張子淼 何林杰

摘?要：機器視覺課程進行圖像處理以及計算機視覺的相關知識教學，基于職教師資類院校學生培養(yǎng)原則和要求，本文針對這門課程存在問題，提出了教學方法以及教學內(nèi)容的相關改革。教學內(nèi)容的改革包括強化理論學習、強化操作平臺、強化軟件平臺和相關執(zhí)行庫。教學方法的改革包括引入工程案例、編程案例、啟發(fā)式教學、企業(yè)教學等。上述改革在激發(fā)學生學習興趣和主動性的同時，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：機器視覺；教學方法改革；教學內(nèi)容改革；智能制造

一、概述

職教師資院校主要為中職、高職提供師資，因此對畢業(yè)生要求在了解理論知識的基礎上還需要有一定的實際動手能力。隨著社會發(fā)展，中職、高職院校的機器人［12］、智能制造類專業(yè)［35］逐漸增多，對此類專業(yè)的師資需求也逐年增多。機器人在制造領域所占比重逐漸增大，通常將CCD或CMOS相機與機器人進行集成，通過相機識別目標，實現(xiàn)對機器人的引導。而“機器視覺”課程正是一門從理論和技術層面對相關知識進行講解的重要專業(yè)課程。

機器視覺課程［610］進行圖像處理以及計算機視覺的相關知識教學，并通過Visual?Studio等操作平臺，以OpenCV、Halcon等機器視覺庫為基礎，實現(xiàn)目標圖像處理、識別等功能，與制造設備智能化的目標極為貼合。

然而隨著手機、平板等媒介的出現(xiàn)，導致學生上課的注意力不夠集中，對機器視覺等重要的專業(yè)課失去興趣，因此需要對機器人課程教學模式進行相應的改革，讓學生的興趣重新回歸課堂。同時當前機器視覺的相關課程的內(nèi)容已經(jīng)不能滿足社會相關領域需要，例如光學、3D視覺系統(tǒng)、機器人手眼系統(tǒng)等相關知識的缺乏，因此針對課堂教學內(nèi)容同樣要進行相關改革。

二、機器視覺課程性質(zhì)、教學現(xiàn)狀和待改進方面

（一）機器視覺課程性質(zhì)、地位及課堂教學現(xiàn)狀

1.課程性質(zhì)、地位

機器視覺是機器人專業(yè)和智能制造專業(yè)的主干課程，是一門重要的專業(yè)課。課程主要研究圖像處理和計算機視覺的基本理論和基本方法，是學生進行后續(xù)專業(yè)課程及工程設計的基礎與工具?；局R包括：圖像數(shù)據(jù)結構；圖像載入、顯示及輸出；直方圖的計算與繪制；圖像二值化處理；邊緣檢測；輪廓提取；角點檢測；霍夫變換；圖像濾波；攝像機標定等。本課程的理論性和實踐性較強，在專業(yè)課程體系中起著承前啟后的作用。通過該課程的學習，學生應對圖像處理技術和計算機視覺技術有較為深入的理解，并能熟練在Visual?Studio平臺上應用OpenCV等計算機視覺庫，同時從理論的高度理解機器視覺相關技術發(fā)展過程中所遇到的問題，能夠了解機器視覺的發(fā)展方向。

2.課堂教學現(xiàn)狀

機器視覺是機器人專業(yè)和智能制造專業(yè)的主干課程，學校無論是從師資配備還是課程大綱的制訂、課程安排都給予了足夠的重視。但是，由于干擾因素太多，如何通過教學方法的改革將學生的興趣吸引回到課堂，是需要解決的問題。同時，豐富課程的相關內(nèi)容，跟上時代發(fā)展潮流，亦是需要解決的問題。

（二）待改進方面

1.理論知識的強化

機器視覺雖然是一門應用性課程，但是涉及光學、圖像處理、計算機視覺、機器人學的相關基礎理論，雖然相關內(nèi)容學生通過Visual?Studio平臺結合OpenCV、Halcon等計算機視覺庫可以對相關理論進行實現(xiàn)，但是為了激發(fā)學生學習興趣，需要對課程所涉及相關基礎理論進行選擇性的講解，使學生做到“知其然知其所以然”。

2.工程案例引進

當前課程的案例大多來自實驗室環(huán)境下，課程應該引入一些實際工程案例，雖然這些案例在系統(tǒng)結構上會有一定的復雜性，但是通過這些案例的講解，學生會對課程有更深刻的認識，了解如何應用課程相關知識解決實際工程問題，激發(fā)學生的學習興趣和學習動力。

3.編程案例引進

機器視覺相關理論的實現(xiàn)需要通過編程，面向?qū)ο缶幊碳夹g是一種集面向?qū)ο缶幊?、泛型編程和過程化編程于一體的編程技術。在課程中通過Visual?Studio平臺使用C++語言引入面向?qū)ο蟮某绦?，通過對學生進行面向?qū)ο蟮木幊逃柧?，培養(yǎng)學生利用計算機處理問題的思維方式，讓學生在掌握課程相關理論的同時掌握面向?qū)ο蟮某绦蛟O計的基本概念和編程方法。

4.多元化教學

當前課程以講授為主，為激發(fā)學生的學習興趣，增強學生學習的主動性，可以拓展課程的教學模式，例如針對課程中的某些問題，以小組的形式組織學生進行討論，使學生更多地參與到課程中。

三、機器視覺課程課堂教學內(nèi)容與方法改革措施

（一）教學內(nèi)容改革

機器視覺是一門涉及光學、圖像處理、計算機視覺、機器人學的綜合性課程。當前這門課程的教學以圖像處理、計算機視覺相關知識為主，其他類知識為輔，但是隨著社會發(fā)展，還需要從以下方面對課程內(nèi)容進行改革強化。

1.光學知識的強化

機器視覺系統(tǒng)的核心部分是圖像的采集和圖像的處理，所有信息均來源于圖像，圖像本身的質(zhì)量對整個系統(tǒng)極為關鍵。而光源則是影響圖像采集的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如圖像的對比度等。如圖1所示，課程可以加入光源種類的介紹。

課程中亦可以加入不同光源的照明原理，如圖2所示。

2.3D視覺系統(tǒng)知識的強化

3D視覺是制造設備智能化的關鍵，如圖3所示，常見的3D視覺模式有雙目立體視覺系統(tǒng)、線結構光視覺系統(tǒng)、光柵投影視覺系統(tǒng)等。雙目立體視覺系統(tǒng)相關課程內(nèi)容應加入雙目視覺系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)標定原理、結構參數(shù)標定原理、雙目視覺系統(tǒng)參數(shù)在線標定校準方法等相關內(nèi)容。線結構光視覺系統(tǒng)應加入相機內(nèi)參數(shù)標定原理、光平面標定原理等相關內(nèi)容。光柵投影視覺系統(tǒng)又分為單目光柵和雙目光柵，應分別加入相應系統(tǒng)的標定與測量原理的相關內(nèi)容。

3.機器人手眼系統(tǒng)知識的強化

如圖4所示，機器人手眼系統(tǒng)根據(jù)相機的擺放位置不同可以分為Eye?in?hand和Eye?to?hand。Eye?in?hand表示眼在手上，也就是相機與機械臂的末端固定相連，標定板與機器人的基坐標系相對位置關系不變，標定的是相機坐標系在機器人末端坐標系下位姿。Eye?to?hand表示眼在手外，也就是相機固定不動，標定板與機器人的末端坐標系固連，我們需要標定的是相機坐標系在基坐標系下的位姿。應在課程中加入機器人手眼標定的相關內(nèi)容。

4.軟件與相關執(zhí)行庫的強化

Visual?Studio是理想的程序運行平臺，在通常進行C++語言教學的前提下，軟件平臺要實時更新，相關計算機視覺庫也要注意更新至最新版本，例如OpenCV。

5.操作平臺的強化

除了理論知識的講解，還需要搭建相應的實驗平臺，讓學生有機會親自進行標定、測量等實驗。如圖5所示，雙目視覺系統(tǒng)標定過程中，靶標在相機的視場不同的擺放位置，可以拍攝多組圖像，如何科學地選擇靶標的位置，采集圖像，得到理想的標定結果，需要學生動手探索其中的規(guī)律。

（二）教學方法改革

1.啟發(fā)式教學

課堂講授采用啟發(fā)式教學，激發(fā)學生主動學習的興趣，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，引導學生主動通過工程實例進行相關內(nèi)容的學習。采用多媒體教學模式與傳統(tǒng)板書相結合的方式，通過圖像、視頻、動畫或教具演示課程中所涉及內(nèi)容，增強教學的直觀性。課堂教學過程中，針對課程內(nèi)容，結合專業(yè)背景，選擇典型案例進行教學，建立學生的工程意識，為后續(xù)專業(yè)課程的學習做準備。推薦學生利用互聯(lián)網(wǎng)資源、校園網(wǎng)資源（校園網(wǎng)數(shù)據(jù)庫）、圖書館資源（期刊、專業(yè)文獻）等多種手段獲取信息，加深對教學內(nèi)容的理解，同時拓展專業(yè)視野，培養(yǎng)學生自主學習能力。

課程設計盡可能再現(xiàn)實際工業(yè)現(xiàn)場，組織學生以小組形式進行，每個人在小組內(nèi)負責不同的任務模塊，引導學生主動思考，積極學習，鍛煉學生的組織、溝通、協(xié)作能力，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力，最后答辯時每個人詳細講述自己負責模塊，組長負責歸納總結。

2.工程案例教學

結合現(xiàn)有實驗平臺，引入工程案例中所涉及技術問題，引導學生提出解決方案，提高學生解決實際工程的能力，激發(fā)學生學習興趣和主動性。例如模擬某工業(yè)現(xiàn)場，如何通過設計標定靶標，保證標定精度的同時提高標定效率。

3.編程案例教學

借助引入的工程案例，引導學生通過Visual?Studio平臺進行實際操作，使用面向?qū)ο缶幊痰乃季S解決一般工程應用問題，掌握面向?qū)ο缶幊痰奶攸c、編程思想和編譯環(huán)境。

4.企業(yè)教學

帶領學生深入相關企業(yè)一線，將學生企業(yè)實踐/實習過程中遇到的實際工程問題，凝練歸納為工程案例，引導學生利用所學知識進行解決，歸納總結出相關結論規(guī)律，編寫具體程序，并進行調(diào)試運行。提高學生學習的興趣和主動性，培養(yǎng)學生學以致用，形成解決實際工程問題的能力。

結語

機器視覺是機器人專業(yè)和智能制造專業(yè)的主干課程，通過本課程的理論和實驗上機學習，為相關專業(yè)學生后續(xù)學習打下基礎。但是針對課堂教學方法和教學內(nèi)容，需要進行相應改革，通過這些改革可以激發(fā)學生學習的興趣和主動性，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。

參考文獻：

［1］沈曄超，葛勇.“1+X”證書制度背景下“工業(yè)機器人應用編程”課程教學改革與實踐［J］.南方農(nóng)機，2022，53（20）：186188.

［2］華子森，孫亞茹，田興，等.機器人工程專業(yè)實踐課程體系建設與規(guī)劃［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2022（19）：124126.

［3］蘇江，童杰，卞青青.基于智能制造專業(yè)群的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革探索［J］.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2022，5（17）：120123.

［4］趙琳，劉高鵬.智能制造工程專業(yè)“六協(xié)同”教學模式研究與實踐［J］.教育觀察，2022，11（25）：8790.

［5］張景鈺，趙明威.智能制造技術實訓課程思政與實施案例［J］.時代汽車，2022（18）：4648.

［6］江祥奎，丁銳，熊偉.機器視覺課程教學方法改革與實踐［J］.軟件導刊，2022，21（09）：206210.

［7］許曉艷.“1+X”證書制度下高職院校智能控制技術專業(yè)課程改革——以機器人視覺系統(tǒng)技術課程為例［J］.信息系統(tǒng)工程，2022（09）：165168.

［8］羅小燕，蔡改貧，胡俊峰，等.儀器類研究生“工匠+創(chuàng)新”型人才培養(yǎng)模式的探索與實踐［J］.輕工科技，2022，38（05）：110112.

［9］李秀秀，黑新宏，金海燕，等.創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)目標下的機器視覺課程改革［J］.計算機教育，2022（09）：101104.

［10］蔣翠玲，萬永菁，朱煜，等.基于華為“智能基座”計劃的項目式教學實踐——以機器視覺算法實訓課程為例［J］.化工高等教育，2022，39（04）：2430+92.

作者簡介：張子淼（1985—?），男，漢族，天津人，博士，副教授，研究方向：精密測量。