“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程多級(jí)教學(xué)優(yōu)化的探索

歐陽　喻洪平　袁新璐　袁萍

摘 要：為提升學(xué)生在“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程學(xué)習(xí)中全周期過程的學(xué)習(xí)質(zhì)量，以重視過程性考核為重要導(dǎo)向，提出采用“課前準(zhǔn)備+課堂交互+實(shí)驗(yàn)鞏固+課后總結(jié)”的多級(jí)教學(xué)優(yōu)化手段，從各個(gè)階段不斷前向反饋學(xué)生對(duì)該階段的知識(shí)掌握程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整前向階段的知識(shí)講授結(jié)構(gòu)，更加合理化地準(zhǔn)備各項(xiàng)課堂環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，以實(shí)際生活案例反哺課堂知識(shí)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺 多級(jí)優(yōu)化 反饋機(jī)制 動(dòng)態(tài)調(diào)整

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，我國的國際地位得到了進(jìn)一步的提升。“少年強(qiáng)，則國強(qiáng)；少年富，則國富。”影射出優(yōu)質(zhì)人才對(duì)一個(gè)國家的重要程度。高的國際地位對(duì)我國高等教育人才培養(yǎng)的質(zhì)量提出了新的要求與考驗(yàn)。高等院校專業(yè)課程的設(shè)置以及培養(yǎng)方案的制定，要滿足當(dāng)前環(huán)境下高質(zhì)量人才培養(yǎng)的需求，因此課程教學(xué)的優(yōu)化迫在眉睫[1]。“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程是成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開設(shè)的一門專業(yè)拓展課，涵蓋了機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分和多個(gè)典型行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

機(jī)器視覺是人工智能范疇最重要的前沿分支之一，也是智能制造裝備的關(guān)鍵零部件。機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)在消費(fèi)電子、汽車制造、光伏半導(dǎo)體等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用[2]。當(dāng)前，我國機(jī)器視覺行業(yè)正處于快速發(fā)展期，存在很大的發(fā)展空間，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模在不斷擴(kuò)大中。該課程以機(jī)器視覺組成要素為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)原理為主體，核心算法設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了硬件搭配和軟件開發(fā)的結(jié)合，是一門理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。

對(duì)于多數(shù)尚未接觸實(shí)際應(yīng)用型項(xiàng)目的本科生而言，對(duì)機(jī)器視覺的認(rèn)識(shí)或理解是未知的，或是相對(duì)模糊的，也是碎片化的。通過“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握機(jī)器視覺技術(shù)的基本概念，機(jī)器視覺系統(tǒng)典型的硬件組成，各硬件選型或設(shè)計(jì)所需要考慮的因素，核心技術(shù)所涉及的圖像處理算法，培養(yǎng)學(xué)生分析和處理圖像的基本能力，為今后從事工程技術(shù)工作、科學(xué)研究等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 多級(jí)教學(xué)優(yōu)化方案

“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程采用“課前準(zhǔn)備+課堂交互+實(shí)驗(yàn)鞏固+課后總結(jié)”的多級(jí)教學(xué)優(yōu)化手段，如圖1所示，旨在從各個(gè)階段不斷前向反饋學(xué)生對(duì)該階段的知識(shí)掌握程度，動(dòng)態(tài)調(diào)整前向階段的知識(shí)講授結(jié)構(gòu)，更加合理化地準(zhǔn)備各項(xiàng)課堂環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，以實(shí)際生活案例反哺課堂知識(shí)教學(xué)[3]。

1.1 課前準(zhǔn)備

（1）經(jīng)典教材挑選

成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的本科專業(yè)拓展課課程“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”針對(duì)大三上學(xué)生所需的機(jī)器視覺實(shí)際項(xiàng)目基本知識(shí)，以《機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用》（孫學(xué)宏主編）為教材，《機(jī)器視覺原理與案例詳解》（工控幫教研組編著）和《機(jī)器視覺技術(shù)與應(yīng)用案例詳解》（陳兵旗主編）為主要參考資料，根據(jù)學(xué)生需求適當(dāng)調(diào)整授課內(nèi)容。

（2）重要知識(shí)提煉

“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程的核心內(nèi)容主要有硬件和軟件兩部分，硬件的選型或設(shè)計(jì)需要考慮項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的多種因素，軟件的開發(fā)需要考慮所涉及的多種圖像處理算法。

從概述中提煉出三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1）機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)背景；2）機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本概念和特點(diǎn)；3）機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成及各部分功能。從數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)中提煉出三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1）數(shù)字圖像的表示形式和特點(diǎn)；2）像素間的關(guān)系；3）圖像的代數(shù)運(yùn)算以及應(yīng)用。從空間域圖像增強(qiáng)中提煉出三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1）圖像的基本灰度變換；2）圖像的直方圖處理；3）圖像濾波。從形態(tài)學(xué)圖像處理中提煉出三個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1）圖像的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；2）圖像形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算；3）二值形態(tài)學(xué)圖像處理和灰階圖像形態(tài)學(xué)處理基本操作。從圖像分割中提煉出四個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1）間斷分割；2）邊緣連接法；3）閾值分割法；4）基于區(qū)域的分割。從圖像表達(dá)與描述中提煉出兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)：1）圖像的表述方法；2）圖像的描述方法。從機(jī)器視覺硬件基礎(chǔ)中提煉出核心知識(shí)點(diǎn)：機(jī)器視覺典型硬件的選型，包括相機(jī)、鏡頭和光源。

（3）教學(xué)課件撰寫

根據(jù)提煉的各章節(jié)重要知識(shí)點(diǎn)，圍繞這些主干，自下而上搭建知識(shí)圖譜，然后循序漸進(jìn)地講解每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，圖文并茂地鞏固核心知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)典案例加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。另外，突出各章節(jié)的邏輯銜接關(guān)系，有效地將多個(gè)章節(jié)前后串接起來。

（4）核心方法優(yōu)化

所有教材從編制到出版需要較長(zhǎng)的周期，然而某些方法的迭代更新周期較短，因此造成教材里的少部分核心方法較為滯后。為了給學(xué)生講授最新的核心方法，堅(jiān)持閱讀國內(nèi)外最新相關(guān)文獻(xiàn)，提煉出先進(jìn)的核心方法，通過圖例結(jié)合代碼的方式，向?qū)W生展示優(yōu)化的核心方法。通過該方式，可以培養(yǎng)學(xué)生自主查閱科研文獻(xiàn)的興趣，發(fā)揮主觀能動(dòng)性。

（5）應(yīng)用視頻整理

理論知識(shí)的講授可以給學(xué)生帶來知識(shí)點(diǎn)的累積，要想更加直觀深刻的了解知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，將搜集并整理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在各行業(yè)的典型應(yīng)用視頻，為課堂講授做好材料支撐。

1.2 課堂交互

（1）生活應(yīng)用描述

理論知識(shí)在我們?nèi)粘Ｉ钪械穆涞馗苷蔑@課堂知識(shí)的重要性和實(shí)用性。針對(duì)提煉出的各章知識(shí)點(diǎn)，針對(duì)性地匹配生活應(yīng)用場(chǎng)景，抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生在日常生活中主動(dòng)且有意識(shí)地去觀察與了解與機(jī)器視覺技術(shù)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。例如，超市里的人臉識(shí)別支付系統(tǒng)等。

（2）主要知識(shí)講授

首先從一個(gè)項(xiàng)目整體上作介紹，吸引學(xué)生的關(guān)注度，然后將項(xiàng)目涉及的主要知識(shí)拆分，從數(shù)學(xué)表達(dá)上和語言邏輯上進(jìn)行講授。使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)概念有一個(gè)印象上的初步認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的教案展示作鋪墊。

（3）教案形象展示

為形象化給學(xué)生講授本課程涉及的重要知識(shí)，主要通過PPT教案進(jìn)行展示。PPT里主要講解各數(shù)學(xué)公式的由來以及推導(dǎo)的重要過程、各算法的偽代碼、算法處理的結(jié)果示例。并且針對(duì)每張關(guān)鍵的教案示圖，結(jié)合當(dāng)下流行的應(yīng)用作適當(dāng)補(bǔ)充。

（4）關(guān)鍵代碼編寫

為進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，在通過語言講授重要知識(shí)點(diǎn)之后，緊接著從零開始編寫算法實(shí)現(xiàn)所需要的關(guān)鍵代碼，主要注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)程序結(jié)構(gòu)、邏輯關(guān)系正確性的培養(yǎng)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程的代碼編寫打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

（5）應(yīng)用視頻分析

通過課前準(zhǔn)備所整理的典型應(yīng)用視頻，結(jié)合前期講授的相關(guān)知識(shí)，給學(xué)生播放帶語音解說的應(yīng)用視頻，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)和技術(shù)落地的認(rèn)識(shí)。特別地，對(duì)于應(yīng)用視頻中涉及的與所學(xué)知識(shí)相關(guān)的模塊，再次通過知識(shí)回顧的方式進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固。

在“課堂交互”環(huán)節(jié)中，了解學(xué)生對(duì)所講授知識(shí)的掌握程度，研判是否存在薄弱環(huán)節(jié)，通過前向反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整“課前準(zhǔn)備”環(huán)節(jié)各步驟的工作占比和重要程度。

1.3 實(shí)驗(yàn)鞏固

（1）典型算法分析

由于“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程是一個(gè)交叉性強(qiáng)的綜合課程，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域及其相關(guān)算法分布廣。為了給學(xué)生重點(diǎn)講授某一些當(dāng)下流行的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)該場(chǎng)景下的典型算法進(jìn)行分析，了解各模型的功能，多個(gè)不同程度段之間的聯(lián)系和邏輯關(guān)系等。

（2）應(yīng)用場(chǎng)景挖掘

學(xué)習(xí)是永無止境的，知識(shí)的更新也應(yīng)該是沒有終止的。科技改變生活，通過該課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生去思索生活中潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。機(jī)器視覺技術(shù)一個(gè)重要的功能就是將傳統(tǒng)的人工勞動(dòng)從復(fù)雜繁瑣且重復(fù)性高的工作中解放出來，學(xué)生可以以此為背景，挖掘生活中可用機(jī)器視覺替換的人工工作。

（3）理論實(shí)踐結(jié)合

實(shí)踐是提升理論價(jià)值的重要手段。理論知識(shí)一定要在日常生活中通過實(shí)踐的方式落地才能體現(xiàn)出它的實(shí)用價(jià)值。因此，可指導(dǎo)學(xué)生在機(jī)器人實(shí)踐基地觀看專業(yè)的機(jī)器視覺應(yīng)用視頻，以任務(wù)為導(dǎo)向，親自動(dòng)手參與實(shí)際的項(xiàng)目。培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

（4）編程軟件使用

近年來，各用人單位對(duì)工科學(xué)生的編程能力都提出了一定的需求。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的工科學(xué)生，不僅具有優(yōu)秀的解決工程問題的能力，還應(yīng)該具有一定的編程能力。因此，該課程特別注重學(xué)生對(duì)編程軟件的使用熟悉度，以Matlab軟件為主，Python語言為輔，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)編程軟件的使用能力。

（5）相關(guān)算法融合

針對(duì)一個(gè)實(shí)際的機(jī)器視覺項(xiàng)目，某些算法僅能實(shí)現(xiàn)某一種單一的功能，無法有效達(dá)到項(xiàng)目所要求的目標(biāo)。因此，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)分解，首先分別實(shí)現(xiàn)各算法的功能，然后以最終目標(biāo)為方向，研究多種相關(guān)算法的融合，加深學(xué)生對(duì)算法融合的理解。

在“實(shí)驗(yàn)鞏固”環(huán)節(jié)中，了解學(xué)生重要知識(shí)點(diǎn)落地的情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果分析學(xué)生的知識(shí)薄弱環(huán)節(jié)，通過前向反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整“課前準(zhǔn)備”和“課堂交互”環(huán)節(jié)各步驟的工作占比和重要程度。

1.4 課后總結(jié)

（1）算法參數(shù)的重要性

通過課堂例子和實(shí)驗(yàn)作業(yè)總結(jié)，使學(xué)生具有分析可變參數(shù)的意識(shí)，了解與掌握具體問題中各模型參數(shù)對(duì)算法性能的影響程度，養(yǎng)成對(duì)可變參數(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)尋優(yōu)的科研習(xí)慣，為今后從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

（2）潛在應(yīng)用的可行性

年輕人要敢想敢做，勇于提出問題，尋求與課程相關(guān)的潛在應(yīng)用，然后利用所學(xué)知識(shí)去試驗(yàn)，不斷發(fā)現(xiàn)并解決問題。通過經(jīng)驗(yàn)的積累以及問題的總結(jié)分析，合理判斷潛在應(yīng)用的可行性以及效益性。

（3）重要知識(shí)的到位度

分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量，結(jié)合課堂學(xué)習(xí)的專注度，及時(shí)分析學(xué)生對(duì)重要知識(shí)的到位度。考慮到“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程各章節(jié)知識(shí)是環(huán)環(huán)相扣的，因此需要在學(xué)生學(xué)習(xí)的初期就做好重要知識(shí)的復(fù)習(xí)與強(qiáng)化。

（4）專業(yè)軟件的熟悉度

采取綜合實(shí)驗(yàn)的方式，使學(xué)生對(duì)專業(yè)軟件的熟悉度進(jìn)行自我檢驗(yàn)，實(shí)時(shí)評(píng)估對(duì)該課程的掌握程度。通過小組交流討論，互相補(bǔ)充自身有待改進(jìn)之處，完善知識(shí)體系。

（5）實(shí)際問題的解決度

給學(xué)生一個(gè)不限定的題目，通過對(duì)研究報(bào)告質(zhì)量的分析，判斷學(xué)生對(duì)生活中與機(jī)器視覺相關(guān)的實(shí)際問題的解決度。了解學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的邏輯思維正確性。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)學(xué)生做適當(dāng)?shù)目蒲醒a(bǔ)充。

在“課后總結(jié)”環(huán)節(jié)中，獲悉學(xué)生對(duì)各環(huán)節(jié)知識(shí)的熟悉和重視程度，通過前向反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整“課前準(zhǔn)備”、“課堂交互”和“實(shí)驗(yàn)鞏固”各環(huán)節(jié)中的工作占比和重要程度。

2 考核方式

雖然“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程是一門專業(yè)拓展課，但是其理論知識(shí)較深、實(shí)用性較強(qiáng)，面對(duì)實(shí)際場(chǎng)景問題時(shí)的解決思路和可行辦法特別重要。方式單一的試卷考試無法全面地體現(xiàn)學(xué)生對(duì)該課程重要知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。設(shè)計(jì)合理的考核方式一方面可以提高學(xué)生對(duì)該課程的重視程度，提高課程的教學(xué)效果；另一方面可以在過程性考核中體現(xiàn)學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcome-based Education，OBE）[4-5]，通過“單元專題實(shí)驗(yàn)”結(jié)合“期末綜合報(bào)告”，從課程開始到期末全過程考核學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)成果。加入學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)，得到最終的學(xué)生成績(jī)。整個(gè)考核周期學(xué)生全程參與，通過主觀評(píng)價(jià)融合客觀評(píng)價(jià)，優(yōu)化教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 結(jié)語

“機(jī)器視覺技術(shù)及應(yīng)用”課程的難點(diǎn)是如何將生硬的數(shù)學(xué)符號(hào)運(yùn)算用圖形的方式直觀化，并將抽象的基礎(chǔ)理論知識(shí)與科學(xué)研究中的實(shí)際問題聯(lián)系起來。受限于該課程較深的理論知識(shí)，以及學(xué)生對(duì)編程語言的掌握程度差別大，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以適用于本課程的有效教學(xué)。我們通過“課前準(zhǔn)備+課堂交互+實(shí)驗(yàn)鞏固+課后總結(jié)”等多級(jí)教學(xué)優(yōu)化的手段來提高教學(xué)效果，注重基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，在每一個(gè)階段通過前向反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)結(jié)構(gòu)與教學(xué)重點(diǎn)，獲得了良好的教學(xué)產(chǎn)出。這種多級(jí)教學(xué)優(yōu)化方案不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的吸收，還能使學(xué)生網(wǎng)絡(luò)化地掌握課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，有助于培養(yǎng)具有獨(dú)立思考問題、根據(jù)所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題、滿足當(dāng)前環(huán)境下全方位需求的高質(zhì)量人才。此外，該多級(jí)教學(xué)優(yōu)化方案也可以推廣至多門類似的專業(yè)拓展課的改革中，具有較強(qiáng)的通用性。

基金項(xiàng)目：

教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，“智能制造背景下基于TRIZ的高校機(jī)械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教育探索”，項(xiàng)目編號(hào)：220504392300615。

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