OBE 理念下項目驅(qū)動的機器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實踐

施瀅，王艷，曹芳

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 前言

機器視覺技術(shù)作為一種融合信息技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)和人工智能等多方面的新技術(shù)，已在機器人導(dǎo)航、無人駕駛、智能檢測、信息壓縮與檢索等鄰域得到了越來越多的應(yīng)用。機器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程，對學(xué)生的實踐實驗要求較高。但是，該課程的理論較多且較難，傳統(tǒng)的課程內(nèi)容過于深奧，不太符合獨立學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，容易使學(xué)生產(chǎn)生強烈的挫敗感，無法激起學(xué)生的研究欲望，學(xué)習(xí)效果較差。

對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才，按照原有的以算法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)為主，工科教學(xué)理科化模式容易使學(xué)生陷入復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式中而脫離實際應(yīng)用，滿堂灌輸枯燥的數(shù)學(xué)知識，使學(xué)生很快失去興趣，課程學(xué)到最后仍然不清楚“為什么”和“怎么用”，實踐教學(xué)與企業(yè)需求脫節(jié)，導(dǎo)致解決實際工程問題的能力有限。因此，如何將一個具體的實際項目分解為相關(guān)的實踐教學(xué)模塊，與課程教學(xué)知識點相融合，在OBE 的理念下用項目驅(qū)動教學(xué)，能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，能更好地培養(yǎng)學(xué)生解決較復(fù)雜工程項目的能力。如何根據(jù)OBE 理念，將實際項目融入課程，完善課程教學(xué)內(nèi)容，具有重要的研究價值。

2 項目驅(qū)動的教學(xué)內(nèi)容改革

2.1 選取基于機器視覺的手勢識別控制系統(tǒng)項目進行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

在實際工程項目中，基于機器視覺的手勢識別控制系統(tǒng)，主要由視頻/圖像輸入、預(yù)處理、特征提取、手勢識別和鼠標(biāo)控制等5 部分組成；機器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程，主要由圖像與視覺系統(tǒng)、圖像分析基礎(chǔ)、圖像變換、圖像增強、圖像分割、圖像識別和機器視覺的高級感知等7 部分組成，根據(jù)課程教學(xué)大綱，將實際項目進行分解，融入教學(xué)，設(shè)計完成的教學(xué)內(nèi)容，兩者的對應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 課程教學(xué)內(nèi)容與項目的對應(yīng)關(guān)系

2.2 設(shè)計完成優(yōu)化的課程具體內(nèi)容

選取的實際項目基于機器視覺的手勢識別控制系統(tǒng)，根據(jù)課程大綱，可分為以下5 個模塊。

模塊一：視頻/圖像輸入，主要實現(xiàn)：（1）圖像文件讀入和顯示；（2）讀視頻文件和運動物體檢測。

模塊二：預(yù)處理，主要包括去噪、膚色檢測、二值化、形態(tài)學(xué)處理、輪廓提取，其中較為重要的是膚色檢測和輪廓提取。去噪即濾波，主要是為了實現(xiàn)對圖像噪聲的消除，增強圖像的效果，可以結(jié)合實際實驗效果選擇是否在獲取圖像后先進行濾波，在膚色檢測后會有二次濾波。膚色檢測主要方法有：基于RGB 顏色空間、基于HSV 顏色空間和基于YCrCb 顏色空間。形態(tài)學(xué)處理，即便是比較好的膚色檢測算法，分割出來的手勢，也難免有黑點，或者背景有白點，需要對分割出來的手勢圖進行進一步處理，主要是腐蝕和膨脹兩個操作。腐蝕和膨脹是針對白色部分（高亮部分）。輪廓提取是對膚色檢測后的圖像提取手勢區(qū)域。

模塊三：特征提取，手勢特征多種多樣，可以多特征融合，提高手勢識別正確率。如對輪廓點坐標(biāo)的傅里葉描述子的提取。

模塊四：手勢識別，手勢識別主要包括建立特征庫、建模、訓(xùn)練、匹配等。建立特征庫，采集手勢1 ～10，同時利用旋轉(zhuǎn)平移等操作對得到的手勢庫進行擴充。對整個手勢庫中的每張照片中的手勢。

輪廓線計算傅里葉描述子并保存。

模塊五：鼠標(biāo)控制，需要在程序中模擬鼠標(biāo)的移動、點擊等動作。如何調(diào)用Windows API 函數(shù)實現(xiàn)鼠標(biāo)模擬操作的功能。通過手勢識別控制鼠標(biāo)動作，可以在畫圖中畫畫、玩相關(guān)游戲等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3 教學(xué)模式的改革

3.1 教學(xué)模塊、模式和形式的優(yōu)化

機器視覺技術(shù)及應(yīng)用課程需要有數(shù)字圖像處理和機器視覺的理論知識，本門課程共48 學(xué)時，分理論教學(xué)32 學(xué)時和實踐教學(xué)16 學(xué)時。在近年來的教學(xué)過程中，一直探索如何充分融合理論教學(xué)和實踐教學(xué)，能讓學(xué)生在課程學(xué)時內(nèi)完成理論知識學(xué)習(xí)和系統(tǒng)設(shè)計，總結(jié)如圖2。

圖2 教學(xué)模塊、教學(xué)模式和教學(xué)形式的優(yōu)化

教學(xué)模塊主要分3 大部分：理論知識、實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計。

理論知識模塊，主要采用翻轉(zhuǎn)課堂模式進行教學(xué)。課前，教師將本節(jié)課即將學(xué)習(xí)的理論知識歸納總結(jié)成文字和視頻發(fā)布到班級群，學(xué)生利用課余時間進行課前預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。課堂中，主要采用案例式教學(xué)模式，根據(jù)課前學(xué)生反饋，總結(jié)出本章節(jié)重點和難點進行引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，解決學(xué)生疑難問題，提高課堂上課效率。采用翻轉(zhuǎn)課堂和項目驅(qū)動教學(xué)模式研究討論理論難點和最新研究成果，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，解決問題，提升學(xué)生的獨立思考能力和團隊合作能力。課后，學(xué)生可以參加學(xué)術(shù)報告講座，開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

實踐能力模塊，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)完課程后完成基于機器視覺的人機交互系統(tǒng)設(shè)計。實驗主要分五個小項目完成，分別在學(xué)習(xí)完該項目對應(yīng)的理論知識后完成，并在最后系統(tǒng)性完成整體設(shè)計，實驗環(huán)節(jié)五個小項目與課程對應(yīng)關(guān)系如圖1。理論知識學(xué)習(xí)完會將涉及該知識點的項目任務(wù)布置給學(xué)生，學(xué)生通過知識點的學(xué)習(xí)，結(jié)合論壇、文獻等網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)計項目方案；學(xué)生可以相互交流，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步實現(xiàn)項目任務(wù)。通過項目式驅(qū)動教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程興趣，更好地培養(yǎng)了學(xué)生課程設(shè)計的綜合能力。

創(chuàng)新設(shè)計模塊，主要目標(biāo)就是培養(yǎng)能解決實際工程問題的應(yīng)用型工程師，本文提到立足獨立學(xué)院的實際辦學(xué)情況，主要依托學(xué)科競賽賽題，并結(jié)合實際工程項目，將較大較復(fù)雜的工程項目，進行顆粒化分解，形成相應(yīng)的實際教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)不同難度梯度劃分的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進行探索實踐，構(gòu)成本文的探索式教學(xué)方法。學(xué)生通過該模塊的培養(yǎng)，可以自主探索感興趣的工程項目問題和培養(yǎng)團隊合作意識。通過自主組合團隊的方式，獨立申請相應(yīng)的江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目、學(xué)校學(xué)生科研訓(xùn)練計劃、參加全國性高水平學(xué)科競賽來進行相關(guān)的創(chuàng)新實踐。依托和國內(nèi)外知名企業(yè)合作的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地和聯(lián)合實驗的平臺，結(jié)合企業(yè)實際需求，圍繞一系列產(chǎn)教融合課程開發(fā)，進一步優(yōu)化了產(chǎn)教融合專業(yè)建設(shè)。

3.2 強化OBE 的項目解決能力的改進課程考核方式

傳統(tǒng)的課程的考核主要是由平時成績和期末考試成績※兩部分組成，但是，該課程以實踐項目解決知識點融入課程內(nèi)容，同時根據(jù)OBE 理念，重點突出考核學(xué)生的實踐項目解決能力，突出學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。考核成績根據(jù)課程采用的基于機器視覺的手勢識別控制系統(tǒng)五個部分，采用筆試（50%）+項目完成度(50%)，其中項目完成度分?jǐn)?shù)由第一部分（5%）、第二部分（10%）、第三部分（10%）、第四部分（15%）和第五部分（10%）成績。在學(xué)生完成創(chuàng)新實踐設(shè)計后進行分組答辯，答辯過程中重點關(guān)注學(xué)生是分析問題、解決問題以及設(shè)計創(chuàng)新點，這種過程化考核方式可以更好評估學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

4 結(jié)語

隨著OBE 教學(xué)理念在《機器視覺技術(shù)及應(yīng)用》課程中的應(yīng)用，打開了一個全新的教學(xué)方法。通過理論知識、實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂、項目驅(qū)動式教學(xué)和探索式教學(xué)等，有效地提升學(xué)生獨立思考能力、團隊合作能力，提高學(xué)生參與度和積極性。利用過程化考核方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與內(nèi)在動力，提高教學(xué)質(zhì)量及效率。