“機器視覺技術及應用”課程多級教學優化的探索

歐陽　喻洪平　袁新璐　袁萍

摘 要：為提升學生在“機器視覺技術及應用”課程學習中全周期過程的學習質量，以重視過程性考核為重要導向，提出采用“課前準備+課堂交互+實驗鞏固+課后總結”的多級教學優化手段，從各個階段不斷前向反饋學生對該階段的知識掌握程度，動態調整前向階段的知識講授結構，更加合理化地準備各項課堂環節，激發學生對本課程知識的學習興趣和學習熱情，以實際生活案例反哺課堂知識教學。

關鍵詞：機器視覺 多級優化 反饋機制 動態調整

近年來，隨著國民經濟的不斷增長，我國的國際地位得到了進一步的提升?！吧倌陱?，則國強；少年富，則國富?！庇吧涑鰞炠|人才對一個國家的重要程度。高的國際地位對我國高等教育人才培養的質量提出了新的要求與考驗。高等院校專業課程的設置以及培養方案的制定，要滿足當前環境下高質量人才培養的需求，因此課程教學的優化迫在眉睫[1]?！皺C器視覺技術及應用”課程是成都大學機械工程學院開設的一門專業拓展課，涵蓋了機器視覺系統的關鍵組成部分和多個典型行業應用場景。

機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鍵零部件。機器視覺技術已經在消費電子、汽車制造、光伏半導體等多個行業應用[2]。當前，我國機器視覺行業正處于快速發展期，存在很大的發展空間，行業市場規模在不斷擴大中。該課程以機器視覺組成要素為基礎，系統分析設計原理為主體，核心算法設計為重點，實現了硬件搭配和軟件開發的結合，是一門理論和實踐緊密結合的課程。

對于多數尚未接觸實際應用型項目的本科生而言，對機器視覺的認識或理解是未知的，或是相對模糊的，也是碎片化的。通過“機器視覺技術及應用”課程的教學和實驗環節，使學生掌握機器視覺技術的基本概念，機器視覺系統典型的硬件組成，各硬件選型或設計所需要考慮的因素，核心技術所涉及的圖像處理算法，培養學生分析和處理圖像的基本能力，為今后從事工程技術工作、科學研究等打下堅實的基礎。

1 多級教學優化方案

“機器視覺技術及應用”課程采用“課前準備+課堂交互+實驗鞏固+課后總結”的多級教學優化手段，如圖1所示，旨在從各個階段不斷前向反饋學生對該階段的知識掌握程度，動態調整前向階段的知識講授結構，更加合理化地準備各項課堂環節，激發學生對本課程知識的學習興趣和學習熱情，以實際生活案例反哺課堂知識教學[3]。

1.1 課前準備

（1）經典教材挑選

成都大學機械工程學院的本科專業拓展課課程“機器視覺技術及應用”針對大三上學生所需的機器視覺實際項目基本知識，以《機器視覺技術及應用》（孫學宏主編）為教材，《機器視覺原理與案例詳解》（工控幫教研組編著）和《機器視覺技術與應用案例詳解》（陳兵旗主編）為主要參考資料，根據學生需求適當調整授課內容。

（2）重要知識提煉

“機器視覺技術及應用”課程的核心內容主要有硬件和軟件兩部分，硬件的選型或設計需要考慮項目現場的多種因素，軟件的開發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知識點：1）機器視覺技術的發展和行業背景；2）機器視覺系統的基本概念和特點；3）機器視覺系統的組成及各部分功能。從數字圖像處理基礎中提煉出三個知識點：1）數字圖像的表示形式和特點；2）像素間的關系；3）圖像的代數運算以及應用。從空間域圖像增強中提煉出三個知識點：1）圖像的基本灰度變換；2）圖像的直方圖處理；3）圖像濾波。從形態學圖像處理中提煉出三個知識點：1）圖像的數學基礎；2）圖像形態學基本運算；3）二值形態學圖像處理和灰階圖像形態學處理基本操作。從圖像分割中提煉出四個知識點：1）間斷分割；2）邊緣連接法；3）閾值分割法；4）基于區域的分割。從圖像表達與描述中提煉出兩個知識點：1）圖像的表述方法；2）圖像的描述方法。從機器視覺硬件基礎中提煉出核心知識點：機器視覺典型硬件的選型，包括相機、鏡頭和光源。

（3）教學課件撰寫

根據提煉的各章節重要知識點，圍繞這些主干，自下而上搭建知識圖譜，然后循序漸進地講解每一個知識點，圖文并茂地鞏固核心知識點，結合經典案例加深學生對相關知識點的學習興趣和學習熱情。另外，突出各章節的邏輯銜接關系，有效地將多個章節前后串接起來。

（4）核心方法優化

所有教材從編制到出版需要較長的周期，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。為了給學生講授最新的核心方法，堅持閱讀國內外最新相關文獻，提煉出先進的核心方法，通過圖例結合代碼的方式，向學生展示優化的核心方法。通過該方式，可以培養學生自主查閱科研文獻的興趣，發揮主觀能動性。

（5）應用視頻整理

理論知識的講授可以給學生帶來知識點的累積，要想更加直觀深刻的了解知識點在實際項目中的應用，將搜集并整理相關知識點在各行業的典型應用視頻，為課堂講授做好材料支撐。

1.2 課堂交互

（1）生活應用描述

理論知識在我們日常生活中的落地更能彰顯課堂知識的重要性和實用性。針對提煉出的各章知識點，針對性地匹配生活應用場景，抓住學生的學習興趣，激發學生在日常生活中主動且有意識地去觀察與了解與機器視覺技術相關的實際應用。例如，超市里的人臉識別支付系統等。

（2）主要知識講授

首先從一個項目整體上作介紹，吸引學生的關注度，然后將項目涉及的主要知識拆分，從數學表達上和語言邏輯上進行講授。使學生對相關知識概念有一個印象上的初步認識，為后續的教案展示作鋪墊。

（3）教案形象展示

為形象化給學生講授本課程涉及的重要知識，主要通過PPT教案進行展示。PPT里主要講解各數學公式的由來以及推導的重要過程、各算法的偽代碼、算法處理的結果示例。并且針對每張關鍵的教案示圖，結合當下流行的應用作適當補充。

（4）關鍵代碼編寫

為進一步提高學生對該課程的學習興趣，在通過語言講授重要知識點之后，緊接著從零開始編寫算法實現所需要的關鍵代碼，主要注重培養學生對程序結構、邏輯關系正確性的培養，為后續實驗課程的代碼編寫打下夯實的基礎。

（5）應用視頻分析

通過課前準備所整理的典型應用視頻，結合前期講授的相關知識，給學生播放帶語音解說的應用視頻，進一步加深學生對所學知識和技術落地的認識。特別地，對于應用視頻中涉及的與所學知識相關的模塊，再次通過知識回顧的方式進行復習鞏固。

在“課堂交互”環節中，了解學生對所講授知識的掌握程度，研判是否存在薄弱環節，通過前向反饋，動態調整“課前準備”環節各步驟的工作占比和重要程度。

1.3 實驗鞏固

（1）典型算法分析

由于“機器視覺技術及應用”課程是一個交叉性強的綜合課程，涉及的應用領域及其相關算法分布廣。為了給學生重點講授某一些當下流行的應用場景，對該場景下的典型算法進行分析，了解各模型的功能，多個不同程度段之間的聯系和邏輯關系等。

（2）應用場景挖掘

學習是永無止境的，知識的更新也應該是沒有終止的?？萍几淖兩?，通過該課程理論知識的學習，驅動學生去思索生活中潛在的應用場景。機器視覺技術一個重要的功能就是將傳統的人工勞動從復雜繁瑣且重復性高的工作中解放出來，學生可以以此為背景，挖掘生活中可用機器視覺替換的人工工作。

（3）理論實踐結合

實踐是提升理論價值的重要手段。理論知識一定要在日常生活中通過實踐的方式落地才能體現出它的實用價值。因此，可指導學生在機器人實踐基地觀看專業的機器視覺應用視頻，以任務為導向，親自動手參與實際的項目。培養學生在實際項目中發現問題、解決問題的能力。

（4）編程軟件使用

近年來，各用人單位對工科學生的編程能力都提出了一定的需求。一個優質的工科學生，不僅具有優秀的解決工程問題的能力，還應該具有一定的編程能力。因此，該課程特別注重學生對編程軟件的使用熟悉度，以Matlab軟件為主，Python語言為輔，培養學生對專業編程軟件的使用能力。

（5）相關算法融合

針對一個實際的機器視覺項目，某些算法僅能實現某一種單一的功能，無法有效達到項目所要求的目標。因此，根據項目任務分解，首先分別實現各算法的功能，然后以最終目標為方向，研究多種相關算法的融合，加深學生對算法融合的理解。

在“實驗鞏固”環節中，了解學生重要知識點落地的情況，根據實驗效果分析學生的知識薄弱環節，通過前向反饋，動態調整“課前準備”和“課堂交互”環節各步驟的工作占比和重要程度。

1.4 課后總結

（1）算法參數的重要性

通過課堂例子和實驗作業總結，使學生具有分析可變參數的意識，了解與掌握具體問題中各模型參數對算法性能的影響程度，養成對可變參數進行多次實驗尋優的科研習慣，為今后從事相關工作打下基礎。

（2）潛在應用的可行性

年輕人要敢想敢做，勇于提出問題，尋求與課程相關的潛在應用，然后利用所學知識去試驗，不斷發現并解決問題。通過經驗的積累以及問題的總結分析，合理判斷潛在應用的可行性以及效益性。

（3）重要知識的到位度

分析學生實驗報告的質量，結合課堂學習的專注度，及時分析學生對重要知識的到位度?？紤]到“機器視覺技術及應用”課程各章節知識是環環相扣的，因此需要在學生學習的初期就做好重要知識的復習與強化。

（4）專業軟件的熟悉度

采取綜合實驗的方式，使學生對專業軟件的熟悉度進行自我檢驗，實時評估對該課程的掌握程度。通過小組交流討論，互相補充自身有待改進之處，完善知識體系。

（5）實際問題的解決度

給學生一個不限定的題目，通過對研究報告質量的分析，判斷學生對生活中與機器視覺相關的實際問題的解決度。了解學生發現問題、分析問題、解決問題的邏輯思維正確性。根據分析結果，對學生做適當的科研補充。

在“課后總結”環節中，獲悉學生對各環節知識的熟悉和重視程度，通過前向反饋，動態調整“課前準備”、“課堂交互”和“實驗鞏固”各環節中的工作占比和重要程度。

2 考核方式

雖然“機器視覺技術及應用”課程是一門專業拓展課，但是其理論知識較深、實用性較強，面對實際場景問題時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學生對該課程重要知識點的掌握程度。設計合理的考核方式一方面可以提高學生對該課程的重視程度，提高課程的教學效果；另一方面可以在過程性考核中體現學生對重要知識點的掌握程度?；趯W習產出的教育模式（Outcome-based Education，OBE）[4-5]，通過“單元專題實驗”結合“期末綜合報告”，從課程開始到期末全過程考核學生對課程知識的學習成果。加入學生對教師的評價，得到最終的學生成績。整個考核周期學生全程參與，通過主觀評價融合客觀評價，優化教學模式，提高教學質量。

3 結語

“機器視覺技術及應用”課程的難點是如何將生硬的數學符號運算用圖形的方式直觀化，并將抽象的基礎理論知識與科學研究中的實際問題聯系起來。受限于該課程較深的理論知識，以及學生對編程語言的掌握程度差別大，傳統的教學模式難以適用于本課程的有效教學。我們通過“課前準備+課堂交互+實驗鞏固+課后總結”等多級教學優化的手段來提高教學效果，注重基于學習產出的教育模式，在每一個階段通過前向反饋動態調整教學結構與教學重點，獲得了良好的教學產出。這種多級教學優化方案不僅能提高學生的學習興趣、加深學生對知識點的吸收，還能使學生網絡化地掌握課程的知識結構，有助于培養具有獨立思考問題、根據所學知識解決實際問題、滿足當前環境下全方位需求的高質量人才。此外，該多級教學優化方案也可以推廣至多門類似的專業拓展課的改革中，具有較強的通用性。

基金項目：

教育部產學合作協同育人項目，“智能制造背景下基于TRIZ的高校機械專業學生創新創業實踐教育探索”，項目編號：220504392300615。

參考文獻：

[1]陸雅君. 高等教育教學改革發展之理論創新——評《高等教育改革理論創新的探索》[J]. 教育理論與實踐， 2022， 42（35）： 65.

[2]代婷婷. 基于改進智能算法的機器人路徑規劃問題研究[J]. 成都大學學報（自然科學版）. 2021， 40（4）： 379-383.

[3]羅純， 吳志聰， 吳先勇. 高校雙線混融教學改革實現深度學習的路徑探究[J]. 教育評論， 2023（2）： 139-145.

[4]歐陽奕. 基于OBE教育理念的《大學生創新創業》課程教學改革研究[J]. 產業與科技論壇. 2022， 21（20）： 189-190.

[5]葉惠娟， 毛利， 朱云潔， 等. 基于OBE理念的高職教育課堂教學改革探索研究[J]. 中國多媒體與網絡教學學報（中旬刊）. 2022（9）： 37-40.