“机器视觉”课程思政教学方法的研究

梁华刚

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安710064）

0 引言

在2016年全国高校思想政治工作会议上，“课程思政”这一概念首次提出。习近平总书记在工作会议中强调，“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”［1］。在2018年全国教育大会上［2］，习近平总书记强调，“党的十八大以来，我们围绕培养什么人、怎样培养人、为谁培养人这一根本问题，全面加强党对教育工作的领导，坚持立德树人，加强学校思想政治工作，推进教育改革，加快补齐教育短板，教育事业中国特色更加鲜明，教育现代化加速推进，教育方面人民群众获得感明显增强，我国教育的国际影响力加快提升，4000多万在校大学生的思想道德素质和科学文化素质全面提升”。高校课程思政改革由此开始。

就“机器视觉”这门课而言，这是一门作为信息处理、计算机、机器人、人工智能、自动化及仪器仪表等专业的高年级本科生和研究生的专业课程。本课程编入长安大学本科生2010版培养计划开始，本科生开设本课程7年。研究生15版培养计划增设“机器视觉”课程已有5年。近三年累计授课人数达400余人。“机器视觉”主要讲述机器视觉的基本思想、原理和实验设计等内容，教学环节包括课堂讲授、习题、课外作业和实验，使学生掌握机器视觉的基本概念和机器视觉的分析方法和设计方法，初步掌握应用机器视觉知识进行简单的测量、匹配和相机标定等技能，学会应用OpenCV进行简单的应用实验设计。在2016年“课程思政”提出以前，“机器视觉”课程教学对“课程思政”重视程度不够，侧重于传递知识，对育人育德考虑不足，学生普遍存在掌握充足的专业知识，缺少社会关怀的现象，因此迫切需要高校教师在课程传授过程中让学生提升爱国情怀和政治责任。

1 “课程思政”教学改革目标

本课程涉及光学、电子学、控制科学、计算机科学等众多学科，是一门重要的综合性前沿学科课程。在工业机器人、移动机器人领域，军事领域、航天与空间探索领域等具有广阔的应用前景。进行“课程思政”改革，易于激发学生科学探索的兴趣，能够培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。通过列举近年来机器视觉技术在我国空间探索、探月工程、智慧交通等领域的应用，引导学生扎根中国大地、了解国情民情，厚植爱国主义情感，坚定“四个自信”，实现知识体系教育与思想政治教育的有机结合，践行育才与育人的统一。

具体实现目标包括以下几点：

（1）通过介绍机器视觉发展和研究方向，介绍机器视觉应用的最新成果和中国在机器视觉领域取得伟大成绩。包括国家整体的技术水平以及中国科学家在机器视觉领域做出的贡献。

（2）通过介绍图像概念的同时，选择具有中国文化的图例和素材，潜移默化的激发学生的文化自信，触发学生的爱国情怀。

（3）通过推导空间变换关系，让学生体会发现问题，分析问题，解决问题过程中基础课程和专业课程之间关系，培养学生的科学思维方式。

（4）通过实践教学环节突出培育学生求真务实、实践创新、精益求精的工匠精神。

2 “课程思政”实施的具体举措

2.1 融合思政教学理念，完善课程教学大纲

在“课程思政”具体实施方面，主要以目前的教学大纲为基础，围绕机器视觉、图像和相机模型、空间几何投影和摄像机模型、极几何和视觉诱导、形状重建和混合虚拟实境、相机标定等相关内容，通过课堂案例和机器视觉实践设计，实现融入“课程思政”的教学目标，教学内容设计如下表1所示：

表1 教学内容设计

2.2 丰富教学模式，思政教育融入教学

用启发式、研讨式、过程向导式、任务驱动式等多种教学方式，在教师设计情景中通过具体实例讲解引领学生思维，培养大学生严谨的科学态度、求真务实学风，以及坚忍不拔的钻研精神；

2.3 探索教学方法，实现思政教学的双向交流

在实践教学环节，采用任务式教学方式和探究式教学方式相结合，使学生通过分析实践任务，思考、讨论、探索、优化设计方案。探索多样化实践教学方法，提升课程育人质量；

2.4 深化教学考核方式改革

坚持以学生为中心，创新课程教学方法，打破以考试定成绩、以卷面成绩决定学生排名，注重学习过程考查和管理，因材施教，鼓励学生探索适合自己的学习方法。综合评价学生的学习能力和学习效果。

3 教学环节实例

针对“课程思政”的教学改革目标和教学内容，以如下4项教学内容为例：

1）什么是机器视觉

“机器视觉”是一门新兴课程，近年来发展很快。让机器或计算机具有识别物体的结构并用数学理论进行描述的科学我们称为机器视觉。它的主要任务就是通过图像传感器采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息，就像让机器和计算机像人类和其他动物一样具体视觉能力。

2）图像和相机模型

介绍小孔成像模型，相机处理信息时，并非按照实际相机的物理投影来考虑。为了简单起见，仅考虑相机的几何学性质，即只关心镜头的中心点，且让摄像元件的光全部通过这一点，这样的照相机称为针孔照相机。如下图1所示。

图1 针孔照相机

3）空间几何变换和不变形

如图2所示是从三个不同的视角观看支架（工字金属架）得到的图像。由图中可以看出，即使对于同一个物体，如果视点不同，则其投影形状也完全不同。

图2 外观的形状

4）相机标定

相机标定方法主要有以下三种：传统相机标定方法、主动视觉摄像机标定方法、摄像机自标定方法。图3所示是从各种不同的视点摄影得到的天安门图像。通过这些图像得到的标定重建后的直角性结果如图4所示：（a）中编号所示的直线间求得的角度结果；（b）示出原本是直角的形状基本复原为直角，可知相机标定正确。

图3 不同视点摄影得到的天安门图像

图4 相机标定结果

4 结语

本文以“机器视觉”课程为例，坚持育人与育才相统一，深入推进习近平新时代中国特色社会主义思想进教材、进课堂、进头脑，深度挖掘各教学环节蕴含的思想政治教育素材和资源，培养学生科学探索精神和创新精神建设。在课程背景介绍中引导学生扎根中国大地、了解国情民情，厚植爱国主义情感，坚定“四个自信”，实现知识体系教育与思想政治教育的有机结合；在技术内容讲解中注重科学思维方法的训练和科学伦理的教育；在实践环节训练中突出培育求真务实、实践创新、精益求精的大国工匠精神。注重学思结合、知行统一，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力。