開放式實(shí)驗(yàn)在光電測(cè)試教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

劉震

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

高校教學(xué)工作是一項(xiàng)影響因素多、涉及面廣、非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。 而影響高校教學(xué)質(zhì)量最主要的三個(gè)核心要素是學(xué)生、教師和教學(xué)課程。其中高校教學(xué)課程建設(shè)，尤其是專業(yè)課程建設(shè)是確保高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的最重要的教學(xué)工作，其對(duì)提高高校教學(xué)質(zhì)量具有十分重要的意義。在本科教學(xué)課程的建設(shè)上，高校教育工作者進(jìn)行了大量的教學(xué)改革嘗試[1-7]，尤其是在光電測(cè)試類教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)部分[8-10]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的不足

光電測(cè)試技術(shù)是從事儀器儀表、 光電工程等領(lǐng)域工程技術(shù)人員需要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容之一。 尤其是隨著圖像傳感器在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用， 光電測(cè)試相關(guān)知識(shí)已經(jīng)變得越來越重要。 《光電測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)》是大學(xué)三年級(jí)的專業(yè)必修課， 主要講授光電測(cè)試基本原理、技術(shù)以及應(yīng)用等方面內(nèi)容。該課程也開設(shè)了實(shí)驗(yàn)課程，包括了“實(shí)驗(yàn)1：縫寬或間隙的衍射測(cè)量實(shí)驗(yàn)””實(shí)驗(yàn)2：微孔直徑的衍射測(cè)量實(shí)驗(yàn)””實(shí)驗(yàn)3：基于立體靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)””實(shí)驗(yàn)4：基于交比不變的標(biāo)定點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)”。 但在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生們完全按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書操作實(shí)驗(yàn)， 并沒有真正理解實(shí)驗(yàn)的目的、原理和方法，成了參觀式、說明書式的實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)創(chuàng)新——開放式的實(shí)驗(yàn)

針對(duì)以上問題， 該文設(shè)計(jì)了一種開放式的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，自由設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，最后通過PPT 形式報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1 保持經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生更好理解光電相關(guān)知識(shí)

“實(shí)驗(yàn)1：縫寬或間隙的衍射測(cè)量實(shí)驗(yàn)”和”實(shí)驗(yàn)2：微孔直徑的衍射測(cè)量實(shí)驗(yàn)” 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是課程中干涉與衍射內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要復(fù)雜儀器來完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是一個(gè)非常成熟的實(shí)驗(yàn)。 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書詳細(xì)地列出了實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中詳細(xì)步驟可以在一個(gè)相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到學(xué)習(xí)和鍛煉的目的，因此這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)被保留下來。

2.2 增加開放式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析并解決問題

“實(shí)驗(yàn)3：基于立體靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”和”實(shí)驗(yàn)4：基于交比不變的標(biāo)定點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)”是課程中視覺測(cè)量部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)不需要復(fù)雜的大型設(shè)備，學(xué)生可以自己獨(dú)立完成。 原來的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書詳細(xì)地給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)記錄內(nèi)容。但這種實(shí)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的過程中完全是按照一個(gè)流程來操作實(shí)驗(yàn)，而沒有得到發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的鍛煉。同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也相對(duì)老舊，無法代表視覺測(cè)量的最新成果。為此筆者針對(duì)這部分進(jìn)行了改革。首先我們查閱了國(guó)內(nèi)外最新的研究成果，并結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)最新的研究成果將“實(shí)驗(yàn)3：基于立體靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”和“實(shí)驗(yàn)4：基于交比不變的標(biāo)定點(diǎn)提取實(shí)驗(yàn)”修改為”實(shí)驗(yàn)3：基于平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”和”實(shí)驗(yàn)4：基于視覺測(cè)量的球直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)”。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)3：基于平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

攝像機(jī)標(biāo)定是視覺測(cè)量最基礎(chǔ)、最核心的知識(shí)點(diǎn)。張正友的基于棋盤格靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定方法是目前最重要的攝像機(jī)標(biāo)定方法。 相比原先實(shí)驗(yàn)的基于立體靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定具有標(biāo)定精度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。因此我們將實(shí)驗(yàn)3 改為基于平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。這有助于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)到最新的攝像機(jī)標(biāo)定知識(shí)。

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵豪斫鈹z像機(jī)標(biāo)定基本原理、熟悉使用工具完成攝像機(jī)標(biāo)定過程和熟悉攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果分析評(píng)價(jià)。學(xué)生自己拍攝所需圖像，使用現(xiàn)有標(biāo)定程序完成實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。 實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)幫助學(xué)生理解書本中關(guān)于張正友攝像機(jī)標(biāo)定的基本原理，同時(shí)學(xué)會(huì)如何使用現(xiàn)有程序，包括選取圖像、初步提取靶標(biāo)特征點(diǎn)、精確提取靶標(biāo)特征點(diǎn)、線性計(jì)算攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)、非線性優(yōu)化攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)等。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)4：基于視覺測(cè)量的球直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)

“實(shí)驗(yàn)3：基于平面靶標(biāo)的攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生可以更好地了解和使用張正友的攝像機(jī)標(biāo)定方法。這為使用視覺測(cè)量進(jìn)行測(cè)量打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 為了更好地讓學(xué)生學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)， 全面達(dá)到教學(xué)大綱的要求。 我們將“實(shí)驗(yàn)4：基于視覺測(cè)量的球直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)”設(shè)計(jì)為一個(gè)開放式的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵豪斫庖曈X三維測(cè)量基本原理、熟悉使用工具完成視覺傳感器標(biāo)定及重建過程、 熟悉視覺傳感器標(biāo)定及測(cè)量結(jié)果分析評(píng)價(jià)。 在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中并沒有給出具體的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生可以根據(jù)自己的理解，做出相應(yīng)的結(jié)果，并進(jìn)行精度分析。這種開放式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)不對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行硬性規(guī)定，而是給學(xué)生一個(gè)自由選擇的機(jī)會(huì)。 學(xué)生們可以根據(jù)自己的理解選擇實(shí)驗(yàn)方法完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

選用球直徑測(cè)量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行這類開放式實(shí)驗(yàn)主要是因?yàn)樵诳蒲兄邪l(fā)現(xiàn)，球直徑的測(cè)量具有多種方法，可以使用單目視覺傳感器，也可以使用立體視覺傳感器。單目視覺傳感器具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 圖像處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量需要一些附加條件，導(dǎo)致需要很好的設(shè)計(jì)才可以達(dá)到較高測(cè)量精度。 立體視覺傳感器有兩個(gè)攝像機(jī)可以提供冗余信息， 但兩個(gè)相機(jī)圖像特征點(diǎn)的匹配存在困難，如何進(jìn)行高精度匹配有一定難度。兩種方各有優(yōu)勢(shì)， 但都有一定難度， 都需要一定的設(shè)計(jì)和思考。因此這給了學(xué)生們很大的思考空間。學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，進(jìn)而解決問題，更好地理解課堂所學(xué)內(nèi)容。

2.3 以PPT 匯報(bào)的形式報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生們之間可以相互學(xué)習(xí)、比較

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 我們?cè)O(shè)計(jì)了通過PPT 形式報(bào)告自己實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考核方式。 在PPT 中學(xué)生們說明設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，這樣可以全面鍛煉了學(xué)生科研能力，也讓學(xué)生們更好地理解課本上的內(nèi)容。在教學(xué)實(shí)踐中，這個(gè)環(huán)節(jié)大家非常踴躍，詳細(xì)匯報(bào)了自己方法的優(yōu)點(diǎn)。通過比較，他們也會(huì)發(fā)現(xiàn)別人方法的優(yōu)勢(shì)，以及自己方法還可以改進(jìn)的地方。