下兩個特點。

1）理論抽象，內容廣泛。

機器視覺涉及圖像處理、模式識別、機器學習等多個學科領域，所涉及的內容數學表達抽象、內容廣泛、算法繁多，學生難以理解。

2）與工程應用結合緊密，實踐性強。

這門課程知識體系的構建源自各種特色專業應用領域。在工業中，特別是在各種生產線上，視覺產品應用非常廣泛。只有讓研究生經歷大量的工程項目設計與實現，才能深切體會各種機器視覺算法和技術的功能及作用。

2.CDIO教育模式

隨著經濟、科技高速發展，全球面臨工程人才短缺和工程教育質量問題。為了培養符合企業需求的人才，麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所大學經過多年探索、研究，創立了CDIO工程教育模式，并成立了CDIO國際合作組織。CDl0教育模式是構思（conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）4個英文單詞的縮寫。

（1）構思要求學生根據所掌握的專業知識基本原理，確定個人未來的發展方向。

（2）設計是以產品規劃與設計為核心，通過產品研發，解決某個具體問題。

（3）實現是以制造或建造為核心，鞏固學生所掌握的專業知識，提高實踐能力，形成一體化的課程實踐。

（4）運作是產品應用的各個環節。該環節將學生能力培養貫穿于從產品研發到運行的整個生命周期中。通過系統的產品設計與研發，提高學生的專業技術水平，培養學生個人能力、職業能力、態度、團隊工作和交流能力等。

CDIO代表了一種工程教育理念，它是“基于項目教育和學習”及“做的過程中學習”的抽象表達和集中概括，強調通過密切聯系產業培養學生的綜合能力。燕山大學、清華大學、汕頭大學等多所高校進行了CDIO教育模式試點改革，并取得較好的成效。

3.基于CDIO的“機器視覺”教學改革

本課題組借鑒國內外高校在CDIO教學改革方面的經驗，重新審視了江蘇科技大學研究生教學中機器視覺課程的不足之處，參照CDIO教育模式，結合江蘇科技大學特點制定了基于CDIO的機器視覺教學改革方案。江蘇科技大學研究生來自全國各地，部分學生是非計算機專業出身，知識水平及應用能力差距較大；同時，該課程內容涉及廣泛、綜合性強，需注重實踐能力的培養，這些都給教學帶來了困難。

3.1加強教師素質培養與團隊建設

CDIO模式的實施需要教師深刻理解CDIO模式的理念，具備豐富的工程實踐經驗，并能長期與企業在各個工業領域開展合作，因此，江蘇科技大學作出關于培育CDIO模式師資力量的計劃。首先，讓青年教師到企業掛職鍛煉，了解企業實際需求及工業的相關技術發展；其次，與企業簽訂合同，讓教師參與企業產品研發，提高教師工程實踐能力；再次，將教師企業掛職經歷、參與企業合作研發產生的效益等作為晉職的考核指標之一。

本次教學改革打破傳統系、教研室的觀念，組建復合型“機器視覺”教學科研團隊。該團隊以機器視覺課程為主線，吸收數學、計算機語言、軟件工程等基礎課，工業控制、機器人學、人工智能、模式識別、機器學習等專業課，實現機器視覺課程和相關專業課程的融合，促進機器視覺與相關專業知識的互相滲透和有機結合，實現教師及實驗資源的合理使用。

同時，學校要求本課題中從事機器視覺教學的教師，不僅從事機器視覺課堂教學，而且必須參與相關項目，從事實際項目設計、開發、測試等工作。目前，江蘇科技大學的機器視覺教學科研團隊，已與企業合作承擔了若干與機器視覺相關的項目。通過參與項目的實際開發，提高了教師的教學科研能力，同時為CDIO模式的有效實施創造了有利條件。

3.2開展講座式、討論式、實踐式教學

本次教學改革將機器視覺的教學內容分割成濾波器、特征提取與匹配、圖像分割、圖像匹配、目標跟蹤、光流、三維重建、缺陷檢測等若干研究主題。針對每個主題設計項目，教師圍繞項目進行講授，讓學生理解每個項目的目標、任務、所涉及的基礎知識、開發項目的基本過程。

在課堂教學中，教師采用提問式教學方法，激發學生的討論熱情，鼓勵學生自發的討論問題。

項目實施過程中，將3-5名學生分為1組，每組同學選擇并完成不同的項目，達到將所學理論融入科研實踐的目的。學校鼓勵學生完善所做項目，積極參加大學生“挑戰杯”、機器人大賽、電子設計競賽等各種科技競賽，增強學生就業創新能力。

最后，組織學生進行課題討論，提煉總結創新成果，并要求學生提交計劃、分析、設計、開發、測試等創作文檔。通過項目創新設計思路的描述和分析討論，使學生將機器視覺課程與專業課程體系有機地結合起來，深入消化、吸收所學知識，理解、掌握科研創新的方法及過程，激發實踐創新興趣。

3.3創建實習實驗室，設計真實的教學環境

CDIO教育體系旨在培養高素質的工程技術人員，注重將教學項目的全過程放在真實的產品開發環境中。江蘇科技大學非常注重教學工廠型實習基地建設，課題組抓住洽談機器視覺項目的契機，與符合專業發展方向的機器視覺企業建立了校企合作機制，創建了符合教學要求的產品研發實習實驗室。產品研發實習實驗室既是教室又是實驗室，真正做到“教學和實踐合一”。課程教學時，讓學生在實驗室中產品開發的實際環境下進行實訓、研究。學生在實踐中學習，學習中實踐，有利于其構建扎實的“機器視覺”知識體系。

在產品研發實習實驗室中，要求學生嚴格按照企業規定進行實際產品研發，例如產品開發中的需求分析、概要設計、詳細設計、軟件編碼、測試等工作要嚴格按照需求執行，要有相應的技術文檔。這樣有利于學生在真實的產品研發過程中掌握技術規范、工程化研發思想及相應的專業技能。

教師參與產品開發，可將教師的最新研究成果應用于企業，也可通過企業的實際需求帶動教師的科研工作。在此過程中教師能更好地指導學生，與學生形成默契的合作關系。

另外，課題組將公司的企業文化及管理思想引入實習實驗室教學環節中，讓學生在企業環境下掌握管理知識、學習管理經驗、養成良好的職業素養，做到企業運營與教學管理的真正融合。通過這樣的教學形式，培養真正適合企業需要的人才。

3.4培養學生合作精神，增強學生團隊意識

“合作精神”與“團隊意識”是CDIO教育理念精髓所在。社會的進步與現代企業發展的趨勢都對高校人才“合作精神”與“團隊意識”的培養提出了迫切要求。但中國人內斂的傳統自我意識使學生之間缺乏交流與合作，以考試為中心的應試教育忽略了對學生“合作精神”與“團隊意識”的培養，獨生子女問題導致部分學生自我思想較重，缺乏相互理解、寬容、謙讓的精神。

因此，為了培養學生的“合作精神”與“團隊意識”需要學生將所學的專業知識運用到團隊課題中，在課題中實踐合作精神，培養團隊意識。實踐教學作為研究生教學環節中重要的組成部分，是培養學生實踐及創新能力的重要途徑，更能將“團隊意識”的培養落到實處。

在機器視覺課程中，安排4～5名學生組成小組，完成項目作業，每人承擔項目的不同部分，最后以組為單位提交設計、開發報告，讓學生逐一匯報自己的工作，進行項目總結交流與經驗分享。這種方式即拓展了學生的知識，又培養了學生的語言表達、溝通協調等能力。

機器視覺類項目以算法為主，需要通過軟件編程實現，在實際項目開發中通常采用VSS（Visual Source Safe）源碼版本控制軟件進行團隊開發管理。教學中，學生的項目計劃文檔、需求分析文檔、軟件設計文檔、算法源代碼、測試文檔等均通過VSS服務器實現共享管理，以便學生從項目中學會計劃、協調、溝通，提高學生的組織和團隊合作能力。

學生最終的成績以小組共同開發的軟件為評分依據，同組組員得分相同。通過項目調動學生的主觀能動性，增強與他人的合作精神，培養團隊意識。

4.教學效果評價體系

為了客觀地評價CDIO教育模式的教學效果，發現教學過程中的問題，制定教學完善措施，需要建立一套科學的教學效果評價體系。在CDIO模式中，除了評估學科基礎知識、基本技能之外，也要評估學生個人的人際交往技能以及產品研發過程控制和系統構建技能。

本課題組使用以下方法衡量學生是否達到預期學習效果。

（1）筆試。評價學科基礎知識、基本技能的掌握程度。

（2）口試。項目完成后，每個學生都要闡述產品的計劃、分析、設計、編碼、測試等產品開發過程，以評價學生創新、思維、表達、團隊協作等綜合能力。

（3）軟件演示。將每個項目小組開發的軟件進行展示，由多名教師聯合評估打分，并提出反饋意見，以便后期改進。

通過測評，評估學生的綜合能力，并發現教學過程中的問題，以便在下個教學階段進行完善。

5.結語

本課題通過CDIO教育模式與機器視覺課程相結合，將教師、學生與企業緊密聯系在一起，將教學項目的全過程置于真實的產品開發環境中，提出針對機器視覺課程的具體措施和建議。實踐證明，采用這種教學方式提高了研究生的教育質量，是對今后培養符合社會需要的高素質工程技術人員的一次有益嘗試。

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（編輯：趙廓）