基于“以赛促教”的“机器人视觉技术及应用”课程改革探索与实践

袁雪琼 龙凯 熊英 高维 朱泽慧

摘 要：本文针对“机器人视觉技术及应用”课程教学在教学内容、教学模式、教学考核方式等方面存在的不足，以各类“技能竞赛”及“竞赛项目组”为突破点，以点带面，更新教学内容，改革教学模式，优化考核评价方式，开拓“以赛促教”的新视野、新思路，提出“梯队小组”“认知—实践—认知”等新模式、新方法，让更多的学生享受到技能竞赛的“红利”，为智能制造行业的发展输送更多技术技能人才，助力长沙市、湖南省现代产业体系建设升级发展。

关键词：以赛促教；机器视觉；课程教学改革

技能竞赛是提升技术技能人才培养质量、检验教学成果、引领教育教学改革的重要抓手，是职业院校教育教学活动的一种重要形式和有效延伸，是对接产业需求、反映国家职业教育教学水平的师生技能赛事［12］。技能竞赛以具体岗位操作为基础，要求学生应用专业知识解决工作岗位面临的具体问题，能够有效促进学生专业技能的提升。此外，技能竞赛要求教师能够充分了解当前市场的人才需求方向，即时调整教学内容及教学模式，优化教学资源。坚持以赛促教，能让职业教育的脚步紧跟企业发展，对接产业需求，提高教育教学质量，培养更多高素质技术技能人才、能工巧匠、大国工匠。

机器视觉是利用计算机、图像处理器以及其他相关设备来模拟人类视觉功能的技术，是人工智能的一个分支［34］。“十四五”期间，我国将继续深化产业結构调整升级，推进制造业的科技创新和智能制造水平，推动先进装备制造业和高新技术产业向自主研发制造转变，高端装备制造业行业将逐渐走向信息化、专业化和服务化。2021年3月，科技部正式复函湖南省人民政府，支持长沙市建设国家新一代人工智能创新发展试验区，政策利好将有力推动长沙市人工智能及机器人产业链迅速发展，刺激机器视觉行业规模的持续增长［57］。

为适应行业发展需求，更好地服务地域经济、服务产业升级，学院电子信息工程技术专业群开设了“机器人视觉技术及应用”课程。课程旨在让学生了解和掌握机器视觉图像获取、传输、识别、处理的整个流程，能够完成视觉开发环境的搭建，掌握市场主流的视觉模块，为实现后续智能制造典型应用开发做好技术准备，让学生具备从事机器视觉开发、调试及维护等相关工作的能力［89］。

1 课程教学现状

课程的教学目标如下：

（1）素质目标：通过学习机器人视觉技术，养成多学科交叉的学习方法和思维习惯；通过完成视觉检测任务，增强分析问题解决问题的能力；通过自主设计、优化检测方案，提升创新意识、打造创新精神。

（2）知识目标：了解机器人视觉技术的基本架构及相关理论知识；了解市场上主流的计算机视觉库及其常用编程语言；掌握图像获取、传输、识别、处理的整个流程；

（3）能力目标：能够机器视觉软件平台环境搭建；能够运用算法库中的常用工具进行物体定位、识别、测量、缺陷检测等；能够从事机器人图像智能处理方面的开发、调试、及维护等相关工作。

课程教学的主要内容有：

（1）视觉软件平台环境搭建（visionpro）。

（2）机器视觉系统标定。

（3）物体的定位、识别及测量。

课程教学目前存在的主要痛点有：

（1）课程教学内容与人工智能产业需求及区域经济特点联系不紧密，实践教学环节与实际岗位操作脱节。课程主要教学内容包括视觉软件平台的搭建与使用、图像处理工具的应用、基于视觉的尺寸测量等。

存在以下主要问题：第一，教学内容重点讲了图像处理工具的应用，很少设计工具开发的流程、编程的方式。第二，实践教学更多的是在电脑上进行视觉软件的操作，很少涉及视觉平台的搭建及视觉系统与其他设备的通信，与岗位实际操作不符。第三，教学内容的思政元素中职业素养、职业精神、竞争意识、安全意识不够突出。

（2）课程教学模式缺乏创新，小组教学中团队组合缺乏针对性，“讲解+示范+操作”的实践教学模式不利于激发学生自主创造力。课程采取理论课+实践课的方式教学，采用的主要教学方法由讲授法、任务驱动法。理论教学重点讲解机器视觉的整个工作流程、各类图像处理算子的使用方法，实践教学由教师示范，学生完成图像处理算子的应用。

目前教学模式主要存在以下问题：首先，有采用划分小组的形式组织学生完成工作任务，但小组为随机组合或学生自愿组合，学习能力强的学生抱团，学习基础薄弱的学生动手能力弱，造成两极分化，没有很好地发挥小组学习互帮互助，共同进步的优势。其次，当前采用的“讲解+示范+操作”的实践教学模式，让学生习惯性地吸收教师灌输的知识，模仿教师的操作，缺乏主动思考、创新的能力，不利于提高学生的临场应变能力及解决问题能力。

（3）课程考核方式单一，不能对学生的技术技能做出全面、准确评价。课程采取过程考核+综合测评的方式进行考核，过程考核主要对实践教学过程中学生的任务完成情况进行考核，由任课教师进行评分；综合测评采取理论测试的方式对学生的课程知识掌握情况进行检测。总体来看，课程目前的考核方式能够在一定程度上反映学生的技术技能掌握情况，但存在以下几个问题：首先，过程考核没有统一评分标准，评分受主观因素影响较大，不能客观反应学生操作是否符合岗位操作标准。其次，过程考核缺少生生互评，学生依赖教师评价，不能对自己的问题进行自查自纠。最后，对学生的素质目标的考核没有量化，未能很好地激发学生对职业素养、职业精神的重视度，不利于学生提高对工作岗位的适应能力。

2 课程改革思路

课程改革可以以各类视觉相关技能竞赛作为切入点，通过竞赛的“研培战”过程，提取总结经验，融入课程教学，将机器视觉相关的各类技能竞赛元素融入课程教学，对机器人视觉技术及应用课程的教学内容、教学模式、考核方式进行改革。机器视觉相关的技能竞赛赛项主要有：机器视觉系统应用、生产单元数字化改造、工业机器人技术应用、机器人系统集成应用技术等。可以融入课程教学的竞赛元素有：竞赛精神、竞赛任务、竞赛评分以及竞赛选手培养选拔等。

在教学内容方面，参照“竞赛任务”，调整教学案例，改善实验条件，借助“竞赛内容”充分结合理论教学和用人单位实际需求这一优势，切实提高教学内容与长沙市“人工智能与机器人产业链”的契合度。将竞赛精神中的拼搏精神、挑战自我精神作为思政元素融入课堂，激发学生的竞争意识；将竞赛中对职业素养和安全意识的要求融入课程素质目标，提高学生对工作岗位的适应性。此外，将竞赛任务中与具体工作岗位、与产业发展密切联系的部分融入课程教學任务，使课程教学目标、教学任务与市场实际需求保持一致，为学生就业打下良好基础。

在教学模式方面，借鉴竞赛选手选拔时采用的“竞赛项目组”培养模式，根据学生的学习能力的强弱及学习基础的优劣程度在教学班级组建“优中差”生组合的“梯队小组”，引导学生以小组为单位开展“认知—实践—认知”的学习，打破高职院校常规教学模式。以实践任务作为驱动，学生先通过阅读资料、观看视频、听教师讲解、观摩实操等方式对任务所需知识技能有初步认知，再通过实际操作、小组竞赛等活动对知识技能进行实际训练及检测，最后通过总结、反馈、点评等活动将知识内化，形成自己新的认知。让学生不仅“知其然”，还“知其所以然”，为高职院校人才培养向应用型本科人才培养模式的转换做铺垫。

在考核方式方面，技能竞赛的评分标准均为行业专业制定，能够体现出对人才综合素质的市场评价。在课程考核方式中，对标“竞赛评分标准”，引入技能竞赛全过程、全方位的考核方式，细化、量化考核标准，对学生职业素养及课程任务完成的合理性、规范性、完成质量进行考核。采用过程考核与结果考核相结合的方式，对学生的知识、能力及素质目标达成情况进行全方位评价，让学生更好地把握岗位对知识及技能的要求，提高学生适应岗位的灵活性。

3 典型教学案例分析

3.1 教学内容改革典型案例

选取机器视觉系统应用竞赛任务——芯片综合检测及分拣作为教学案例，根据教学需求、结合教学实践条件，对竞赛任务进行分解、提炼，重构教学任务。芯片综合检测及分拣共分为六个教学任务，具体如下：

任务一：元件选型；任务二：机械电气安装；任务三：手眼标定；任务四：芯片引脚测量及分拣；任务五：数据保存与发送；任务六：工具的二次开发。

与原有教学案例的教学内容相比较，主要新增了机器视觉硬件系统搭建、数据保存与发送、工具的二次开发，完善了整个视觉系统开发流程，教学内容更加全面，贴合生产实际。

3.2 教学模式改革典型案例

以“机械电气安装”课堂教学为例来讲解如何将“梯队小组”模式及“认知——实践——认知”学习方法落实到日常教学。

课前：综合前修课程考核情况及既往课堂表现来分组，充分发挥项目组成员的优势，将其合理分配至各个学习小组，确保每个小组都有一个学习能力、动手能力及表达能力较为优秀的学生充当小组核心成员。组内选定小组名称及口号，形成小组文化。教师下发机器视觉系统机械电气安装学习文档及操作视频，小组长带领团队成员完成课前学习，对机械电气安装形成初步认知。

课中：教师讲解任务，小组根据课前认知来进行探索，让学生在探索中完善初步认知。在确保安全的前提下允许学生出错，使其进入一种“带着疑问求学”的高求知欲状态。根据学生的实践情况，教师进行针对性示范，学生在教师或小组核心成员的带领下完成实践任务。

课后：对实践过程进行总结、提炼、反思，形成对该知识的深刻认知。

3.3 课程考核改革典型案例

在实践课堂中，效仿企业实际工作要求，给学生下发工作票或者操作票，票面上有实操的项目信息、操作人员信息、操作的具体步骤、操作的具体要求及考核评分。参照技能大赛评分表，设定过程评分标准和结果评分标准，并根据操作步骤及操作要求对其进行量化。

过程评分共计20分，设定安全操作、工程素养、精神风貌等考察项。以工程素养考核项为例说明，其共计6分，具体评分标准如表1所示。

结语

本文从“以赛促教”的视角对“机器人视觉技术及应用”课程进行了剖析，提出了课程改革的内容及思路，并对课程典型教学案例进行了分析，创新点主要有：

（1）提出了一种“以赛促教”的新思路。从竞赛的“研培战”全过程完成竞赛元素的挖掘，对竞赛精神、竞赛任务进行提炼、内化，完成课程教学的全面改革。

（2）提出了一种新的团队组建方式。以“竞赛项目组”作为切入点，提出了“梯队小组”的概念，通过将“优中差”生进行搭配组合，模拟“竞赛项目组”的人才梯队，形成“优带差，差促优”的良好学习氛围。

（3）提出了一种高效学习方法。根据“竞赛项目组”日常训练，总结出“认知—实践—认知”的学习方法，并在教学班级中进行创造性推广，提高了学生学习效率。

参考文献：

［1］刘琴.生态化治理视域下职业教育“赛教融合”生态系统构建与实践——以湖南省为例［J/OL］.当代教育论坛：113［20230713］.

［2］张宇，吴立华，张冰洁.基于“岗课赛证”融通的机器视觉课程改革［J］.科技风，2023（04）：9597.

［3］姜晓勇，魏璇，董正桥，等.机器视觉与图像处理课程教学改革尝试［J］.高教学刊，2023，9（19）：152155.

［4］张子淼，何林杰.职教师资类院校“机器视觉”课程教改探索［J］.科技风，2023（19）：111113.

［5］谢为俊，周海燕，刘英，等.机器视觉与图像处理课程教学改革探索研究［J］.造纸装备及材料，2023，52（04）：216218.

［6］刘永，王生怀，王宸，等.《机器视觉》课程理实一体化教学改革的探索［J］.科技资讯，2023，21（02）：148151.

［7］李秀秀，黑新宏，金海燕，等.创新实践能力培养目标下的机器视觉课程改革［J］.计算机教育，2022（09）：101104.

［8］江祥奎，丁锐，熊伟.机器视觉课程教学方法改革与实践［J］.软件导刊，2022，21（09）：206210.

［9］许晓艳.“1+X”证书制度下高职院校智能控制技术专业课程改革——以机器人视觉系统技术课程为例［J］.信息系统工程，2022（09）：165168.

项目基金：2023年湖南信息职业技术学院校级课题《“以赛促教”视角下“机器人视觉技术及应用”课程改革探索》（编号：2023hniuktyb06）；2022年度湖南省教育科学“十四五”规划课题《“三高四新”背景下工业机器人技术专业四链融合课程体系建设》（编号：ND228378）

作者简介：袁雪琼（1990— ），女，汉族，湖南新化人，硕士研究生，讲师，研究方向：机器视觉。