基于CDIO的機器視覺課程混合式教學模式探討

蔡 麗 李菁川

（武漢職業技術學院機電工程學院 湖北·武漢 430073）

1 概述

機器視覺是一項綜合技術，包括圖像處理、模式識別、光學成像、人工智能等技術，應用范圍涵蓋了工業、農業、醫藥、軍事、航天、交通等行業。2010年中國機器視覺市場迎來了爆發式增長，2011年中國機器視覺市場步入后增長調整期，機器視覺產品電子制造行業的市場增長35.1%。2019年中國工業機器視覺市場規模約為139億元，相較于2018年增長5.3%，其中電子行業、平板顯示和汽車行業中的應用比重較大。可見，機器視覺是與工業應用結合較為緊密的智能技術，為工業生產的信息集成提供了有效途徑。

目前，隨著機器視覺技術的不斷發展，其應用領域也逐漸擴大，將機器視覺技術引入到實踐教學中，旨在引導學生接觸到更加前沿和實用的科學技術，在提高機器人智能化的同時，也為以后進行其它學科的研究打下基礎。將機器視覺與智能機器人教學相結合的模式實際上是一種類似嵌入式開發的模式，屬于軟硬件結合的領域，通過選取合適的硬件設備，試圖將可以在計算機上完成的算法、系統等移植到芯片中，通過芯片控制移動設備來完成需要的行為，以便應用于實際中。若在智能機器人的合適位置安裝攝像頭來獲取外界圖像，通過機器視覺中的相關技術使機器人完成相應的動作，這不但提高了機器人的智能化，也讓學生在過程中學習到更多領域的知識。機器視覺屬于交叉性學科，內容涉及廣，且大多算法在學習時需要一定的數學基礎，若采用傳統教學方法，學生難以理解，且容易陷入復雜的數學公式中而脫離實際。因此，該文采用以理論知識為基礎，實際應用為核心的教學理念。在教學時盡量去除繁瑣和難以理解的公式，使學生在掌握到一定機器視覺概念的基礎上，盡量提高學生的學習興趣，通過學生自身的主動性，并結合所學專業進行機器視覺的深入學習。

近年來，工程教育的改革在世界范圍內全面開展，以彌補高校教育與工業生產實際需要的矛盾，其中CDIO模式引起了普遍關注，將教育過程放到工程領域的具體情境中，注重培養學生的工程基礎理論和專業知識，在歐美發達國家已形成了較為完善的課程實施的標準，國內一些高校也已開始實施。從國內發展歷程來看，CDIO從局部發展到整體，在建立專業培養標準、課程體系等方面取得了一定的進步，傳播了CDIO的工程教育理念，推進了CDIO的本土化與再創新。但與發達國家相比，我國職業教育還存在著諸多不完善的問題。因此，研究基于CDIO模式下的機器視覺課程的教學模式具有現實意義。

2 機器視覺教學中面臨的問題

機器視覺課程的傳統教學模式普遍面臨著一些典型問題：重理論教學，輕實踐教學；教學內容不能緊貼實際案例，與企業實際需求脫軌，難以激發學習興趣；課程軟件選擇與企業市場需求有偏差，影響學生就業面選擇；設備更新慢，不能跟上最新技術應用，因此必須進行改革以適應工業技術的發展。

另外，在當前強調實踐能力和創新能力的教育背景下，智能機器人教學以不同的形式在各大高校廣泛開展，常見的智能機器人項目如尋跡小車、足球機器人、四旋翼飛行器等，通過對智能機器人的認識和了解，學生提高了學習興趣，同時也加強了實踐創新能力。筆者注意到，目前學生在進行智能機器人的學習和制作時，大多使用傳感器來進行外界信息的獲取。如在尋跡小車中通常使用紅外傳感器來檢測地面上黑色軌跡，通過檢測到的信號來控制小車的行進方向。這種以傳感器來接收外界信號的方法原理易懂、計算簡單，但是這種獲取信息的方式對于外界環境的要求很高，且接受到的信號非常有限，這就直接導致了智能機器人不能滿足更加復雜且自主化的要求。

基于上述出現的問題，該文考慮在機器視覺技術教學采用CDIO模式的混合式教學模式，讓學生了解和學習關于機器視覺領域的知識。

3 基于CDIO模式的混合式教學模式

CDIO倡導學生主動學習，通過將設計、實踐和課程進行有機融合的模式，分別代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），其核心思想是在做中學的項目導向式的教育方法。依據工程教育理念，借鑒教學信息化手段，對機器視覺課程進行了基于CDIO模式的混合式教學模式探討。

3.1 構思：重構課程的總體教學目標

根據工業機器人專業人才培養計劃，對涉及的相關企業進行調研，把握機器視覺應用技術的發展趨勢，明確最終的技能培養目標和課程的總體教學目標。

3.2 設計：設計課程的教學內容

梳理機器視覺課程各章節知識點，調整原有章節順序，結合技術應用的前瞻性，將新技術、新應用融入相關內容，把握理論基礎和實踐應用的關系。

3.3 實現：教學目標的實現路徑

從知識目標、能力目標、素質目標入手，融合思政元素，以CDIO工程教育理念為基礎，制定相應教學目標的實現路徑，通過理論和實踐相結合的人才培養方案，使學生分析問題能力、實踐動手能力及綜合工程能力得到提升。

3.4 運作：教學目標的實現方法

采用線上與線下的混合式教學取代傳統的單一線下教學模式，借助智慧職教云平臺分享課程資源，采用課前、課中、課后的三環節，通過單元導學、話題討論等多種教學方法融入課堂教學過程，強調學生的自主學習與團隊合作，并與技能大賽相結合，提高學生綜合應用能力。

4 基于CDIO模式的混合式教學實施方案

這門課程教學設計的基本思路是把知識點、技能點的學習融入每個具體的工作任務中，以CDIO的模式展開，實現理論與實踐結合，以學生關注的點為基礎，在傳授知識過程中注重工程應用能力培養，強化學生的自學能力與分析問題解決問題的能力。

4.1 重構教學目標與內容

總體模塊內容、學習目標及學時安排如表1所示。其中能力目標、知識目標、技能目標和思政元素如表2所示。具體做法是采用任務驅動的項目式方法，把知識點、技能點的學習融入每個具體的工作任務中。除了課堂教學外，讓學生結合所學課程的知識內容自主選題，3至5個學生為一組。整個過程從資料收集、題目申報、項目實施、項目匯報等讓學生充分參與和主導整個項目，擴展學生的知識面和工程認識，提高學生對工程項目的整個流程的認知。通過團隊形式完成整個項目也有利于合作精神的培養。

表1：模塊內容設計

表2：教學目標和內容重構

4.2 延伸學習空間

利用信息技術把傳統課堂和網絡在線的優勢結合起來，同時將課前、課中、課后無縫連接以實現混合式教學，把傳統教學的時間和空間都進行了延伸。借助智慧職教等云平臺為載體，課前學習測試結果有利于教師及時調整授課內容；課中利用信息化教學手段，引導學生主動探究學習，將知識加以內化；課后，依托網絡教學平臺提出拓展任務，以小組團隊形式完成任務。通過“課前引導、課中攻克、課后拓展”的教學活動，使學生在完成任務中理解理論知識、掌握技能、提升素質。目前混合式教學改革沒有統一的模式，但依據學習的一般規律，充分發揮線上和線下兩種形式教學的優勢，可改變我們在課堂教學過程中單一講授而導致學生學習主動性不高、認知參與度不足等問題。

4.3 健全評價方式

傳統的機器視覺教學側重理論知識的驗證和基本技能操作能力，基于CDIO的評價方法重在能力培養，突出學生的主動學習，強調綜合實踐能力。課程考核按照30%平時作業+30%實驗+40%綜合測評，鑒于實驗項目的難易程度，設計綜合類型的實驗項目設置較多的權重，總成績采用加權綜合的方法。課程考核方式采用過程性評價與目標性評價相結合，技能與作業態度相結合，通過項目任務的設計、實驗參數設置、實驗結果分析、團隊合作討論、小組答辯分享、小組互評等多環節進行評價。

5 小結

通過基于CDIO的混合式教學模式在機器視覺課程中的實施，把本課程分成多個模塊與子項目來進行重構，介紹了該課程教學過程中的目標構思、教學設計、實施路徑、教學運作。在此基礎上，通過團隊合作方式提高了學生的學習主動性、積極性和創造性，以實際工程中機器視覺檢測的硬件搭建到軟件設計的整個過程為載體，使學生全面把握機器視覺的知識體系。基于CDIO的混合式教學模式有利于培養學生的綜合素養，以便更快地適應未來的就業工作環境。