新工科背景下機器視覺課程群教學模式研究

張濤 齊永奇 李恒燦

摘 要：為適應新工科建設的需求和智能制造的產業需求，本研究針對測控專業本科教學的培養要求，提出了加強課程之間的融合，以知識點重構教學方案，打造“線上線下混合、加強學生參與、深化校企合作”的教學模式，為培養本科生解決復雜工程問題的能力提供了思路，并通過機器視覺課程群的建設，推動測控專業一流學科建設，探索新工科背景下的智能制造技術人才的培養模式。

關鍵詞：新工科;機器視覺;課程群

《中國制造2025》是我國實施制造強國戰略第一個十年行動綱領。《中國制造2025》提出一個目標：實現制造業大國向制造業強國的轉變。智能制造是主要攻堅方向之一。機器視覺為智能制造提供了參考依據。新工科建設是教育部提出的一項持續深化工程教育改革的重大行動計劃。新工科建設對高校工程教育提出了明確的要求，即培養具有較強行業背景知識、工程實踐能力、勝任行業發展需求的技術技能型和綜合應用型人才。

為了適應新工科環境下的專業建設，很多高校順應時代需要，紛紛開設與機器視覺相關的課程。機器視覺是一門理論性和工程性都很強的技術，是多個學科和多個課程的融合，前端與傳感器原理、模電、光學等課程相關，后端與信號與系統、數字圖像處理、控制理論等課程相關。目前，多數高校只是開設單一視覺課程，如果該課程內容過多，由于學時限制，各種技術往往是簡單介紹，學生僅僅了解而已;如果該課程內容壓縮，由于晦澀難懂，學生只是局部了解機器視覺，容易導致課堂氛圍較差。因此，高校需要將機器視覺相關課程有機結合，組成機器視覺課程群，優化課程內容，從而更有效地提高學生掌握和運用機器視覺技術的能力。

視覺測量方向是華北水利水電大學測控專業的一個重要專業方向。在遵循以學生為中心，以成果為導向的專業建設思路的基礎上，課題組梳理與機器視覺相關的課程，修訂教學大綱，整合課程資源，幫助學生打通課程壁壘，從而提高學生的理論知識和實踐能力。下面以測控專業機器視覺課程群建設為例進行具體說明。

一、梳理教學思路和優化教學大綱

學科專業知識不是獨立存在的，而是成體系的。單一課程只能解決較為簡單的問題，而實踐工程的問題多為多學科交叉綜合的問題。測控專業通過教研室研討會議和外出調研等形式反復論證，選擇了工程光學、信號與系統、數字圖像處理、視覺測量技術、虛擬儀器、專業綜合課程設計、畢業設計等理論課和實踐課。這些課程涵蓋了測控專業所有課程模塊。教研室分析了相關課程的內在邏輯關系，規范了課程之間的教學內容銜接，避免相同知識點的重復教學，完善教學大綱。為了解決相關課程重復教學的問題，構建的課程群采用打通課程間壁壘的方式，將機器視覺技術分解成若干個問題。解決問題需要哪些知識點，就將這些知識點在該課程中講解，重新組織課程，并以具體的科研課題將知識點連接起來。例如，機器視覺用于機械零件測量的設計，其中，分析設計工作可以在工程光學課內講解，硬件選型可以放在視覺測量技術課內講解，采集信號的處理放在信號與系統課內講解，圖像的處理和后期測量則在數字圖像處理課內講解，軟件系統的使用可以在虛擬儀器課內講解，最終的設計訓練則放在綜合課程設計和畢業設計中。學生通過一系列的學習和訓練，初步具備了設計視覺系統的能力，進而通過創新創業訓練、科研項目和畢業設計，掌握了解決復雜工程問題的能力。

機器視覺課程群的教學目標之一是培養學生分析問題和解決復雜工程問題的能力。為了實現這個目標，教研室將課程按照“基礎理論知識—應用開發技術—綜合實踐能力”三層結構分為三類。比如，工程光學、信號與系統、數字圖像處理三門課作為視覺課程中的光學、信號處理、圖像理論等的基礎知識;數字圖像處理、視覺測量技術、虛擬儀器作為與視覺緊密相關的應用技術;專業綜合課程設計和畢業設計則是將前面的知識融會貫通，結合機器視覺具體課題或者教師自己的科研項目，實現對學生實踐能力的培養。

二、教學方法和教學手段的改進

（一）線上線下混合教學

華水學堂是超星學習通和華北水利水電大學合作的在線教學平臺。教師在該平臺上發布教學視頻和資料，便于學生課前預習。課前10分鐘，教師與學生交流關于本節內容的學習情況，啟發學生提出對知識點的理解盲區，針對問題開始課堂學習。課中，教師可以將課堂知識與實際問題相結合，讓學生去發掘工程問題的解決點，使其明白機器視覺的重要性。課后，教師可以通過分組的形式，讓學生討論和梳理課上沒有解決的問題，并且在線上平臺提出一些開放性的問題，強化對學生知識體系掌握程度的跟蹤，及時了解學生在學習過程中的表現，反饋給學生，形成閉環管理。課前、課中和課后三階段的教學設計，將線上線下教學融會貫通，突破傳統教學的束縛，提高了學生的參與度，提高了學生分析問題的能力。

（二）走出課堂的多元化教學

目前，機器視覺是國家發展的熱點之一，這決定了我們的教學不能局限在校園里。為此，學校和校外企業深度合作，增強學生的實踐能力。學校聘請校外專家到校為學生介紹機器視覺的市場前景，進一步和企業合作進行測控專業綜合課程設計;企業提供一些相關設計課題作為學生的設計題目;學生到企業參加培訓，學習企業的實際項目。學校利用實踐實習組織學生前往洛陽牡丹通訊公司、中原量儀公司和勝龍科技公司參觀、培訓，通過整合校內外資源，使學生開闊眼界，對機器視覺市場前景有深入了解，實現了與社會的無縫對接。

（三）機器視覺課程群建設成果

在測控教研室各位教師的辛勤工作下，經過兩年的建設，機器視覺課程群教學效果顯著，學生創新創業能力得到提高。

2017年，教研室申請了示范性虛擬仿真教學實驗項目，利用互聯網實現資源共享和師生互動，使學生由被動接受轉變為主動學習。教師在超星學習通平臺上也建立信號與系統、數字圖像處理、虛擬儀器等課程平臺，豐富了教學手段。

學生積極參與創新創業比賽，如飛思卡爾大賽、機器人大賽、互聯網創新大賽等，并多次獲得國家級、省級獎項。以2017級測控專業為例，該專業共有學生95人，其中，參與科技創新比賽的有62人、獲得國家獎學金和國家勵志獎學金的有12人。

近年，測控專業就業質量穩步提升，從事本專業工作的學生數量與以往相比顯著增加。其中，報考研究生的學生比例穩定在20%左右。2018年就業從事本專業工作的學生占40%，2019年達到55%，部分學生就職于基恩士、大恒圖像、信盈達等公司。對學生畢業后五年就業情況的跟蹤調查顯示，企業對學生的滿意度大幅提升，部分學生已經擔任項目負責人。

三、結語

本研究以機器視覺課程群的建設為例，提出了新工科背景下課程群教學改革方案，從培養方案和教學大綱制訂、教學內容手段的改進、校企合作和產學研結合等方面論述了教學改革的思路。教學改革的思路為：堅持以多課程融合、線上線下混合教學、突出實踐創新為中心，以發展學生綜合能力為最終目的，改進現有的授課過程中存在的問題，科學地評價課程教學質量，進一步研究課程教學與畢業要求達成度問題，及時了解行業動態、準確掌握行業需求，從而適應新工科建設的需求。

近年，機器視覺課程群的建設，提高了學生對課程學習的興趣，使學生對課程之間的聯系了解更為清晰，體現出以學生為中心的理念，對進一步提高測控專業建設質量起到積極的推動作用。

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責編：紅 茶