大學《工業機器視覺應用》課程開發研究*

何志權 何玉鵬 曹文明

（深圳大學 電子與信息工程學院 廣東省多媒體信息服務工程技術中心 廣東深圳 518060）

引言

在加工制造業的自動化智能化升級改造的發展道路上，推進智能制造系統的程度決定我國從制造強國向制造強國發展的水平。智能制造是工業制造業企業未來發展的必然趨勢，也是在未來市場中占有競爭優勢的唯一路徑，需要將生產、業務流程、管理模式等環節實現網絡化、數字化、智能化，通過智能機器與人構建成人機一體化智能系統，可進行智能運行，如分析、推理、判斷、決策等功能。工業機器人作為智能制造系統的組成部分，廣泛應用于各種柔性化生產和智能系統生產線。所有領域都迫切需要許多高質量、跨學科的混合技術技能。工業機器視覺和機器人視覺是工業自動化智能化的重要組成部分。總體而言，當今工業機器視覺優秀人才存在較大空缺，高校優秀人才的整體產出無法滿足該領域的要求，亟待深層次的企業和院校進行考察[1]。

一、工業機器視覺應用人才職業能力及綜合素養要求

工業機器自動化公司對機器人視覺相關崗位提出了更加實用的規定。從公司各個崗位了解到，高校畢業生的就業崗位主要包括工業機器人視覺設計安裝和維護、產品銷售、視覺算法研發等。工作能力規定主要包括由常識和職業技能構成的職業能力及其工作方法。綜合能力由職業能力和綜合素養組成。

1.職業能力

根據對公司權威專家訪談和調查分析得出，大學生從事工業機器視覺相關工作必須具備一定的理論基礎和實際操作能力。其中，圖像處理和視覺分析有關的算法研發對大學生的專業能力和理論基礎有著較高的要求。實際操作部分要求掌握視覺識別系統硬件配置的相關專業知識和PLC編程的基礎知識。部分實際操作要求學生具有較強的視覺效果工作平臺的維護、維護和調整、編程和操作技能。

2.綜合素養

公司對員工的綜合能力也有一定的規定。公司普遍重視員工的溝通、協調和團隊合作能力，其次是自我學習和自主創新能力，再是拼搏、敬業的心態，最終形成安全責任感和操作規范[2]。

二、高校工業機器人視覺課程存在的問題

在專業建設方面，目前工業機器人專業雖然存在不足，但其專業建設也有一定的成效。人才培養模式具有一定的現實意義，必須根據實地人才調查的要求進行調整。此外，工業機器人視覺課程的內容還沒有成為一門完整的專業課程，以響應學生就業市場對高素質初中級技術技能人才的要求，以及工業機器人專業在各個領域的人才需求。大學培訓水平，即專業技能和資質水平，亟待加強。

1.課程定位不清晰

高校工業機器人視覺課程內容的定位不精準，沒有通過調研等方法探尋企業需求，只是從一線教師的角度或者參考其他學校課程明確教學目標，通過此類課程內容培養的學生不能與公司在該領域的專業人才相匹配，人才培養的質量有待提高。具體表現在學生的實際動手操作能力較弱，對現場的生產流程和工藝環境知之甚少。

2.課程內容典型性差

教學內容與公司專業人才不匹配，脫離公司實際要求。現階段，僅有少數高校設置了詳細的機器人視覺課程內容，且大多僅將其作為實踐課程內容，并未按照公司典型操作流程進行系統的學習和培訓。以機器人視覺課程的內容為實踐課，開展課堂教學。在教學內容的選擇上，要注意采用公司典型的工作目標，防止應用一些過時和淘汰的工作任務。教學內容應同工業生產實際相結合，有目的地發現與課程相關的新內容，從而減少學員和企業的在職培訓勞動量。

3.教材內容的開發不能滿足教學培養的要求

教材內容的開發設計不能滿足高校工業機器人視覺課堂教學和人才培養模式的要求。一些高校選擇與技術專業課程管理系統相關的可視化系統教材進行課堂教學。另外一個方面，實驗環節的不足甚至缺失，教學過程同工業生產實際的脫節，導致課程內容的空洞化和抽象化，理論不能同實踐相互結合，導致學生的學習效果不佳。

4.工業機器人視覺課程實踐缺乏

從實用機械設備來看，各個院校使用的實用機械設備不同，有的是集成度較高的集成視覺效果工作平臺，有的是結合獨立程序編寫的視效設備，而有些高校的視效設備存在老化現象。同時，高校缺乏實用的機械設備，使得大部分學生無法親自操作和體驗真實的操作環境。例如，作為工業機器人視覺中的一個重要部分，成像系統的設計需要一個光學成像實驗平臺，以便學生能動手完成光源、工業相機和鏡頭的選型，相機的標定、成像參數優化等一系列環節。經實地調查發現，實踐培訓大多只具有簡單實用的功能，并不能保證基礎理論課堂教學與專業技能實踐的真正結合。視效練習機器設備陳舊，數量少，再加上課堂教學場地的合理分割，勢必會阻礙學生專業能力的培養，導致學生畢業后無法立即勝任工作。

5.評價手段單一

由于課題研究不完整，評價指標體系十分薄弱。高校過分關注學生的實踐成果，缺乏以實踐能力為基礎的課堂教學評價方法。在教育實踐過程中，教師必須根據不同受教育者的特點，從自我評價、工作小組評價和學生評價兩個層面設計評價方法[3]。多層次、多樣化、多主體、多過程的復習，必須要有優秀的課程內容方法來支撐，因為高校課程開發水平相對落后，機器人視覺課程的內容并沒有達到很高的水平。

三、對策研究

1.確定課程目標

課程總體目標的明確性應與工業機器人專業人才培養模式相一致，屬于技術專業人才培養模式。事實上，公司生產制造方面的權威專家和高校課程開發方面的權威專家，是根據實際崗位的典型工作目標、崗位職責和規定，共同協商的。視效設備的硬件配置和基礎知識，可靈活運用于不同應用領域，選擇站內設備；熟練掌握站內設備的連接和通訊，保證工作平臺的運行和調整，嚴格遵守我國和公司安全環保規章制度；具有良好的溝通和團隊合作精神，培養了吃苦耐勞、敬業奉獻、熱愛工作等職業素質，具備對基本問題進行個別分析和處理的能力[4]。

2.選擇課程內容

課堂教學層次是根據以下學習訓練和工作任務設計的，包括學習內容、專用工具、方法和組織結構和法規。制定學習內容的關鍵是從典型的工作目標開始。調查發現，公司視覺特效技術工程師的工作任務是為招標人提供新項目的整體結構和技術解決方案，選用視覺等非標輔機設備，對工業機器人、攝像頭內外主要參數進行標定，進行智能機器人程序編程。選擇基本工作任務作為大學生的學習內容，客觀上符合學生認知能力的規律性，也符合公司的實際工作情況。學習培訓要實事求是，參照公司具體工作要求進行設計方案，優化各部分學習內容，明確提出基本規定[5]。

3.課程標準研制

由于工業機器人視覺必須靈活運用智能機器人、視覺系統等相關專業知識，且公司制造業應用較多，本課程內容的定位是技術類專業的主修課程。課程內容的日常任務在于典型工作目標的內容規定。參考有價值的工作目標可以具體指導如何指定課程內容以及如何培養人才。第一學年，學生必須學習和培訓《機械基礎》《機械識圖與CAD》《電工電子技術基礎》《機器人編程與操作》《大學計算機基礎》《數字圖像處理基礎》等技術專業課程，獲得機械設備、電子設備和智能機器人等。相關基礎知識和工作能力；第二學年，深入學習《PLC編程與控制技術》《氣動液壓系統安裝與調整技術》《工業機器人視覺應用》《機器視覺算法基礎》等主要技術課程；第三學年進行《工業機器人工作站聯合調試》《工業機器人工作站故障檢測與維修》《工業機器視覺與人工智能》等方面的學習培訓，靈活運用前幾年的學習成果，從基本專業技能塑造，到技術專業的核心競爭力增強，最終是技術專業技能的綜合運用，由淺入深地提高學生的專業能力。

4.教學材料設計

課程目標源于教學目標的優化，分為專業知識總目標和專業技能總目標。專業知識標志主要包括了解并聯機器人的結構特點和適用范圍；掌握機器視覺技術的組成和功能特點；掌握圖像采集、解析、分析、導出的全過程；了解機器人的簡單視覺識別程序流程圖；了解簡單的機器視覺、圖像處理和人工智能算法。通過學習培訓，學員可以對視效機設備工作平臺進行一些基礎知識儲備，有利于下一步的實際操作[6]。專業技能的總體目標具體包括視覺識別系統硬件配置的連接和編程能力：精通輸送鏈跟蹤系統的軟件接線、設置和校準；可以使用視覺識別系統的手機軟件進行圖像模板設置；可以完成視覺識別系統與工業機器人之間的通信；熟練工業機器人的編程和編寫。當學員靈活運用所需技術的總體目標時，可以有效地實施公司機器人視覺相關的裝配調整工作。

5.課程評價設計

在正常的教學評價情況下，教師必須綜合考慮評價目標的制定、評價指標體系的多樣化、評價方法的多樣性和評價的概括性，選擇課堂教學評價為主導、結果評價為輔助的評價方法。主要是對受教育者的學習興趣、學習過程、學習效率和危害課堂教學的非智力因素進行綜合評價，更關心學生的發展。評審評價量表由個人評價表、工作小組評價表、教師評價表和公司評價表四部分組成。個人評價的評論份額是10%，工作組評論份額是20%，教師評價和公司評論份額各35%。

（1）個人評價

學生自我評價是學生進行自我綜合評價和反思的全過程。評價量表的設計必須完善受教育者學習過程的評價指標體系。例如，學生課堂學習狀況、對視覺工作平臺工作流程的理解程度、視覺識別裝置的安裝與調整，以及與同一組的合作情況等。綜合評分，滿分100分，主要針對機器人視覺工作流程和安裝調試的全過程進行的。

（2）組間評價

工作組的意見有利于大學生建立更好的市場競爭和相互關系。評論設計方案從信息搜索、認知工作、參與、學習方法、工作全過程、邏輯思維六個方面考慮。評語的整個過程更加關注學生的學習狀態和學習方法。在工作組行動的整個過程中，對學生工作能力和團隊合作能力的評價非常重要。

（3）教師評價

在評價層面，教師應全面、理性地對學生的學習和培養全過程進行評價。教師必須對學生的課堂學習、培訓和前期準備情況進行評分，以確保學生在進行視覺效果調整之前有足夠的前期準備。同時，教師要在學習活動的全過程中對一般工作全過程中的每一個過程進行點評，重點關注工作流程計劃、視覺效果調整的自糾自檢、學生的工作質量水平等。

（4）公司評價

學員的專業知識、專業技能和方法可以按照企業的評價標準進行提升和優化，專業能力向社會需求的轉化有利于提高素質的人員培訓。除了有意義的工作的全過程，公司評審更關心的是措施的實施全過程和評審呈現的階段，這在公司的業務中非常重要。

結語

雖然學科基礎理論比較完備，但公司在該領域的專業人才自始至終都在變化，高校教育人才培養模式的變化和課堂教學改革永遠不會停止。雖然筆者根據調查已經明確表示，工業機器人技術技能崗位存在空缺，但由于時間的變化，這樣的典型崗位和工作目標都會發生變化。專業課程的內容必須與工業企業的實際生產過程相結合，使培訓效果更好地發揮高校教育人才的作用，完善人才培養模式，服務于國家的工業自動化和智能化升級改造。