基于本科生導(dǎo)師制的圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)改革與實(shí)踐

李暉　潘凡

摘要：針對(duì)工業(yè)4.0時(shí)代急切需要培養(yǎng)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)創(chuàng)新型人才的現(xiàn)狀，介紹圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)中采用的本科生導(dǎo)師制措施，并以武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，闡述地方高校培養(yǎng)智能科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新型人才的實(shí)踐教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：本科生導(dǎo)師制；圖像處理與機(jī)器視覺(jué)；綜合設(shè)計(jì)；創(chuàng)新性人才培養(yǎng)

0引言

人類已經(jīng)歷了3次工業(yè)革命，即蒸汽技術(shù)時(shí)代、電氣技術(shù)時(shí)代、信息技術(shù)時(shí)代。基于互聯(lián)網(wǎng)智能化技術(shù)的工業(yè)4.0時(shí)代正在到來(lái)。發(fā)達(dá)國(guó)家諸多行動(dòng)表明工業(yè)轉(zhuǎn)型將迎來(lái)大突破、大提速，世界各國(guó)都在搶占制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的高地。現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)高等教育提出了新的要求，而當(dāng)前人才培養(yǎng)方式和方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代的需求，急需探索適用于新時(shí)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)方法。

1本科生導(dǎo)師制的意義與宗旨

本科生導(dǎo)師制是在教師和學(xué)生雙向選擇的前提下，由具有較高學(xué)術(shù)水平的專職專任教師擔(dān)任本科生的學(xué)業(yè)導(dǎo)師，對(duì)本科生的學(xué)習(xí)態(tài)度、專業(yè)方向、學(xué)術(shù)興趣、職業(yè)規(guī)劃等方面進(jìn)行全過(guò)程指導(dǎo)的一種育人模式，是構(gòu)建“全員育人、全過(guò)程育人、全方位育人”長(zhǎng)效機(jī)制，深入推進(jìn)教育教學(xué)改革和服務(wù)學(xué)生全面發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。

2本科生導(dǎo)師制的具體工作職責(zé)

導(dǎo)師工作的重點(diǎn)是通過(guò)指導(dǎo)使本科生明確學(xué)習(xí)目的和成才目標(biāo)，幫助學(xué)生了解專業(yè)方向，因材施教，充分利用各種有效場(chǎng)合開(kāi)展個(gè)性化教育，從學(xué)生全面發(fā)展的角度對(duì)學(xué)生施行全過(guò)程的個(gè)性化教導(dǎo)，從而提高學(xué)校人才培養(yǎng)的質(zhì)量，其主要工作職責(zé)有以下幾個(gè)方面。

（1）學(xué)業(yè)先導(dǎo)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、興趣、愛(ài)好，指導(dǎo)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)方法，適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)要求，制訂符合學(xué)生實(shí)際情況的學(xué)習(xí)計(jì)劃，并對(duì)專業(yè)課程、專業(yè)學(xué)習(xí)進(jìn)度安排、發(fā)展方向選擇等進(jìn)行指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生明確目標(biāo)、端正學(xué)習(xí)態(tài)度、確立成才目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的能力。

（2）專業(yè)引導(dǎo)。指導(dǎo)學(xué)生了解本專業(yè)的基本情況、發(fā)展動(dòng)態(tài)、社會(huì)需求、前沿信息、發(fā)展趨勢(shì)和就業(yè)前景，了解本專業(yè)的人才培養(yǎng)模式和學(xué)業(yè)要求，為學(xué)生推薦專業(yè)學(xué)習(xí)課外輔導(dǎo)書籍，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣。

（3）學(xué)術(shù)指導(dǎo)。指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展課外讀書活動(dòng)、科學(xué)研究和實(shí)踐活動(dòng)，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)和信息檢索能力、社會(huì)實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的科研素養(yǎng)；支持學(xué)生進(jìn)入導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ还膭?lì)學(xué)生參與導(dǎo)師的科研課題研究，指導(dǎo)學(xué)生撰寫讀書報(bào)告、寫作論文；鼓勵(lì)學(xué)生參與各類競(jìng)賽活動(dòng)，并為有志繼續(xù)深造的學(xué)生提供方向指導(dǎo)。

（4）職業(yè)輔導(dǎo)。以良好的師德師風(fēng)和職業(yè)素養(yǎng)影響學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀；加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)輔導(dǎo)，積極培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)精神和創(chuàng)新思維。

3圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)改革

3.1圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)的教學(xué)現(xiàn)狀

圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)較為重要的一門實(shí)踐課程，該課程于大學(xué)三年級(jí)開(kāi)設(shè)。在開(kāi)始該綜合設(shè)計(jì)前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺(jué)、智能計(jì)算等課程。從專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)置的角度來(lái)說(shuō)，本科生在進(jìn)行該實(shí)踐課程時(shí)應(yīng)已掌握了較完備的圖像處理知識(shí)，可以在相關(guān)工具及開(kāi)發(fā)軟件的幫助下完成一些較為常見(jiàn)的圖像處理開(kāi)發(fā)工作。但經(jīng)多年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該課程還存在以下問(wèn)題。

（1）教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)。現(xiàn)行的課程教學(xué)更重視知識(shí)的傳授，偏重理論講授，對(duì)相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)較為輕視。同時(shí)，由于各門課程獨(dú)立開(kāi)設(shè)，多數(shù)任課教師信息溝通不及時(shí)，造成基礎(chǔ)類知識(shí)沒(méi)有講授到位或過(guò)度重復(fù)講授某個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)等問(wèn)題。

（2）開(kāi)發(fā)環(huán)境配置問(wèn)題。現(xiàn)行的課程教學(xué)基本沒(méi)有涉及開(kāi)發(fā)環(huán)境配置，等綜合設(shè)計(jì)開(kāi)設(shè)時(shí)再進(jìn)行講解及訓(xùn)練，較耽誤時(shí)間，導(dǎo)致圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)課程效率不高，課程大多數(shù)時(shí)間花費(fèi)在開(kāi)發(fā)環(huán)境配置及調(diào)試上面，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期算法訓(xùn)練的目標(biāo)。

（3）本科生自信心不足。圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)雖然開(kāi)設(shè)在大學(xué)第三年，但是大多數(shù)本科生對(duì)自我能力存在信心不足的問(wèn)題，認(rèn)為自身無(wú)法獨(dú)立承擔(dān)綜合設(shè)計(jì)要求的圖像處理開(kāi)發(fā)工作。這種心態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響綜合設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，讓多數(shù)本科生產(chǎn)生畏難情緒。

3.2圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)改革具體措施

首先，確立圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)三目標(biāo)：態(tài)度目標(biāo)、方法目標(biāo)、能力目標(biāo)。

其次，確立圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)三原則。

（1）開(kāi)放性原則，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的開(kāi)放性、學(xué)習(xí)方式的開(kāi)放性、實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)的開(kāi)放性。

（2）主體性原則，重視學(xué)生的主體參與，學(xué)生通過(guò)自身的研究活動(dòng)，不斷選擇、整合、構(gòu)建有價(jià)值的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并在體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中獲得發(fā)展。

（3）實(shí)踐性原則，學(xué)生通過(guò)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題一解決問(wèn)題一總結(jié)問(wèn)題”等研究性學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的吸收、運(yùn)用和建構(gòu)，逐步學(xué)會(huì)在探索中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、研究問(wèn)題和解決問(wèn)題。

此外，還需要確立圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)三階段。

第一階段：實(shí)驗(yàn)課題準(zhǔn)備階段。指導(dǎo)教師（包括本科生學(xué)業(yè)導(dǎo)師）與學(xué)生共同提出值得研究的課題方向；學(xué)生自主選擇研究課題；每個(gè)班級(jí)確定同一研究課題（如典型的車牌識(shí)別問(wèn)題），可以全班學(xué)生分成若干個(gè)課題研究小組；讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)難易不同的研究方案（如典型的車牌識(shí)別問(wèn)題可以選擇基于模板匹配算法或旋轉(zhuǎn)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等）；產(chǎn)生合理的課題實(shí)施方案，確定開(kāi)發(fā)環(huán)境，如Visual Studio、Matlab或基于OpenCV第三方開(kāi)發(fā)環(huán)境等。

第二階段：實(shí)驗(yàn)課題實(shí)施階段。每個(gè)課題研究小組至少確認(rèn)一位本科生學(xué)業(yè)導(dǎo)師，以協(xié)助學(xué)生制訂課題為目標(biāo)，經(jīng)歷國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)/技術(shù)資料收集、實(shí)現(xiàn)算法思想提煉、程序流程框圖設(shè)計(jì)、程序代碼編寫等過(guò)程。在互動(dòng)中將前期開(kāi)設(shè)的課程內(nèi)容轉(zhuǎn)換為可實(shí)際操作的內(nèi)容，讓學(xué)生在實(shí)際編程過(guò)程中完成算法思想的學(xué)習(xí)，并建立學(xué)術(shù)興趣，逐步優(yōu)化所提出的實(shí)驗(yàn)方案，獲得最佳實(shí)驗(yàn)效果。

第三階段：實(shí)驗(yàn)課題總結(jié)階段。以班級(jí)為單位進(jìn)行課題交流小結(jié)；教研室對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程的研究性學(xué)習(xí)開(kāi)展情況進(jìn)行總結(jié)與評(píng)價(jià)。

4圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐

圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)改革從2015年起開(kāi)始，共有兩屆學(xué)生參與（2012級(jí)、2013級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)），合計(jì)達(dá)100余本科生。參與圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐的教師有7位，均擁有博士學(xué)位，均為副教授。近三年的圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)課程考評(píng)分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表1可以清晰看出各個(gè)分?jǐn)?shù)段區(qū)間人數(shù)的分布情況。2011級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)91～100分區(qū)間，人數(shù)比例為4.2%，中位數(shù)主要落在71-80分區(qū)間；2012級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)91～100分區(qū)間，人數(shù)比例為16%，中位數(shù)主要落在81-90分區(qū)間；而2013級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)91-100分區(qū)間，人數(shù)比例為15.4%，中位數(shù)主要落在81～90分區(qū)間。縱向?qū)Ρ葋?lái)看（限于篇幅僅與201 1級(jí)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)情況對(duì)比），改革后，學(xué)生的積極性明顯提高，高分區(qū)間人數(shù)明顯增多，最終考評(píng)成績(jī)中位數(shù)也明顯上升。這表明，圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)改革取得初步成效。

參與實(shí)踐的百余名本科生，在各位本科生導(dǎo)師的指導(dǎo)下，除綜合設(shè)計(jì)課程分?jǐn)?shù)大幅提高外，在課外還延續(xù)著實(shí)踐課程上的興趣，繼續(xù)接受本科生導(dǎo)師的指導(dǎo)。這兩屆學(xué)生在2015、2016兩年內(nèi)，共有多名學(xué)生主動(dòng)參與課外學(xué)術(shù)活動(dòng)，獲得了一系列成果：有3位本科生參加“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽，并榮獲第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽決賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；有兩位本科生參加2016年全國(guó)“藍(lán)橋杯”決賽，獲得C++個(gè)人程序設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)2項(xiàng)；近兩年，本專業(yè)本科畢業(yè)論文榮獲湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文3篇；有1位本科生2016年在《武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)》公開(kāi)發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇；有3位本科生于2016年申請(qǐng)軟件著作權(quán)3項(xiàng)等。這表明本科生導(dǎo)師制對(duì)于提升學(xué)生課外學(xué)習(xí)積極性有正面效果，可以較大幅度提升學(xué)生的編程能力，提高學(xué)生學(xué)術(shù)興趣。

5結(jié)語(yǔ)

本科生導(dǎo)師制不僅是一種教學(xué)形式的變化，更是教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)的變革，是一種“學(xué)習(xí)的革命”。基于本科生導(dǎo)師制的圖像處理與機(jī)器視覺(jué)綜合設(shè)計(jì)改革的目的在于，改變傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，本科生單純接受教師傳授知識(shí)為主的維持性學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生構(gòu)建開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境，提供多種渠道獲取知識(shí)，并將學(xué)到的知識(shí)加以綜合運(yùn)用于實(shí)踐，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和編程能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的教師中心、課堂中心、書本中心的超越。本科生導(dǎo)師制提供的多樣性外部刺激大大有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取、保持與建構(gòu)，從而有助于激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)，提高學(xué)生的信息重構(gòu)能力。

（編輯：孫怡銘）