机械专硕“机器视觉原理与应用”课程教学改革

王中任 肖光润 刘海生

[摘 要] 针对现有专业学位研究生课程“机器视觉原理与应用”教学中存在的问题，将课堂交流汇报、科研小课题、产学研项目训练等教学手段纳入教学改革中;在理论讲授中融入课程思政，致力于培育新时代专业研究生科技报国的责任担当;通过邀请机器视觉专家教授授课或讲座，开阔研究生视野;通过产学研合作项目，使机器视觉理论知识得以与产品、项目研发实践结合。该课程教学改革，是落实全国研究生工作会议精神和提高专业学位研究生教学质量的有益探索和实践。

[关键词] 专业学位研究生;课程思政;产学研合作;教学改革

[基金项目] 2020年度湖北文理学院研究生教育工程项目“‘机器视觉原理与应用优质课程建设”（YZL202007）

[作者简介] 王中任（1974—），男，湖北黄梅人，湖北文理学院机械工程学院教授，副院长，主要从事智能制造与机器视觉研究;肖光润（1987—），男，湖北宜城人，湖北文理学院机械工程学院讲师，主要从事机器视觉技术研究;刘海生（1967—），男，吉林白城人，湖北文理学院机械工程学院教授，主要从事机器视觉技术研究。

[中图分类号] G643   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）11-0037-04    [收稿日期] 2020-11-23

在全国研究生教育工作会议上，国务院总理李克强指出，研究生教育肩负着高层次人才培养和创新创造的使命，是国家发展、社会进步的重要基石;要深化研究生培养模式改革，进一步优化学科课程设置，促进科教融合和产教融合，着力培养研究生实践能力、创新能力，为建设社会主义现代化强国提供更坚实的人才支撑[1]。面向“中国制造2025”，机械类专业学位研究生的培养要以高层次、急需紧缺专业技术人才和创新型人才为重点，实施专业技术人才知识更新工程和先进制造卓越工程师培养计划，打造高素质专业技术人才队伍[2]。作为服务地方经济的本科院校，机械专业硕士研究培养既要面向地方建设，又要跟上现代科技快速发展的步伐，开设一批优质课程，来支撑专业研究生人才培养质量[3]。机器视觉是人工智能正在快速发展的一个方向，简单来说，机器视觉就是用机器代替人眼和大脑来做测量和判断。从工业应用而言，机器视觉系统是通过摄像机将被检测目标对象转换成图像信号，传送给工业计算机，根据图像的像素分布、亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制工业现场的设备动作。机器视觉是一项多学科交叉的综合技术，包括光学成像、图像处理、机构设计、自动化控制、计算机软硬件和模式识别等技术。近年来，随着人工智能、大数据和智能制造的快速发展，机器视觉技术应用越来越广泛，学习并掌握机器视觉技术已经成为机械专业硕士研究生就业和创业的核心竞争力之一，因此，面向机械工程专业硕士研究生，開设“机器视觉原理与应用”专业方向课程。然而，该课程理论性强、现有教学手段落后、研究生缺乏开阔工程视野和实践能力，是目前课程教学中的突出问题。

一、“机器视觉原理与应用”课程教学存在的问题

“机器视觉原理与应用”课程的主要目标有三个：（1）使专业学位硕士研究生了解国内外机器视觉发展的最新研究成果，以及机器视觉在典型行业应用;（2）使研究生掌握机器视觉基本概念、基本理论和主要算法;（3）使研究生具备运用理论和方法解决实际机器视觉问题的能力。由于受到传统教育理念与思想的影响，机械专业硕士专业课程的教学工作中，更侧重于培养和考查研究生理论知识的学习和掌握，以教师讲授为主，虽然布置了一些课堂讨论环节和大作业，但在教学工作中还存在一定程度的不足。

1.“机器视觉原理与应用”属于理论性和实践性都较强的专业理论课，在过去，为了提升研究生对基础理论知识的理解，开展了一定比例的实验课程环节，但是受制于研究性实验设备不足，课内实验时间短暂，研究生只能执行一些设备操作，与本科生课内实验差别不大，研究生收获不大。另外，虽然我们课程团队拥有一个设备齐全和先进的智能制造与机器视觉襄阳市重点实验室，但缺少符合研究生开放性和研究性实验室的设备，有必要通过开展科研小课题，让研究生自己开发搭建软硬件结合的实验平台，比传统操作验证性实验要好。

2.传统的“机器视觉原理与应用”课程的教学内容更多倾向于理论层面，以图像处理算法为主，理论与实际结合并不紧密。而随着当今机器视觉技术与智能制造的迅猛发展，项目案例与智能生产线的机器视觉应用有不小差距，导致研究生在完成了相关课程理论学习后，还是未能联系到智能制造时代的应用场景，一定程度上影响了研究生的积极性。

3.课程缺乏思想教育的内涵，未能全面指导研究生形成正确的思想观念，缺乏价值引领与启示，导致研究生缺少主动性，缺乏正确人生观与价值观，科技报国和责任担当意识不足。

另外，国内只有少数机械专业的本科生开设了机器视觉或图像处理的专业选修课，虽然我们课程组面向本科生已经讲授了八年的“机器视觉技术”课程，但是对于外校考研过来的研究生而言，没有机器视觉基础，给这门课的教学带来了一定的困难。

二、解决“机器视觉原理与应用”教学问题的方法路径

对于传统的研究生理论教学方法主要停留在教师理论讲授和研究生研习汇报，而大多研究生存在主观能动性差、视觉算法理解比较困难、研究生学习积极性不强以及利用理论知识解决实际工程问题的能力薄弱等问题，我们从如下五个方面展开了教学改革。

1.重视课程思政，培养研究生的爱国报国情怀、科技创新精神和严谨诚信的学术作风。在课堂教学中，我们将情感和价值观融入理论教学过程，从华为芯片到高科技公司出口“黑名单”，从商汤科技到阿里达摩院视觉团队，从2019年著名计算机视觉科学家沈向洋博士受聘清华，到2020年计算机视觉马尔奖获得者朱松纯回国加盟北京大学，告诉每位同学，“卡脖子”必须要靠科技创新和实业报国，要靠一批批优秀的科学家的奋斗，也要靠所有研究生同学的努力奋斗。不但向研究生传递爱国精神和民族自信力，而且培养他们创新创业的意识。通过将课程思政融入课堂，激发研究生们的钻研精神。另外，课程思政也需要和风细雨和潜移默化。授课中对于算法公式的板书推导以及课件中经典英文文献的引用介绍，让研究生体会到严谨认真、诚实守信的学术作风，对于本科阶段没有机器视觉技术课程的同学，我们在开课前两个月提前给他们布置阅读一些基础性技术资料并给他们一些辅导，指导他们安装有关软件，让他们能够更快融入这门研究生课程的学习，同时体会到教师的良苦用心，引导他们感恩社会，尊师重教，将来也能用无私的奉献来回报父母和社会。

2.开展科研小课题，培养研究生实践动手能力。为了加深研究生对机器视觉算法理论相关知识的掌握，设立合适的机器视觉测量、定位、检测和识别等相关课题，并让研究生以小组形式，开展科研小课题，并以交流汇报的形式展示，培养研究生将理论分析运用到工程实际中的能力，通过科研小课题提升研究生的团队合作意识和能力，同时培养研究生自主解决实践中发现问题的能力，并借此激发研究生对问题的思考以及对解决问题方法的创新。由于机器视觉核心在图像处理算法，因此，要求研究生利用OpenCV或Halcon图像算法库，结合Python或者VS编程软件，编写有关程序软件，进行图像滤波、图像增强、边缘检测等预处理算法仿真测试，进行点特征提取、线特征提取、圆提取、椭圆提取等处理算法，并进行基于灰度和基于特征的图像匹配处理算法的仿真测试。通过开展科研小课题，可以让研究生亲自动手搭建实验平台，并进行软件编程，掌握机器视觉算法原理及关键技术，并解决一些实际问题。

3.通过产学研协同和企业项目实践，培养专业学位研究生的实践创新能力。全国研究生教育工作会议指出，专业学位培养以研究生实践创新能力为重点，强化产教融合，让行业企业深度参与研究生培养全过程。专业学位研究生的培养有明显的职业导向性和实践应用性的特点，但目前大部分高校专业学位研究生课程、工程训练中心、实验室等对研究生工程实践应用能力的培养还远远不够[3]。产学研人才培养模式综合了企业、学校和研究机构在人才培养方面的各自特色和优势，有利于工程硕士研究生创新素质的提高，推动企业技术革新，实现多方共赢[4]。为了能够充分调动研究生的学习积极性，我们以“机器视觉原理与应用”课程为教学平台，与中国化学工程第六建设有限公司、襄阳博亚精工装备股份有限公司以及襄阳寒桦精机有限公司等多家优质企业建立实践平台，签订多项产学研合作项目，围绕新工科人才培养模式研究与实践，建立产学研结合模式的工程教育与创新实践平台，让研究生走进企业走到工地，参与车间生产线智能化和智慧焊接施工的项目实践，让研究生重视从实际工程需求中去寻找问题，用所学的理论知识去构建解决方案，进而提升研究生实践创新能力和工程师素质。

4.邀请校外和产业界的专家和企业家讲学，拓展研究生的视野。该课程连续多年邀请校外知名高校和知名机器视觉企业领域专家教授来校进行短期授课或开展远程专题讲座，进一步拓宽研究生的视野。教授专家通过结合自身丰富的业界经验，为研究生深入浅出介绍各类机器视觉技术的前沿应用，加深研究生对现代机器视觉技术应用的理解。2019年，我们还组织承办了全国智能制造与机器视觉学术研讨会，有80多名国内外知名学者、博士教授和企业专家出席了会议，研究生全程听讲座并和专家、企业家交流，拓展了视野，并增强了学习机器视觉的积极性。

5.教学形式上不完全拘泥于课程教材。通过建设课程案例库，将课程与工程实际问题融合，更加注重理论联系实际，采用启发式教学方式鼓励并提高研究生的主观能动性，使其积极参与课堂的实践环节。案例教学对机械工程专业学位研究生实践及应用能力培养意义重大。课程组通过五年的课程案例库建设，形成了丰富的面向汽车、电子、交通、化工、农业、医疗等领域的项目案例，构建了包括机器人随机视觉定位抓取上下料、机床加工件在线视觉检测、刀具磨损视觉测量、冲压件直线度和尺寸视觉测量、车牌识别、焊缝跟踪、大型工件结构光三维扫描、视觉定位激光打标、农田杂草识别、焊接缺陷识别、精密板带表面缺陷检测、血管瘤图像诊断等15个技术专题的机器视觉教学案例库。每个案例图文并茂，而且剪辑有短视频，激发研究生学习的积极性。案例的覆盖面能满足专业学位研究生“机器视觉原理与应用”课程的教学需求。案例教学调动了研究生学习积极性和主动性，可以培养研究生批判思维能力和创新实践能力，提高自身解决工程问题的能力。

三、考核方式创新和教学改革效果

以前，机械专业学位研究生的专业课程多倾向于采用期末考试或论文写作的考核方式。期末考试多为试卷作答模式，虽然看起來比较公平，但实际上很难对研究生能力和素质进行考核，考核方式单一且不科学。而布置一篇综述小论文写作，虽可一定程度地提高研究生科研能力，但考核方式仍然单一，且论文质量无法保证，严重影响研究生日常学习的积极性，导致研究生对专业课程知识体系无法系统掌握。因此，开展研究生专业课程的考核方式改革创新，是很有必要的。通过改革创新，湖北文理学院机械专业研究生“机器视觉原理与应用”考核形式实现了多元化的创新，结合了平时考核、实践考核和课程论文三种形式，各占25%、25%和50%。其中平时考核为课堂出勤和课堂汇报交流，实践考核包括产学研项目训练和课外科研小课题两个部分，课程论文以三人小组为单位，进行某个专题的文献综述和产学研项目方案设计，要求每位研究生至少引用30篇近五年权威期刊文献，小组内可以有一定的交叉重复度，但重复度不得高于30%，另外，要求小组成员密切协作，设计出不同的项目方案并分析比较。比如，2019级研究生的课程论文中，第一组研究生的课题为“基于机器视觉的机器人焊缝跟踪技术研究”，要求小组研究生按机械手、有轨爬行机器人和无轨爬行机器人来分别撰写课程论文，并设计几种不同的焊缝跟踪技术方案，通过汇报交流，研究生得到了更大的收获;第二组研究生的课题为“基于机器视觉的三维测量技术研究”，要求按不同尺度（大尺寸、小尺寸、微尺寸）和不同材料（如反光、不反光）来分别进行文献综述，并按照主动结构光和被动法进行方案设计;第三组研究生的课题为“基于机器视觉的高反光金属表面缺陷检测技术研究”，要求研究生按照不同种类高反光金属件的检测方法来文献综述，从硬件和软件算法进行方案设计;第四组研究生的课题为“基于机器视觉的透明件表面缺陷检测技术研究”，要求研究生按照不同种类透明件的检测方法来分别进行文献综述，并以某种常见透明件（如车灯透镜）为例，从硬件和软件算法进行项目方案设计。这种课程论文的分量比较重，不仅需要写文献综述，更重要的是要协作进行产学研项目方案的设计，对研究生的锻炼价值很大。因此，通过对“机器视觉原理与应用”课程的考核方式进行改革，改变了过去以期末考试或单一综述论文写作的评估方式，从多方面进行综合考核，多方面培养研究生，更好地引导研究生的参与，更好地考查研究生是否真正理解和应用机器视觉原理算法，更好地提升他们的团队协作和实践创新能力。通过教学改革，“机器视觉原理与应用”课程受到更多研究生的欢迎，课堂缺勤率极低，上课抬头率高，研究生课前主动预习和阅读文献积极性高，课堂积极参与交流讨论，课后自主进行开放性科研小课题的积极性高，能够积极参与产学研项目训练，研究生自主学习案例资源库丰富，拓宽了工程视野，工程实践能力和创新能力明显增强。

四、结语

为了贯彻落实全国研究生教育工作会议精神，全面提高专业研究生培养质量，专业课程的建设与改革是一项基础性工作。我校机械专业学位研究生“机器视觉原理与应用”课程改革实践证明，专业学位研究生的专业课程教学，需要面向地方产业需要，面向研究生高质量就业，把课程思政、理论讲授、交流汇报、系列讲座、科研小课题、产学研项目等多种教学方式方法结合起来，并采用综合考核评价方式，提高课程的教学质量。湖北文理学院“机器视觉原理与应用”课程教学团队多年来摸索出来的成功教学经验，对于地方院校专业学位研究生培养，具有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]杨卫，杨斌，王顶明，周文辉.学习贯彻全国研究生教育会议精神（笔谈）[J].学位与研究生教育，2020（9）：1-9.

[2]汪朝晖，范勤，蒋国璋，等.面向“中国制造2025”的机械类专业学位研究生培养新模式[J].教育教学论坛，2020（10）：61-63.

[3]孙增耀，张翔，张慧芬，等.产学研协同培养工程专业学位研究生的实践探索[J].中国高校科技，2019（11）：81-84.

[4]伏军，马仪，李光明，等.基于校企合作的“产学研”人才培养模式探讨[J].教育現代化，2019（A4）：6-8.

Teaching Reform of the Course of Machine Vision Principles and Applications for Professional Degree Postgraduates

WANG Zhong-Ren1，2， XIAO Guang-run1，2， LIU Hai-sheng1，2

（1.School of Mechanical Engineering， Hubei University of Arts and Science， Xiangyang， Hubei 441053， China; 2. Xiangyang Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Machine Vision， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching of the course of Machine Vision Principles and Applications， the teaching methods， such as classroom communication and reporting， doing small scientific research projects， and the industry-education-research project training， have been incorporated into the teaching reform. “Curriculum ideological and political education” has been integrated into the theoretical teaching in order to cultivate the professional graduate students sense of patriotism and their sense of responsibility of serving our country with the achievements in science and technology. By inviting machine vision experts to give some lectures， we try to broaden their horizons. Through the cooperation projects of industry-education-research， the theoretical knowledge of machine vision can be combined with the products and the project research and development practice. The teaching reform of this course is a beneficial exploration and practice to implement the spirit of the National Graduate Work Conference and to improve the teaching quality of professional degree graduate students.

Key words： professional degree postgraduates; “curriculum ideological and political education”; industry-education-research cooperation; teaching reform