新工科背景下机器视觉课程群教学模式研究

张涛 齐永奇 李恒灿

摘 要：为适应新工科建设的需求和智能制造的产业需求，本研究针对测控专业本科教学的培养要求，提出了加强课程之间的融合，以知识点重构教学方案，打造“线上线下混合、加强学生参与、深化校企合作”的教学模式，为培养本科生解决复杂工程问题的能力提供了思路，并通过机器视觉课程群的建设，推动测控专业一流学科建设，探索新工科背景下的智能制造技术人才的培养模式。

关键词：新工科;机器视觉;课程群

《中国制造2025》是我国实施制造强国战略第一个十年行动纲领。《中国制造2025》提出一个目标：实现制造业大国向制造业强国的转变。智能制造是主要攻坚方向之一。机器视觉为智能制造提供了参考依据。新工科建设是教育部提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划。新工科建设对高校工程教育提出了明确的要求，即培养具有较强行业背景知识、工程实践能力、胜任行业发展需求的技术技能型和综合应用型人才。

为了适应新工科环境下的专业建设，很多高校顺应时代需要，纷纷开设与机器视觉相关的课程。机器视觉是一门理论性和工程性都很强的技术，是多个学科和多个课程的融合，前端与传感器原理、模电、光学等课程相关，后端与信号与系统、数字图像处理、控制理论等课程相关。目前，多数高校只是开设单一视觉课程，如果该课程内容过多，由于学时限制，各种技术往往是简单介绍，学生仅仅了解而已;如果该课程内容压缩，由于晦涩难懂，学生只是局部了解机器视觉，容易导致课堂氛围较差。因此，高校需要将机器视觉相关课程有机结合，组成机器视觉课程群，优化课程内容，从而更有效地提高学生掌握和运用机器视觉技术的能力。

视觉测量方向是华北水利水电大学测控专业的一个重要专业方向。在遵循以学生为中心，以成果为导向的专业建设思路的基础上，课题组梳理与机器视觉相关的课程，修订教学大纲，整合课程资源，帮助学生打通课程壁垒，从而提高学生的理论知识和实践能力。下面以测控专业机器视觉课程群建设为例进行具体说明。

一、梳理教学思路和优化教学大纲

学科专业知识不是独立存在的，而是成体系的。单一课程只能解决较为简单的问题，而实践工程的问题多为多学科交叉综合的问题。测控专业通过教研室研讨会议和外出调研等形式反复论证，选择了工程光学、信号与系统、数字图像处理、视觉测量技术、虚拟仪器、专业综合课程设计、毕业设计等理论课和实践课。这些课程涵盖了测控专业所有课程模块。教研室分析了相关课程的内在逻辑关系，规范了课程之间的教学内容衔接，避免相同知识点的重复教学，完善教学大纲。为了解决相关课程重复教学的问题，构建的课程群采用打通课程间壁垒的方式，将机器视觉技术分解成若干个问题。解决问题需要哪些知识点，就将这些知识点在该课程中讲解，重新组织课程，并以具体的科研课题将知识点连接起来。例如，机器视觉用于机械零件测量的设计，其中，分析设计工作可以在工程光学课内讲解，硬件选型可以放在视觉测量技术课内讲解，采集信号的处理放在信号与系统课内讲解，图像的处理和后期测量则在数字图像处理课内讲解，软件系统的使用可以在虚拟仪器课内讲解，最终的设计训练则放在综合课程设计和毕业设计中。学生通过一系列的学习和训练，初步具备了设计视觉系统的能力，进而通过创新创业训练、科研项目和毕业设计，掌握了解决复杂工程问题的能力。

机器视觉课程群的教学目标之一是培养学生分析问题和解决复杂工程问题的能力。为了实现这个目标，教研室将课程按照“基础理论知识—应用开发技术—综合实践能力”三层结构分为三类。比如，工程光学、信号与系统、数字图像处理三门课作为视觉课程中的光学、信号处理、图像理论等的基础知识;数字图像处理、视觉测量技术、虚拟仪器作为与视觉紧密相关的应用技术;专业综合课程设计和毕业设计则是将前面的知识融会贯通，结合机器视觉具体课题或者教师自己的科研项目，实现对学生实践能力的培养。

二、教学方法和教学手段的改进

（一）线上线下混合教学

华水学堂是超星学习通和华北水利水电大学合作的在线教学平台。教师在该平台上发布教学视频和资料，便于学生课前预习。课前10分钟，教师与学生交流关于本节内容的学习情况，启发学生提出对知识点的理解盲区，针对问题开始课堂学习。课中，教师可以将课堂知识与实际问题相结合，让学生去发掘工程问题的解决点，使其明白机器视觉的重要性。课后，教师可以通过分组的形式，让学生讨论和梳理课上没有解决的问题，并且在线上平台提出一些开放性的问题，强化对学生知识体系掌握程度的跟踪，及时了解学生在学习过程中的表现，反馈给学生，形成闭环管理。课前、课中和课后三阶段的教学设计，将线上线下教学融会贯通，突破传统教学的束缚，提高了学生的参与度，提高了学生分析问题的能力。

（二）走出课堂的多元化教学

目前，机器视觉是国家发展的热点之一，这决定了我们的教学不能局限在校园里。为此，学校和校外企业深度合作，增强学生的实践能力。学校聘请校外专家到校为学生介绍机器视觉的市场前景，进一步和企业合作進行测控专业综合课程设计;企业提供一些相关设计课题作为学生的设计题目;学生到企业参加培训，学习企业的实际项目。学校利用实践实习组织学生前往洛阳牡丹通讯公司、中原量仪公司和胜龙科技公司参观、培训，通过整合校内外资源，使学生开阔眼界，对机器视觉市场前景有深入了解，实现了与社会的无缝对接。

（三）机器视觉课程群建设成果

在测控教研室各位教师的辛勤工作下，经过两年的建设，机器视觉课程群教学效果显著，学生创新创业能力得到提高。

2017年，教研室申请了示范性虚拟仿真教学实验项目，利用互联网实现资源共享和师生互动，使学生由被动接受转变为主动学习。教师在超星学习通平台上也建立信号与系统、数字图像处理、虚拟仪器等课程平台，丰富了教学手段。

学生积极参与创新创业比赛，如飞思卡尔大赛、机器人大赛、互联网创新大赛等，并多次获得国家级、省级奖项。以2017级测控专业为例，该专业共有学生95人，其中，参与科技创新比赛的有62人、获得国家奖学金和国家励志奖学金的有12人。

近年，测控专业就业质量稳步提升，从事本专业工作的学生数量与以往相比显著增加。其中，报考研究生的学生比例稳定在20%左右。2018年就业从事本专业工作的学生占40%，2019年达到55%，部分学生就职于基恩士、大恒图像、信盈达等公司。对学生毕业后五年就业情况的跟踪调查显示，企业对学生的满意度大幅提升，部分学生已经担任项目负责人。

三、结语

本研究以机器视觉课程群的建设为例，提出了新工科背景下課程群教学改革方案，从培养方案和教学大纲制订、教学内容手段的改进、校企合作和产学研结合等方面论述了教学改革的思路。教学改革的思路为：坚持以多课程融合、线上线下混合教学、突出实践创新为中心，以发展学生综合能力为最终目的，改进现有的授课过程中存在的问题，科学地评价课程教学质量，进一步研究课程教学与毕业要求达成度问题，及时了解行业动态、准确掌握行业需求，从而适应新工科建设的需求。

近年，机器视觉课程群的建设，提高了学生对课程学习的兴趣，使学生对课程之间的联系了解更为清晰，体现出以学生为中心的理念，对进一步提高测控专业建设质量起到积极的推动作用。

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