機器視覺與圖像處理課程教學改革嘗試

姜曉勇 魏璇 董正橋 周柔剛

摘? 要：新一代科學技術正在全球掀起新一輪產業革命，國家新型戰略層面大力推動智能機器人、自動導航等方面技術進步與產業發展，產業升級推動人才需求。該文立足國家人才強國新戰略，結合智能機器人、智能制造等方面人才現狀及需求，針對學生在教學過程中缺乏主觀能動性、學生掌握技能與社會需求脫節和校企合作存在的突出問題。對機器視覺與圖像處理課程教學過程中發現的相關問題進行探討，并提出TPCI教學方法（TPCI：theory、practice、cooperation、innovation），即理論、實踐、合作、創新和教育內容與工作實踐相結合的校企聯合雙元育人模式，利用翻轉課堂的形式夯實學生理論知識的基礎后，深入企業實踐創新，力圖解決教學中存在的部分問題。

關鍵詞：人才需求；TPCI教學方法；校企聯合；雙元育人模式；翻轉課堂

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）19-0152-04

Abstract： The new generation of science and technology is setting off a new round of industrial revolution in the world. The national new strategic level vigorously promotes the technological progress and industrial development of intelligent robots and automatic navigation， and industrial upgrading promotes the demand for talents. Based on the new strategy of strengthening the country with talents， combined with the current situation and needs of talents in intelligent robots and intelligent manufacturing， this paper aims at the prominent problems of students' lack of subjective initiative in the teaching process， the disconnection between students' skills and social needs， and the cooperation between schools and enterprises. This paper discusses the relevant problems found in the teaching Process of Machine Vision and Image Processing， and puts forward the tpci teaching method （tpci： theory， practice， cooperation and innovation）， that is， the school enterprise joint dual education mode combining theory， practice， cooperation， innovation and educational content with work practice. After consolidating the foundation of students' theoretical knowledge in the form of flipped classroom， it goes deep into enterprise practice and innovation， trying to solve some problems in teaching.

Keywords： talent demand; Tpci teaching method; school enterprise alliance; dual education mode; Flipped Classroom

機器視覺與圖像處理這門課程是機械設計制造及其自動化專業的重要課程，主要論述運用計算機視覺與圖像識別的相關理論、算法對各種工程問題進行設計、測繪、建模、預測與仿真，并能搭建視覺系統完成圖像的拾取、存儲、傳輸、處理、分析、識別和理解等工作，達成具體的任務目標。課程綜合性強，涉及數學、光學、電子學和計算機科學等學科，理論性深，內容抽象，不易理解。在傳統的教學模式下，學生在課堂教學中主要是被動學習，在教學過程中缺乏主觀能動性，只是機械地按照老師的要求做，把老師教的內容記住就可以了，但現在學生有希望強化工作實踐和就業能力的迫切要求，企業也有想避免學生畢業后職業能力匱乏的需求，因此教師需要尋找更有針對性的教學方法。

一? 傳統教學的局限性

當前，社會已經進入了信息化網絡時代，高校的機械與能源學院開設的選修課程機器視覺與圖像處理是一門交叉學科，包含了光學、計算機學、電子、機械和控制等多方面知識，學習起來起點比較高，難度也較大，是學生在多領域的理論和實踐掌握的綜合應用，高校根據實際經驗對此課程進行了教學改革，在教改的過程中卻存著以下不足，對于機器視覺與圖像處理這門課程，學生面對的是抽象的理論和煩瑣的數學公式，傳統的教學模式里以教師對理論知識的講解和公式的推導為主，學生在學習過程當中很快就失去了興趣，對知識的理解也十分有限，傳統的教學方法存在較大的局限性。主要體現在以下幾個方面。

（一）? 在有限的課堂時間里，學生主要以被動學習為主

在機器視覺與圖像處理這門課程當中，射影幾何、信號處理、工程光學和軟件算法等理論知識復雜繁瑣，有大量的基礎知識需要學生學習、理解。在傳統的教學模式下，課上以教師的講解為中心，并且教師在課堂上的時間多用于為學生推導公式，學生理論知識的來源主要來自于教師在課堂上有限時間內的敘述，學生課上幾乎沒有時間進行思考和討論，教學過程也只是教師的個人表現。學生只能通過看老師的講課、演示等言行來學習課本知識，導致學生的專業知識單一狹窄，知識量淺，難以學以致用，缺乏知識創新。基于這一問題，機器視覺與圖像處理課程采用翻轉課堂教學模式。梳理教學資源，利用在線學習的平臺優勢，為學生提供充足的學習資源。引導學生在課前通過網上查找資料和觀看相關教學視頻進行預習。教師可以提前完成專業知識的教學。課堂上在教師的配合和幫助下，學生進行小組討論和交流，完成知識的內化，從而實現更高效的課堂教學。

（二）? 學生對知識的學習停留在理論層面，無法實際應用

機器視覺與圖像處理是門實踐性很強的課程，學生如果只是在課堂上學習理論知識，學生的學習面會比較窄。學生在學習過程中，大多是依靠教師來解釋知識，實踐部分的學習時間太短，且教學形式單一。這使得許多學生在畢業后難以滿足智能制造業的需求，甚至缺乏處理實際問題的能力。此外，教學課本的內容相對簡單，知識非常有限，因此，長期發展下去必然限制了學生的學習，而且也限制學生的知識面橫向發展。學生學習不涉及具體應用知識，一切都是紙上談兵。學生在教科書中學習到基本知識，就表明這種知識已經得到傳承。如果學生只從教科書中學習基本知識，他們就會成為知識的傳承者，那么知識就無法應用于實踐。學校對人才的培養受到教學內容單一和實驗資源有限的制約，學生難以在學校獲得先進技術和工業設備。高等院校在人才輸出和市場實際需求之間存在巨大差距，導致學生在畢業后進入工作崗位之前，必須先經過專業的培訓，因此迫切需要企業與高校聯合培養智能制造業人才，并調整人才培養模式的方向與產業需求精準對接。

（三）? 學生缺乏問題意識

傳統的教學模式下課堂上以教師的講課為主，學生被動地獲取知識，他們所學到的知識都是固定的，老師也只是確保學生在學習過程中沒有問題，不能培養學生對問題的認識。一堂課結束，如果老師不提出問題，學生很少能主動發現問題。學生的問題解決能力更無從培養。教師教授基本知識，發現知識的過程總是被輕描淡寫地帶過，也沒有教學生如何在眾多謬誤中辨別真理。教師在教學過程中沒有提出問題，也不為學生設計問題。除了從課本中掌握基礎知識，學生不知道再能去學些什么，更不可能激發學生解決問題的能力。刻板的順序化的課堂授課不能讓學生融會貫通本課程不同章節的知識，更無法談及不同課程相關知識的融會貫通。教學的目的不能止于學生對基礎知識的學習，學生在學習基礎知識后還要再縱向發展，并學會利用知識解決問題。而解決問題所需的知識往往涉及許多方面，需要一本或幾本書上不同章節知識的綜合，特別是在機器視覺與圖像處理這門課上還會涉及多個不同課程中知識的綜合應用。學生在按照教材中知識排列的順序完成學習后，不同章節的知識相互融合都非常困難，更不用說再學習如何通過自我學習發現和解決問題，并了解知識在解決問題過程中的價值。在教學過程中增強學生的動手實踐能力，在實踐中發現問題，以實際應用帶動理論學習，并通過學生獨立思考和主動查閱資料解決問題，就可以大大增加學生的學習主觀能動性，進一步培養學生思考創新能力、理性批判能力和終身學習能力。

二? 機器視覺與圖像處理教學改進措施

解決機器視覺與圖像處理課程中存在的諸多問題，教師和學生需要共同努力，但教師在改變教學行為方面發揮著領導作用，并且可以激勵和影響學生學習方式的改變。針對機器視覺與圖像處理教學改革，在此提出一套TPCI教學方法論，即理論、實踐、合作和創新，也稱TPCI原則（TPCI為英文theory、practice、cooperation、innovation四個詞匯的第一個字母）。如何通過課上有限的時間扎實學生的理論學習，成為教學改革的首要任務，教師要在課前對教學內容進行設計，在課堂上學生的學習內容必須比教師教的廣泛得多，課堂上教師教授的內容必須量少但精簡，學生學習的內容必須廣泛且深刻。機器視覺與圖像處理課程需要的實踐設備費用昂貴，高校的實驗設備資源有限，學生往往理論知識豐富，但實踐經驗與產業需求相差巨大。隨著我國產業結構從勞動力轉向創新，創新成為國家發展的主要驅動力。創新的關鍵是人才，為使高校培養人才能夠適應工業結構的調整，2017年12月國務院辦公廳出臺《關于深化產教融合的若干意見》（國辦發〔2017〕95號），明確指出要促進教育鏈、人才鏈、創新鏈有機銜接，發揮企業的重要主體作用，促進人才培養供給側和產業需求側結構要素全方位融合。高校與企業對學生聯合培養，采用雙元育人模式是當前教育的新方式，可以更好地銜接教育系統和產業系統，實現雙方教育、人才、設備和技術等資源共享。校企合作雙元育人模式下，不僅增加了學生實踐的機會也讓學生的創新成果有了落地點，更為企業輸送人才，實現高校與企業的雙贏。

（一）? 夯實理論基礎

隨著信息技術、多媒體網絡技術的發展，機器視覺與圖像處理課程采用翻轉課堂的教學模式，整合傳統教學方法，引導學生由獨立學習向小組合作、交流的方式學習進行轉變，加強課后培訓實踐，尋求創新繼而發展豐富的科學理論，以此培養具有強大知識運用能力的高技能創新人才。與傳統教學模式相反，新的教學方法不再是教師傳授知識，而是學生作為主要機構的自我學習，從而培養學生檢索知識的能力和利用所學知識解決實際問題的能力。為了增強學生學習的主觀能動性、增強學生的問題意識，將翻轉課堂這種新型教學模式運用在機器視覺與圖像處理課程教學中，為教學改革注入新的思路和發展方向。

課前教師布置預習內容，學生必須使用教學視頻、教學大綱、課程案例等教育資源來完成課堂前學習任務，學生可以與同學討論或在網上與教師溝通，也可以到課堂上與教師和同學一起討論和學習，以確保學習的順利和連續性。

機器視覺與圖像處理課程非常重視對學生的問題意識、創新思維和應用能力的培養。因此，至關重要的是學生能夠在學習過程中學會提出問題，從而使提出問題和解決問題成為課堂的核心，并培養學生思考的能力。在開始上課之前，學生們需要先進行初步的學習，課堂上教師再帶領學生共同研討分配給他們的任務，以此把重點放在學生們提出共同的和經典的問題上。引導學生理解和掌握智能制造相關應用，使學生對機器視覺與圖像處理課程的學習充滿激情。在課堂上，教師應設計與實際應用有關的一些問題，以激發學生的思考，指導學生探索和分享實際應用中涉及的知識，以了解和掌握學生的想法，并引導學生深入思考和探索新的知識。在課堂溝通和討論過程中，教師必須充分尊重學生的想法和意見，幫助學生接受新知識，同時也可以培訓學生進行獨立思考和分析以及解決問題的能力。

（二）? 深入企業動手實踐

機器視覺與圖像處理是一門綜合實踐性很強的科目，為解決學校培養的知識型人才和社會需求的實踐型人才脫軌的問題，采用了校企聯合的方法，打造校企協同育人的“雙元”聯合體。高校作為人才培養的主力軍，傳統關起門來搞教育的培訓方法不再可靠，因此有必要提高企業對大學培養的參與程度，高校與企業合作建立“雙元”培養模式，將學校培養與企業培訓相結合，并擴大和深化學校與企業之間的合作。

1? 高校和企業聯合制定培養計劃

教師必須積極擴大與公司的溝通渠道，調查技術產業的發展現狀和發展趨勢，根據目前市場對人才的需求，聽取相關公司的建議，同時以視覺機器和圖像處理課程的教育資源為基礎探究未來工業發展趨勢，確定市場需求和人才產業的發展方向，改進人才培養方案。智能制造業需要強大的實踐能力，員工不僅需要堅實的基本理論知識，還需要實踐技術和創新能力。因此，高校培養人才的目標應以“夯實基礎，加強實踐”為根本，促進理論知識和實踐技能的結合，提高學生的實踐能力，培養學生探究精神和創造力。通過企業專業的工作人員與任課教師的溝通，根據機器視覺與圖像處理課程設置，與企業實際需求相結合，在課程規劃方面與企業人員共同制定培養方案，并盡力豐富工作人員培訓內容。學校的教學內容應嚴格符合企業需求，因此學生更加需要加強基礎知識和實踐能力。

2? 校企共享教學資源，優化培養方案

在構建課程體系的過程中，機器視覺與圖像處理課程根據相關企業的建議，可以調整教學目標和內容，合理地改進課程內容，與合作企業共同開發課程，加強與企業合作開發課程的能力。企業擁有專業從事實踐教學的相關資源，如和杭州匯萃智能科技有限公司開展的學生及一線員工進行面對面培訓與交流座談會，通過整合提煉企業教學資源，可以充分發揮高校的理論優勢和企業實踐資源優勢，建立精品課程，將企業專業人員與高校教學平臺結合起來，可以錄制傳統經典工程、技術培訓、培訓過程和其他的相關視頻培訓課程，供學生課前進行了解、學習，進而建立從基礎理論到實踐應用的全方位、全過程的課程體系。使學生不僅具備扎實的專業基礎知識，還可以了解“主流機器視覺硬件的選型與搭建、常用機器視覺軟件如HCVisionQuick等的應用和實操”等工程實踐知識。

3? 校企合作雙師育人

通過學校與企業之間合作建立一個教師隊伍，可以發揮高校的人才優勢和企業的資源優勢，與此同時，可以鼓勵有經驗的企業技術工程師到高校，并為其開設相關的課程，將企業先進的技術和實踐經驗與高校的系統的學科體系結合起來，通過高校與企業的合作，建立新的教學制度。通過高校和企業之間的合作，豐富教學系統，聘請智能制造業專家，幫助學生將理論學習與工程實踐結合起來，打造理論與實踐相結合的教學大綱。高校的老師和企業的指導老師也可以深化發展合作，共同申報課題，技術項目還可以用于學生畢業課題，在擴大理論深度的同時加強學生的實踐能力。

（三）? 增強合作力求創新

企業可以提高學生分析和解決復雜問題的能力，培養學生對智能制造業的創新認識和創新能力，校企可以聯合開展智能制造設計競賽和創新應用競賽等，挖掘并培養具有創新意識的高校人才。優化校企項目的合作示范，高校需要盡快將科研技術成果轉化落地，在高校項目上與企業開展合作可以加快將科研技術成果轉化落地，并幫助企業解決實際問題。高校的科學研究應該貼合當前智能制造業的產業需求，并注意將新技術與市場需求結合起來。高校可以根據企業的需要組成相關的科學研究項目，企業可以提供先進的技術設備和試運行條件，如以杭州匯萃智能科技有限公司的機器視覺實驗平臺為基礎，開展重點行業機器視覺攻關。這種模式開展的校企合作理論與實踐結合緊密，更加貼合智能制造行業難點和痛點。而研究和開發成果可以轉讓給企業，企業可以基于大學的科學研究成果將其轉化為技術產品。與此同時，高校可以提供研究和開發去支持企業，從而提高其研發的效率，節省研發成本，提升產品創新的效率。此外，企業可以根據市場要求、技術發展趨勢與高校發展合作，智能制造企業往往擁有先進的技術經驗，但缺乏理論知識，高校可以參與建立技術研發小組，開發新產品和探索新技術，將其應用于企業發展，并從合作中獲取實踐經驗、先進技術和人力資源。最終把科學技術成就、科研成果推廣到市場上，推動智能制造業的獨立創新。

三? 結束語

利用翻轉課堂的形式夯實學生理論基礎，課堂上以學生為主體，充分發揮學生在課堂上的作用，培養學生的問題意識和探索精神，培養學生獨立思維、獨立解決問題的能力。校企合作雙元育人的模式提高學生實踐創新的能力，提高了學生綜合素質和整體性協調發展，在一定程度上，其符合學生的個人發展要求，也符合培養創造性人才的理念，此方案可以為智能制造業的人才培養提供一種培養思路。

通過校企合作的方式不僅推進了科研滲透教學，引導教師將高水平的科研項目、工程項目成果融入教學內容，更促進學生創新實踐能力培養。通過學生在企業的運用所學知識動手實踐，學生遇到問題、思考問題、解決問題來學習知識、運用知識、思考知識，繼而增強學生“敢于質疑”意識。讓教師與學生、學生與學生在課堂上有了更充分的時間進行討論和交流，讓學生擁有更多思考、質疑和展示的機會。營造輕松活潑的課堂氛圍，推動以問題為中心的教學，在課堂上形成“敢于質疑”的課堂文化，增強學生的創新能力，為國家培養復合型、創新型和應用型的人才。

參考文獻：

[1] 別敦榮.大學教學改革新思維和新方向[J].中國大學教學.2022（5）：66-70.

[2] 林麗芳.校企合作模式下環境設計專業翻轉課堂教學模式的探索[J].六盤水師范學院學報，2021（5）：92-99.

[3] 王衛民，吳永樂，張一凡.產教融合視域下芯片領域校企合作雙元育人模式探索與研究[J].中國大學教學，2021（6）：67-71.

[4] 黃治同，紀越峰，尹長川.面向電子信息類創新人才培養的一流本科課程建設探索與實踐[J].中國大學教學，2021（10）：43-48.

[5] 胡清華，王國蘭，王鑫.校企深度融合的人工智能復合型人才培養探索[J].中國大學教學，2022（6）：43-57.

[6] 姜大源.“教育+”格局構建芻議——從德國“職業教育+”看新制主義同形理論的映射[J].中國高教研究，2021（1）：96-101.

基金項目：浙江省本科高校2020年度省級一流課程“機器視覺與圖像處理”（浙教辦函〔2021〕195號）

第一作者簡介：姜曉勇（1976-），男，漢族，浙江武義人，碩士，正高級工程師。研究方向為水下機器人、特殊工業機器人、機器視覺和智能制造。