機械專碩“機器視覺原理與應用”課程教學改革

王中任 肖光潤 劉海生

[摘 要] 針對現有專業學位研究生課程“機器視覺原理與應用”教學中存在的問題，將課堂交流匯報、科研小課題、產學研項目訓練等教學手段納入教學改革中;在理論講授中融入課程思政，致力于培育新時代專業研究生科技報國的責任擔當;通過邀請機器視覺專家教授授課或講座，開闊研究生視野;通過產學研合作項目，使機器視覺理論知識得以與產品、項目研發實踐結合。該課程教學改革，是落實全國研究生工作會議精神和提高專業學位研究生教學質量的有益探索和實踐。

[關鍵詞] 專業學位研究生;課程思政;產學研合作;教學改革

[基金項目] 2020年度湖北文理學院研究生教育工程項目“‘機器視覺原理與應用優質課程建設”（YZL202007）

[作者簡介] 王中任（1974—），男，湖北黃梅人，湖北文理學院機械工程學院教授，副院長，主要從事智能制造與機器視覺研究;肖光潤（1987—），男，湖北宜城人，湖北文理學院機械工程學院講師，主要從事機器視覺技術研究;劉海生（1967—），男，吉林白城人，湖北文理學院機械工程學院教授，主要從事機器視覺技術研究。

[中圖分類號] G643 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）11-0037-04 ? ?[收稿日期] 2020-11-23

在全國研究生教育工作會議上，國務院總理李克強指出，研究生教育肩負著高層次人才培養和創新創造的使命，是國家發展、社會進步的重要基石;要深化研究生培養模式改革，進一步優化學科課程設置，促進科教融合和產教融合，著力培養研究生實踐能力、創新能力，為建設社會主義現代化強國提供更堅實的人才支撐[1]。面向“中國制造2025”，機械類專業學位研究生的培養要以高層次、急需緊缺專業技術人才和創新型人才為重點，實施專業技術人才知識更新工程和先進制造卓越工程師培養計劃，打造高素質專業技術人才隊伍[2]。作為服務地方經濟的本科院校，機械專業碩士研究培養既要面向地方建設，又要跟上現代科技快速發展的步伐，開設一批優質課程，來支撐專業研究生人才培養質量[3]。機器視覺是人工智能正在快速發展的一個方向，簡單來說，機器視覺就是用機器代替人眼和大腦來做測量和判斷。從工業應用而言，機器視覺系統是通過攝像機將被檢測目標對象轉換成圖像信號，傳送給工業計算機，根據圖像的像素分布、亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制工業現場的設備動作。機器視覺是一項多學科交叉的綜合技術，包括光學成像、圖像處理、機構設計、自動化控制、計算機軟硬件和模式識別等技術。近年來，隨著人工智能、大數據和智能制造的快速發展，機器視覺技術應用越來越廣泛，學習并掌握機器視覺技術已經成為機械專業碩士研究生就業和創業的核心競爭力之一，因此，面向機械工程專業碩士研究生，開設“機器視覺原理與應用”專業方向課程。然而，該課程理論性強、現有教學手段落后、研究生缺乏開闊工程視野和實踐能力，是目前課程教學中的突出問題。

一、“機器視覺原理與應用”課程教學存在的問題

“機器視覺原理與應用”課程的主要目標有三個：（1）使專業學位碩士研究生了解國內外機器視覺發展的最新研究成果，以及機器視覺在典型行業應用;（2）使研究生掌握機器視覺基本概念、基本理論和主要算法;（3）使研究生具備運用理論和方法解決實際機器視覺問題的能力。由于受到傳統教育理念與思想的影響，機械專業碩士專業課程的教學工作中，更側重于培養和考查研究生理論知識的學習和掌握，以教師講授為主，雖然布置了一些課堂討論環節和大作業，但在教學工作中還存在一定程度的不足。

1.“機器視覺原理與應用”屬于理論性和實踐性都較強的專業理論課，在過去，為了提升研究生對基礎理論知識的理解，開展了一定比例的實驗課程環節，但是受制于研究性實驗設備不足，課內實驗時間短暫，研究生只能執行一些設備操作，與本科生課內實驗差別不大，研究生收獲不大。另外，雖然我們課程團隊擁有一個設備齊全和先進的智能制造與機器視覺襄陽市重點實驗室，但缺少符合研究生開放性和研究性實驗室的設備，有必要通過開展科研小課題，讓研究生自己開發搭建軟硬件結合的實驗平臺，比傳統操作驗證性實驗要好。

2.傳統的“機器視覺原理與應用”課程的教學內容更多傾向于理論層面，以圖像處理算法為主，理論與實際結合并不緊密。而隨著當今機器視覺技術與智能制造的迅猛發展，項目案例與智能生產線的機器視覺應用有不小差距，導致研究生在完成了相關課程理論學習后，還是未能聯系到智能制造時代的應用場景，一定程度上影響了研究生的積極性。

3.課程缺乏思想教育的內涵，未能全面指導研究生形成正確的思想觀念，缺乏價值引領與啟示，導致研究生缺少主動性，缺乏正確人生觀與價值觀，科技報國和責任擔當意識不足。

另外，國內只有少數機械專業的本科生開設了機器視覺或圖像處理的專業選修課，雖然我們課程組面向本科生已經講授了八年的“機器視覺技術”課程，但是對于外校考研過來的研究生而言，沒有機器視覺基礎，給這門課的教學帶來了一定的困難。

二、解決“機器視覺原理與應用”教學問題的方法路徑

對于傳統的研究生理論教學方法主要停留在教師理論講授和研究生研習匯報，而大多研究生存在主觀能動性差、視覺算法理解比較困難、研究生學習積極性不強以及利用理論知識解決實際工程問題的能力薄弱等問題，我們從如下五個方面展開了教學改革。

1.重視課程思政，培養研究生的愛國報國情懷、科技創新精神和嚴謹誠信的學術作風。在課堂教學中，我們將情感和價值觀融入理論教學過程，從華為芯片到高科技公司出口“黑名單”，從商湯科技到阿里達摩院視覺團隊，從2019年著名計算機視覺科學家沈向洋博士受聘清華，到2020年計算機視覺馬爾獎獲得者朱松純回國加盟北京大學，告訴每位同學，“卡脖子”必須要靠科技創新和實業報國，要靠一批批優秀的科學家的奮斗，也要靠所有研究生同學的努力奮斗。不但向研究生傳遞愛國精神和民族自信力，而且培養他們創新創業的意識。通過將課程思政融入課堂，激發研究生們的鉆研精神。另外，課程思政也需要和風細雨和潛移默化。授課中對于算法公式的板書推導以及課件中經典英文文獻的引用介紹，讓研究生體會到嚴謹認真、誠實守信的學術作風，對于本科階段沒有機器視覺技術課程的同學，我們在開課前兩個月提前給他們布置閱讀一些基礎性技術資料并給他們一些輔導，指導他們安裝有關軟件，讓他們能夠更快融入這門研究生課程的學習，同時體會到教師的良苦用心，引導他們感恩社會，尊師重教，將來也能用無私的奉獻來回報父母和社會。

2.開展科研小課題，培養研究生實踐動手能力。為了加深研究生對機器視覺算法理論相關知識的掌握，設立合適的機器視覺測量、定位、檢測和識別等相關課題，并讓研究生以小組形式，開展科研小課題，并以交流匯報的形式展示，培養研究生將理論分析運用到工程實際中的能力，通過科研小課題提升研究生的團隊合作意識和能力，同時培養研究生自主解決實踐中發現問題的能力，并借此激發研究生對問題的思考以及對解決問題方法的創新。由于機器視覺核心在圖像處理算法，因此，要求研究生利用OpenCV或Halcon圖像算法庫，結合Python或者VS編程軟件，編寫有關程序軟件，進行圖像濾波、圖像增強、邊緣檢測等預處理算法仿真測試，進行點特征提取、線特征提取、圓提取、橢圓提取等處理算法，并進行基于灰度和基于特征的圖像匹配處理算法的仿真測試。通過開展科研小課題，可以讓研究生親自動手搭建實驗平臺，并進行軟件編程，掌握機器視覺算法原理及關鍵技術，并解決一些實際問題。

3.通過產學研協同和企業項目實踐，培養專業學位研究生的實踐創新能力。全國研究生教育工作會議指出，專業學位培養以研究生實踐創新能力為重點，強化產教融合，讓行業企業深度參與研究生培養全過程。專業學位研究生的培養有明顯的職業導向性和實踐應用性的特點，但目前大部分高校專業學位研究生課程、工程訓練中心、實驗室等對研究生工程實踐應用能力的培養還遠遠不夠[3]。產學研人才培養模式綜合了企業、學校和研究機構在人才培養方面的各自特色和優勢，有利于工程碩士研究生創新素質的提高，推動企業技術革新，實現多方共贏[4]。為了能夠充分調動研究生的學習積極性，我們以“機器視覺原理與應用”課程為教學平臺，與中國化學工程第六建設有限公司、襄陽博亞精工裝備股份有限公司以及襄陽寒樺精機有限公司等多家優質企業建立實踐平臺，簽訂多項產學研合作項目，圍繞新工科人才培養模式研究與實踐，建立產學研結合模式的工程教育與創新實踐平臺，讓研究生走進企業走到工地，參與車間生產線智能化和智慧焊接施工的項目實踐，讓研究生重視從實際工程需求中去尋找問題，用所學的理論知識去構建解決方案，進而提升研究生實踐創新能力和工程師素質。

4.邀請校外和產業界的專家和企業家講學，拓展研究生的視野。該課程連續多年邀請校外知名高校和知名機器視覺企業領域專家教授來校進行短期授課或開展遠程專題講座，進一步拓寬研究生的視野。教授專家通過結合自身豐富的業界經驗，為研究生深入淺出介紹各類機器視覺技術的前沿應用，加深研究生對現代機器視覺技術應用的理解。2019年，我們還組織承辦了全國智能制造與機器視覺學術研討會，有80多名國內外知名學者、博士教授和企業專家出席了會議，研究生全程聽講座并和專家、企業家交流，拓展了視野，并增強了學習機器視覺的積極性。

5.教學形式上不完全拘泥于課程教材。通過建設課程案例庫，將課程與工程實際問題融合，更加注重理論聯系實際，采用啟發式教學方式鼓勵并提高研究生的主觀能動性，使其積極參與課堂的實踐環節。案例教學對機械工程專業學位研究生實踐及應用能力培養意義重大。課程組通過五年的課程案例庫建設，形成了豐富的面向汽車、電子、交通、化工、農業、醫療等領域的項目案例，構建了包括機器人隨機視覺定位抓取上下料、機床加工件在線視覺檢測、刀具磨損視覺測量、沖壓件直線度和尺寸視覺測量、車牌識別、焊縫跟蹤、大型工件結構光三維掃描、視覺定位激光打標、農田雜草識別、焊接缺陷識別、精密板帶表面缺陷檢測、血管瘤圖像診斷等15個技術專題的機器視覺教學案例庫。每個案例圖文并茂，而且剪輯有短視頻，激發研究生學習的積極性。案例的覆蓋面能滿足專業學位研究生“機器視覺原理與應用”課程的教學需求。案例教學調動了研究生學習積極性和主動性，可以培養研究生批判思維能力和創新實踐能力，提高自身解決工程問題的能力。

三、考核方式創新和教學改革效果

以前，機械專業學位研究生的專業課程多傾向于采用期末考試或論文寫作的考核方式。期末考試多為試卷作答模式，雖然看起來比較公平，但實際上很難對研究生能力和素質進行考核，考核方式單一且不科學。而布置一篇綜述小論文寫作，雖可一定程度地提高研究生科研能力，但考核方式仍然單一，且論文質量無法保證，嚴重影響研究生日常學習的積極性，導致研究生對專業課程知識體系無法系統掌握。因此，開展研究生專業課程的考核方式改革創新，是很有必要的。通過改革創新，湖北文理學院機械專業研究生“機器視覺原理與應用”考核形式實現了多元化的創新，結合了平時考核、實踐考核和課程論文三種形式，各占25%、25%和50%。其中平時考核為課堂出勤和課堂匯報交流，實踐考核包括產學研項目訓練和課外科研小課題兩個部分，課程論文以三人小組為單位，進行某個專題的文獻綜述和產學研項目方案設計，要求每位研究生至少引用30篇近五年權威期刊文獻，小組內可以有一定的交叉重復度，但重復度不得高于30%，另外，要求小組成員密切協作，設計出不同的項目方案并分析比較。比如，2019級研究生的課程論文中，第一組研究生的課題為“基于機器視覺的機器人焊縫跟蹤技術研究”，要求小組研究生按機械手、有軌爬行機器人和無軌爬行機器人來分別撰寫課程論文，并設計幾種不同的焊縫跟蹤技術方案，通過匯報交流，研究生得到了更大的收獲;第二組研究生的課題為“基于機器視覺的三維測量技術研究”，要求按不同尺度（大尺寸、小尺寸、微尺寸）和不同材料（如反光、不反光）來分別進行文獻綜述，并按照主動結構光和被動法進行方案設計;第三組研究生的課題為“基于機器視覺的高反光金屬表面缺陷檢測技術研究”，要求研究生按照不同種類高反光金屬件的檢測方法來文獻綜述，從硬件和軟件算法進行方案設計;第四組研究生的課題為“基于機器視覺的透明件表面缺陷檢測技術研究”，要求研究生按照不同種類透明件的檢測方法來分別進行文獻綜述，并以某種常見透明件（如車燈透鏡）為例，從硬件和軟件算法進行項目方案設計。這種課程論文的分量比較重，不僅需要寫文獻綜述，更重要的是要協作進行產學研項目方案的設計，對研究生的鍛煉價值很大。因此，通過對“機器視覺原理與應用”課程的考核方式進行改革，改變了過去以期末考試或單一綜述論文寫作的評估方式，從多方面進行綜合考核，多方面培養研究生，更好地引導研究生的參與，更好地考查研究生是否真正理解和應用機器視覺原理算法，更好地提升他們的團隊協作和實踐創新能力。通過教學改革，“機器視覺原理與應用”課程受到更多研究生的歡迎，課堂缺勤率極低，上課抬頭率高，研究生課前主動預習和閱讀文獻積極性高，課堂積極參與交流討論，課后自主進行開放性科研小課題的積極性高，能夠積極參與產學研項目訓練，研究生自主學習案例資源庫豐富，拓寬了工程視野，工程實踐能力和創新能力明顯增強。

四、結語

為了貫徹落實全國研究生教育工作會議精神，全面提高專業研究生培養質量，專業課程的建設與改革是一項基礎性工作。我校機械專業學位研究生“機器視覺原理與應用”課程改革實踐證明，專業學位研究生的專業課程教學，需要面向地方產業需要，面向研究生高質量就業，把課程思政、理論講授、交流匯報、系列講座、科研小課題、產學研項目等多種教學方式方法結合起來，并采用綜合考核評價方式，提高課程的教學質量。湖北文理學院“機器視覺原理與應用”課程教學團隊多年來摸索出來的成功教學經驗，對于地方院校專業學位研究生培養，具有一定的借鑒價值。

參考文獻

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[2]汪朝暉，范勤，蔣國璋，等.面向“中國制造2025”的機械類專業學位研究生培養新模式[J].教育教學論壇，2020（10）：61-63.

[3]孫增耀，張翔，張慧芬，等.產學研協同培養工程專業學位研究生的實踐探索[J].中國高校科技，2019（11）：81-84.

[4]伏軍，馬儀，李光明，等.基于校企合作的“產學研”人才培養模式探討[J].教育現代化，2019（A4）：6-8.

Teaching Reform of the Course of Machine Vision Principles and Applications for Professional Degree Postgraduates

WANG Zhong-Ren1，2， XIAO Guang-run1，2， LIU Hai-sheng1，2

（1.School of Mechanical Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China; 2. Xiangyang Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Machine Vision， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching of the course of Machine Vision Principles and Applications， the teaching methods， such as classroom communication and reporting， doing small scientific research projects， and the industry-education-research project training， have been incorporated into the teaching reform. “Curriculum ideological and political education” has been integrated into the theoretical teaching in order to cultivate the professional graduate students sense of patriotism and their sense of responsibility of serving our country with the achievements in science and technology. By inviting machine vision experts to give some lectures， we try to broaden their horizons. Through the cooperation projects of industry-education-research， the theoretical knowledge of machine vision can be combined with the products and the project research and development practice. The teaching reform of this course is a beneficial exploration and practice to implement the spirit of the National Graduate Work Conference and to improve the teaching quality of professional degree graduate students.

Key words： professional degree postgraduates; “curriculum ideological and political education”; industry-education-research cooperation; teaching reform