基于“项目驱动法”的“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学模式研究

张凯兵 景军锋 郭亚青 李刘薇

摘 要 “工业机器视觉测量与控制”综合实践是测控技术与仪器专业重要的后续实践性课程，设计合理有效的教学模式，对进一步巩固学生该课程基本原理和方法的掌握非常关键。笔者从高等学校应用型高级专门人才培养的内在要求出发，提出运用“项目驱动法”开展“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学，从教学目标、教学内容、教学规程和考核评价四个方面阐述了本课程的综合实践教学实施方案。运用“教学做合一”的综合实践教学模式，有利于发挥学生在学习过程中的主体地位，提高学生应用创新能力。

关键词 项目驱动法 工业机器视觉测量与控制 综合实践 教学模式

0 引言

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》提出：优化学科专业布局和人才培养机制，鼓励具备条件的普通本科高校向应用型转变。[1]因此，“十三五”期间，突出应用型高级专门人才培养，进行教学模式、教学方法的综合改革与实践，创建有利于应用型人才培养的人才培养模式，是普通高等学校人才培养的重点。

“工业机器人视觉测量与控制”是测控技术与仪器专业一门重要的专业课程，它涉及光学、电子学、控制科学、计算机科学等众多学科，理论知识繁多，应用性强，学生掌握难度较大，因此在教学中应注重理论知识与实际应用紧密结合，才能提高学生学习兴趣，调动学生学习积极性，加强对学生自主学习能力和灵活运行所学知识的能力。为加强学生“工业机器人视觉测量与控制”课程的理论基础和工程实践能力，大多数高等院校都开设了“工业机器人视觉测量与控制”综合实践课程，但在开展具体教学时，教学内容仅仅围绕相关课程展开，教学模式单一，不能充分将课内知识与实际工程问题相结合，无法适应当前企事业单位对工业机器人视觉测量专业技术型人才的应用需求。为探索利于应用型人才培养的人才培养模式，加强“工业机器人视觉测量与控制”综合实践课程的教学效果，本文研究基于“项目驱动法”的工业机器视觉测量与控制综合实践教学模式，利用建构主义学习理论教学法，运用“教学做合一”教学模式，模拟真实项目的开发环境与开发全过程，在教学过程中充分发挥学生的主体地位，针对具体的视觉测量与控制任务，有针对性地培养学生提出问题、分析问题与解决问题的实践能力，提升人才培养质量。

1 基于“项目驱动法”的“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学设计思路

“项目驱动教学法”是建立在建构主义学习理论基础上的一种教学法，它将以往以传授知识为主的传统教学理念，转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学理念。[2]近年来，以“项目驱动法”为教学理念的创新教学模式受到了广大教育工作者的高度重视。例如，廖广军等人[3]提出结合“项目驱动法”的三层次实验教学改革方法，通过重构验证性、综合性、探索性三层次实验项目，实践教学表明该方法具有较好的教学效果；张宏伟等人[4]针对电子CAD课程，探索和实践了基于“项目驱动”的教学模式改革，采用理论与实践训练同步、交叉进行的并行课堂教学模式，有利于提高学生主动学习能力；文献[5]提出了基于项目驱动的“统计学”教学改革方案，从项目的初期、实施阶段及项目总结3个方面分析项目驱动法在“统计学”课程的应用；蒋彦等人[6]提出将“项目驱动”教学法应用于测控仪器设计课程教学中，以突出了学生在学习过程中的主体地位。文献[7]以MySQL数据库课程教学中索引的创建与应用为例，提出以工作过程为导向的项目驱动法教学模式，从子项目设计、计划制定、任务实施、任务交付、效果评价和项目扩展6个方面设计教学过程。韩永华等人[8]通过基于项目驱动的交互式管理界面的翻转课堂教学模式组织课堂教学，有利于调动学生学习的积极性、主动性。因此，“项目驱动法”运用“教学做合一”的教学模式设计与组织课堂教学，在教学中突出学生的主体地位，能有效培养学生提出问题、分析问题与解决问题的实践动手能力。

本文以“项目驱动教学法”为理论基础，围绕教学目标、教学内容、教学管理和课程考核四个方面，探索新的“工业机器人视觉测量与控制”综合实践课程的教学模式，从明确教学目标、优化课程教学内容、规范课程设计管理过程和建立多元化的评价方法等方面研究“工业机器人视觉测量与控制”综合实践教学的新模式，通过制定明确的目标任务、创设合适的教学情境，使学生带着真实的任务在探索中学习。在老师的指导下，学生以小组为单位，紧紧围绕分配的课题任务，在强烈的问题动机的驱动下，充分利用互联网、图书馆等学习资源的主动收集、整理和归纳相关知识，自主探索和互助式学习，最大限度激发学生学习的主观能动性和学习潜能，培养学生分析问题、解决问题以及分工协作的创新思维，以培养符合国家和社会需要的复合应用型创新性人才。

2 基于“项目驱动法”的“工业机器视觉测量与控制”教学模式

本文运用“项目驱动法”开展“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学。如图1是综合实践教学模式改革的主要内容。

2.1 制定明确的教学目标

制定明确的教学目标是搞好“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学的首要任务。通过该课程，进一步巩固计算机视觉测量和检测技术的基本原理和方法，培养学生运用计算机视觉测量和检测的理论方法解决实际生产中的测量与检测任务的能力，以满足现代制造业的高速、精密、复杂的应用需求。本课程以项目驱动的模式，通过讲练结合，要求学生掌握视觉检测系统及其实验环境的搭建方法，掌握综合利用机器视觉软件Halcon、计算机视觉库OpenCV和C#编程软件设计和实现视觉检测系统的方法。通过实际工程中具体的视觉测量和检测案例的学习与实践，使学生初步具备解决实际工程中视觉检测软件的设计能力和创新能力。

2.2 组织丰富的教学内容

在开展实践教学过程中，主要从如下三个方面组织教学内容：

（1）开展案例教学演练。掌握HALCON 12图像采集助手获取相机实时图像，并将插入采集实时图像的HALCON代码导出为C#代码，设计图像采集窗口，编程实现采集/停止功能，并對图像采集程序进行调试运行。通过案例讲解，从软件工程的角度给学生详细讲解实现一个工件二维尺寸测量的详细过程，包括需求分析、概要设计、详细设计、具体实施和测试等环节，是学生掌握视觉检测系统及其实验环境的搭建方法，掌握综合利用机器视觉软件Halcon和C#编程软件设计和实现视觉检测系统的方法，并掌握课程设计报告的撰写规范。

（2）拓展现代工程工具的运用。本课程以项目驱动的模式，通过讲练结合，要求学生掌握视觉检测系统及其实验环境的搭建方法，掌握综合利用机器视觉软件Halcon、计算机视觉库OpenCV、C#编程软件设计和实现视觉检测系统的方法。通过在课程教学中引入上述现代工程工具的运用，能有效开拓学生知识面，提高实践动手能力和工程能力。

（3）开展综合实践训练。在指导教师的指导下，各个学生分组独立完成课题分析、设计、代码编写和调试，独立撰写课程设计报告。通过调研、查找资料、总体方案设计、详细设计、具体方案实现、整理报告、提交作品和项目分组答辩等实践环节，培养学生提出问题、分析问题与解决问题的实践能力，提升本专业应用技术型和创新性人才的培养能力。如表1是本课程制定的综合实践训练选题内容。

2.3 制定规范的教学规程

要制定规范的教学管理规程，从学时安排、师资配置和人员组织上精心策划，建立完善的监督与修正机制，保证实践教学的顺利实施，确保课程设计的实践效果。

在教学计划中，笔者所在的控制工程系组织相关教师精心编写了“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学大纲，对教学目标、教学要求、教学内容、案例讲解、教学组织与实施、教学过程日志、综合实践报告和考核方法与成绩评定等方面的内容进行了明确的规定。为保证教学效果，“工业机器视觉测量与控制”综合实践安排了56个学时，并安排专门“视觉自动检测技术”、“机器人视觉测量与控制”课程的两名专任教师担当实践教学的指导教师，有利于根据学生的实践能力开展个性化的教学。在综合实践训练阶段，采用课题组形式，以3～4个学生为一组，每组推荐组长1名，负责组织和协调组内成员在课题设计过程中遇到的问题。在整个实践教学中，每个学生要按要求如实记载实践教学中的教学内容、进展情况、遇到的问题和解决途径，由指导教师和其他课题组长交叉检查学生实践过程的记载情况，并作为成绩评定的依据。最后，每个课题组要按规范合作撰写完整的课题报告，内容包括需求分析、概要设计、详细设计、调试分析，并按统一格式列出主要参考文献。

2.4 建立多元化的考核评价机制

为全面客观地评价学生在综合实践过程中的表现，考核时遵循“四个结合”原则，即：课内和课外实践环节相结合、个人能力和团队协作能力相结合、课程设计报告和答辩成绩相结合、自评和互评成绩相结合，从学生对必知必会知识的掌握情况、理论知识运用于实践的能力、工程设计与实现能力和团队沟通与协作能力等多个方面进行全面考核。同时，对课程设计报告和答辩成绩，采用具体可操作的指标量化形式评价。如表2是课程设计报告的评分维度和评分标准。

3基于“项目驱动法”的“工业机器视觉测量与控制”教学方法的具体实施

在具体教学过程中，分四个阶段开展“工业机器视觉测量与控制”教学。图2是基于“项目驱动法”的综合实践实施过程。

（1）知识巩固阶段。本阶段以“工业机器人视觉测量与控制”方向中学生应知必会的知识点开始，根据学生的现有基础和实施课程设计必需的工具出发，设计3～4个专题实训内容，以学生练习为主，老师辅导答疑为辅，精心组织实训内容，培养学生自主学习的能力。

（2）项目设计阶段。本阶段指导教师以一个典型的工业机器视觉为案例，利用工程设计的思想，从需求分析入手，给学生讲解和演示设计一个完整的视觉系统的全部过程，通过项目实施过程中每个要点的讲授，循序渐进地提高学生运用已有知识和学习新知识分析问题和解决问题的能力。（下转第162页）（上接第140页）

（3）实践阶段。本阶段采用自由组合方式，以3～4个学生为一组组成项目开发小组。在指导教师的指导下，从综合设计任务书中选择一个课题开展工程实践。由组长负责本组任务的分配和内部协调工作，定期汇报项目的进展情况，及时与指导教师沟通遇到的技术难题。在项目实践过程中，每个学生必须认真详细记载实践记录，真实反映实践全过程。项目组长负责组织本组项目的实施，组织小组成员撰写课程设计报告，并参与最终的成绩评定。通过模拟真实的项目开发环境与开发过程，让学生充当项目中的不同角色，培养学生独立工作能力、沟通与协作能力，提升本专业应用技术型和创新性人才的培养能力。

（4）项目考核阶段。本阶段遵循“四结合”原则，将过程和结果都要纳入评价学生实践成绩的范畴。不仅要学生对必知必会知识的掌握情况进行评价，而且要重点考核学生将理论知识运用于实践的能力，特别是系统的开发设计能力、解决实际问题的能力和沟通协作能力，并采用指标量化的形式评价课程设计报告和答辩成绩。

4 结语

本文从高等学校应用型高级专门人才培养的内在要求出发，从教学目标、教学内容、教学规程和考核评价四个方面具体阐述了运用“项目驱动法”开展“工业机器视觉测量与控制”综合实践教学模式。该模式有利于充分激发学生的学习主观能动性和学习潜能，进一步巩固和加深学生对理论知识的理解，培养学生工程实践的综合能力，符合新期间社会对应用型高级专门人才培养的内在要求。

参考文献

[1] 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议[EB /OL].http：//www.qstheory.cn/dukan/qs/2015-11/15/c_1117135373.htm.2015-11-15/2018-08-18.

[2] 黄辉.基于“项目驱动法”的“数据库课程设计”教学[J].湖北工程学院学报，2016.36（3）：124-128.

[3] 廖广军，高军礼，陈玮，等.结合项目驱动法的三层次实验教学改革研究——以“公安数字影像处理与分析”为例[J].广州市公安管理干部学院学报，2018（1）.

[4] 张宏伟，牛军.CAD课程项目驱动法教学改革的探讨[J].教育教学论坛，2018（5）：108-109.

[5] 张秀珍，谈红，吴凤媛，等.基于项目驱动的物流专业“统计学”教学改革研究[J].江苏科技信息，2018（2）：62-64.

[6] 蒋彦，冯军，朱慧玲，等.项目驱动法在测控仪器设计课程中的应用探讨[J].价值工程，2017.36（34）：209-210.

[7] 黨小争.以工作过程为导向的项目驱动法在MySQL数据库课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2014（18）：82-83.

[8] 韩永华，刘成霞，汪泓.基于项目驱动的交互式管理界面的翻转课堂实施方式[J].教育教学论坛，2018（23）：4-5.