机器视觉与图像处理课程教学改革尝试

摘  要：新一代科学技术正在全球掀起新一轮产业革命，国家新型战略层面大力推动智能机器人、自动导航等方面技术进步与产业发展，产业升级推动人才需求。该文立足国家人才强国新战略，结合智能机器人、智能制造等方面人才现状及需求，针对学生在教学过程中缺乏主观能动性、学生掌握技能与社会需求脱节和校企合作存在的突出问题。对机器视觉与图像处理课程教学过程中发现的相关问题进行探讨，并提出TPCI教学方法（TPCI：theory、practice、cooperation、innovation），即理论、实践、合作、创新和教育内容与工作实践相结合的校企联合双元育人模式，利用翻转课堂的形式夯实学生理论知识的基础后，深入企业实践创新，力图解决教学中存在的部分问题。

关键词：人才需求；TPCI教学方法；校企联合；双元育人模式；翻转课堂

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）19-0152-04

Abstract： The new generation of science and technology is setting off a new round of industrial revolution in the world. The national new strategic level vigorously promotes the technological progress and industrial development of intelligent robots and automatic navigation， and industrial upgrading promotes the demand for talents. Based on the new strategy of strengthening the country with talents， combined with the current situation and needs of talents in intelligent robots and intelligent manufacturing， this paper aims at the prominent problems of students' lack of subjective initiative in the teaching process， the disconnection between students' skills and social needs， and the cooperation between schools and enterprises. This paper discusses the relevant problems found in the teaching Process of Machine Vision and Image Processing， and puts forward the tpci teaching method （tpci： theory， practice， cooperation and innovation）， that is， the school enterprise joint dual education mode combining theory， practice， cooperation， innovation and educational content with work practice. After consolidating the foundation of students' theoretical knowledge in the form of flipped classroom， it goes deep into enterprise practice and innovation， trying to solve some problems in teaching.

Keywords： talent demand; Tpci teaching method; school enterprise alliance; dual education mode; Flipped Classroom

机器视觉与图像处理这门课程是机械设计制造及其自动化专业的重要课程，主要论述运用计算机视觉与图像识别的相关理论、算法对各种工程问题进行设计、测绘、建模、预测与仿真，并能搭建视觉系统完成图像的拾取、存储、传输、处理、分析、识别和理解等工作，达成具体的任务目标。课程综合性强，涉及数学、光学、电子学和计算机科学等学科，理论性深，内容抽象，不易理解。在传统的教学模式下，学生在课堂教学中主要是被动学习，在教学过程中缺乏主观能动性，只是机械地按照老师的要求做，把老师教的内容记住就可以了，但现在学生有希望强化工作实践和就业能力的迫切要求，企业也有想避免学生毕业后职业能力匮乏的需求，因此教师需要寻找更有针对性的教学方法。

一  传统教学的局限性

当前，社会已经进入了信息化网络时代，高校的机械与能源学院开设的选修课程机器视觉与图像处理是一门交叉学科，包含了光学、计算机学、电子、机械和控制等多方面知识，学习起来起点比较高，难度也较大，是学生在多领域的理论和实践掌握的综合应用，高校根据实际经验对此课程进行了教学改革，在教改的过程中却存着以下不足，对于机器视觉与图像处理这门课程，学生面对的是抽象的理论和烦琐的数学公式，传统的教学模式里以教师对理论知识的讲解和公式的推导为主，学生在学习过程当中很快就失去了兴趣，对知识的理解也十分有限，传统的教学方法存在较大的局限性。主要体现在以下几个方面。

（一）  在有限的课堂时间里，学生主要以被动学习为主

在机器视觉与图像处理这门课程当中，射影几何、信号处理、工程光学和软件算法等理论知识复杂繁琐，有大量的基础知识需要学生学习、理解。在传统的教学模式下，课上以教师的讲解为中心，并且教师在课堂上的时间多用于为学生推导公式，学生理论知识的来源主要来自于教师在课堂上有限时间内的叙述，学生课上几乎没有时间进行思考和讨论，教学过程也只是教师的个人表现。学生只能通过看老师的讲课、演示等言行来学习课本知识，导致学生的专业知识单一狭窄，知识量浅，难以学以致用，缺乏知识创新。基于这一问题，机器视觉与图像处理课程采用翻转课堂教学模式。梳理教学资源，利用在线学习的平台优势，为学生提供充足的学习资源。引导学生在课前通过网上查找资料和观看相关教学视频进行预习。教师可以提前完成专业知识的教学。课堂上在教师的配合和帮助下，学生进行小组讨论和交流，完成知识的内化，从而实现更高效的课堂教学。

（二）  学生对知识的学习停留在理论层面，无法实际应用

机器视觉与图像处理是门实践性很强的课程，学生如果只是在课堂上学习理论知识，学生的学习面会比较窄。学生在学习过程中，大多是依靠教师来解释知识，实践部分的学习时间太短，且教学形式单一。这使得许多学生在毕业后难以满足智能制造业的需求，甚至缺乏处理实际问题的能力。此外，教学课本的内容相对简单，知识非常有限，因此，长期发展下去必然限制了学生的学习，而且也限制学生的知识面横向发展。学生学习不涉及具体应用知识，一切都是纸上谈兵。学生在教科书中学习到基本知识，就表明这种知识已经得到传承。如果学生只从教科书中学习基本知识，他们就会成为知识的传承者，那么知识就无法应用于实践。学校对人才的培养受到教学内容单一和实验资源有限的制约，学生难以在学校获得先进技术和工业设备。高等院校在人才输出和市场实际需求之间存在巨大差距，导致学生在毕业后进入工作岗位之前，必须先经过专业的培训，因此迫切需要企业与高校联合培养智能制造业人才，并调整人才培养模式的方向与产业需求精准对接。

（三）  学生缺乏问题意识

传统的教学模式下课堂上以教师的讲课为主，学生被动地获取知识，他们所学到的知识都是固定的，老师也只是确保学生在学习过程中没有问题，不能培养学生对问题的认识。一堂课结束，如果老师不提出问题，学生很少能主动发现问题。学生的问题解决能力更无从培养。教师教授基本知识，发现知识的过程总是被轻描淡写地带过，也没有教学生如何在众多谬误中辨别真理。教师在教学过程中没有提出问题，也不为学生设计问题。除了从课本中掌握基础知识，学生不知道再能去学些什么，更不可能激发学生解决问题的能力。刻板的顺序化的课堂授课不能让学生融会贯通本课程不同章节的知识，更无法谈及不同课程相关知识的融会贯通。教学的目的不能止于学生对基础知识的学习，学生在学习基础知识后还要再纵向发展，并学会利用知识解决问题。而解决问题所需的知识往往涉及许多方面，需要一本或几本书上不同章节知识的综合，特别是在机器视觉与图像处理这门课上还会涉及多个不同课程中知识的综合应用。学生在按照教材中知识排列的顺序完成学习后，不同章节的知识相互融合都非常困难，更不用说再学习如何通过自我学习发现和解决问题，并了解知识在解决问题过程中的价值。在教学过程中增强学生的动手实践能力，在实践中发现问题，以实际应用带动理论学习，并通过学生独立思考和主动查阅资料解决问题，就可以大大增加学生的学习主观能动性，进一步培养学生思考创新能力、理性批判能力和终身学习能力。

二  机器视觉与图像处理教学改进措施

解决机器视觉与图像处理课程中存在的诸多问题，教师和学生需要共同努力，但教师在改变教学行为方面发挥着领导作用，并且可以激励和影响学生学习方式的改变。针对机器视觉与图像处理教学改革，在此提出一套TPCI教学方法论，即理论、实践、合作和创新，也称TPCI原则（TPCI为英文theory、practice、cooperation、innovation四个词汇的第一个字母）。如何通过课上有限的时间扎实学生的理论学习，成为教学改革的首要任务，教师要在课前对教学内容进行设计，在课堂上学生的学习内容必须比教师教的广泛得多，课堂上教师教授的内容必须量少但精简，学生学习的内容必须广泛且深刻。机器视觉与图像处理课程需要的实践设备费用昂贵，高校的实验设备资源有限，学生往往理论知识丰富，但实践经验与产业需求相差巨大。随着我国产业结构从劳动力转向创新，创新成为国家发展的主要驱动力。创新的关键是人才，为使高校培养人才能够适应工业结构的调整，2017年12月国务院办公厅出台《关于深化产教融合的若干意见》（国办发〔2017〕95号），明确指出要促进教育链、人才链、创新链有机衔接，发挥企业的重要主体作用，促进人才培养供给侧和产业需求侧结构要素全方位融合。高校与企业对学生联合培养，采用双元育人模式是当前教育的新方式，可以更好地衔接教育系统和产业系统，实现双方教育、人才、设备和技术等资源共享。校企合作双元育人模式下，不仅增加了学生实践的机会也让学生的创新成果有了落地点，更为企业输送人才，实现高校与企业的双赢。

（一）  夯实理论基础

随着信息技术、多媒体网络技术的发展，机器视觉与图像处理课程采用翻转课堂的教学模式，整合传统教学方法，引导学生由独立学习向小组合作、交流的方式学习进行转变，加强课后培训实践，寻求创新继而发展丰富的科学理论，以此培养具有强大知识运用能力的高技能创新人才。与传统教学模式相反，新的教学方法不再是教师传授知识，而是学生作为主要机构的自我学习，从而培养学生检索知识的能力和利用所学知识解决实际问题的能力。为了增强学生学习的主观能动性、增强学生的问题意识，将翻转课堂这种新型教学模式运用在机器视觉与图像处理课程教学中，为教学改革注入新的思路和发展方向。