基于“項目驅動法”的“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學模式研究

張凱兵 景軍鋒 郭亞青 李劉薇

摘 要 “工業機器視覺測量與控制”綜合實踐是測控技術與儀器專業重要的后續實踐性課程，設計合理有效的教學模式，對進一步鞏固學生該課程基本原理和方法的掌握非常關鍵。筆者從高等學校應用型高級專門人才培養的內在要求出發，提出運用“項目驅動法”開展“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學，從教學目標、教學內容、教學規程和考核評價四個方面闡述了本課程的綜合實踐教學實施方案。運用“教學做合一”的綜合實踐教學模式，有利于發揮學生在學習過程中的主體地位，提高學生應用創新能力。

關鍵詞 項目驅動法 工業機器視覺測量與控制 綜合實踐 教學模式

0 引言

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》提出：優化學科專業布局和人才培養機制，鼓勵具備條件的普通本科高校向應用型轉變。[1]因此，“十三五”期間，突出應用型高級專門人才培養，進行教學模式、教學方法的綜合改革與實踐，創建有利于應用型人才培養的人才培養模式，是普通高等學校人才培養的重點。

“工業機器人視覺測量與控制”是測控技術與儀器專業一門重要的專業課程，它涉及光學、電子學、控制科學、計算機科學等眾多學科，理論知識繁多，應用性強，學生掌握難度較大，因此在教學中應注重理論知識與實際應用緊密結合，才能提高學生學習興趣，調動學生學習積極性，加強對學生自主學習能力和靈活運行所學知識的能力。為加強學生“工業機器人視覺測量與控制”課程的理論基礎和工程實踐能力，大多數高等院校都開設了“工業機器人視覺測量與控制”綜合實踐課程，但在開展具體教學時，教學內容僅僅圍繞相關課程展開，教學模式單一，不能充分將課內知識與實際工程問題相結合，無法適應當前企事業單位對工業機器人視覺測量專業技術型人才的應用需求。為探索利于應用型人才培養的人才培養模式，加強“工業機器人視覺測量與控制”綜合實踐課程的教學效果，本文研究基于“項目驅動法”的工業機器視覺測量與控制綜合實踐教學模式，利用建構主義學習理論教學法，運用“教學做合一”教學模式，模擬真實項目的開發環境與開發全過程，在教學過程中充分發揮學生的主體地位，針對具體的視覺測量與控制任務，有針對性地培養學生提出問題、分析問題與解決問題的實踐能力，提升人才培養質量。

1 基于“項目驅動法”的“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學設計思路

“項目驅動教學法”是建立在建構主義學習理論基礎上的一種教學法，它將以往以傳授知識為主的傳統教學理念，轉變為以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學理念。[2]近年來，以“項目驅動法”為教學理念的創新教學模式受到了廣大教育工作者的高度重視。例如，廖廣軍等人[3]提出結合“項目驅動法”的三層次實驗教學改革方法，通過重構驗證性、綜合性、探索性三層次實驗項目，實踐教學表明該方法具有較好的教學效果；張宏偉等人[4]針對電子CAD課程，探索和實踐了基于“項目驅動”的教學模式改革，采用理論與實踐訓練同步、交叉進行的并行課堂教學模式，有利于提高學生主動學習能力；文獻[5]提出了基于項目驅動的“統計學”教學改革方案，從項目的初期、實施階段及項目總結3個方面分析項目驅動法在“統計學”課程的應用；蔣彥等人[6]提出將“項目驅動”教學法應用于測控儀器設計課程教學中，以突出了學生在學習過程中的主體地位。文獻[7]以MySQL數據庫課程教學中索引的創建與應用為例，提出以工作過程為導向的項目驅動法教學模式，從子項目設計、計劃制定、任務實施、任務交付、效果評價和項目擴展6個方面設計教學過程。韓永華等人[8]通過基于項目驅動的交互式管理界面的翻轉課堂教學模式組織課堂教學，有利于調動學生學習的積極性、主動性。因此，“項目驅動法”運用“教學做合一”的教學模式設計與組織課堂教學，在教學中突出學生的主體地位，能有效培養學生提出問題、分析問題與解決問題的實踐動手能力。

本文以“項目驅動教學法”為理論基礎，圍繞教學目標、教學內容、教學管理和課程考核四個方面，探索新的“工業機器人視覺測量與控制”綜合實踐課程的教學模式，從明確教學目標、優化課程教學內容、規范課程設計管理過程和建立多元化的評價方法等方面研究“工業機器人視覺測量與控制”綜合實踐教學的新模式，通過制定明確的目標任務、創設合適的教學情境，使學生帶著真實的任務在探索中學習。在老師的指導下，學生以小組為單位，緊緊圍繞分配的課題任務，在強烈的問題動機的驅動下，充分利用互聯網、圖書館等學習資源的主動收集、整理和歸納相關知識，自主探索和互助式學習，最大限度激發學生學習的主觀能動性和學習潛能，培養學生分析問題、解決問題以及分工協作的創新思維，以培養符合國家和社會需要的復合應用型創新性人才。

2 基于“項目驅動法”的“工業機器視覺測量與控制”教學模式

本文運用“項目驅動法”開展“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學。如圖1是綜合實踐教學模式改革的主要內容。

2.1 制定明確的教學目標

制定明確的教學目標是搞好“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學的首要任務。通過該課程，進一步鞏固計算機視覺測量和檢測技術的基本原理和方法，培養學生運用計算機視覺測量和檢測的理論方法解決實際生產中的測量與檢測任務的能力，以滿足現代制造業的高速、精密、復雜的應用需求。本課程以項目驅動的模式，通過講練結合，要求學生掌握視覺檢測系統及其實驗環境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon、計算機視覺庫OpenCV和C#編程軟件設計和實現視覺檢測系統的方法。通過實際工程中具體的視覺測量和檢測案例的學習與實踐，使學生初步具備解決實際工程中視覺檢測軟件的設計能力和創新能力。

2.2 組織豐富的教學內容

在開展實踐教學過程中，主要從如下三個方面組織教學內容：

（1）開展案例教學演練。掌握HALCON 12圖像采集助手獲取相機實時圖像，并將插入采集實時圖像的HALCON代碼導出為C#代碼，設計圖像采集窗口，編程實現采集/停止功能，并對圖像采集程序進行調試運行。通過案例講解，從軟件工程的角度給學生詳細講解實現一個工件二維尺寸測量的詳細過程，包括需求分析、概要設計、詳細設計、具體實施和測試等環節，是學生掌握視覺檢測系統及其實驗環境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon和C#編程軟件設計和實現視覺檢測系統的方法，并掌握課程設計報告的撰寫規范。

（2）拓展現代工程工具的運用。本課程以項目驅動的模式，通過講練結合，要求學生掌握視覺檢測系統及其實驗環境的搭建方法，掌握綜合利用機器視覺軟件Halcon、計算機視覺庫OpenCV、C#編程軟件設計和實現視覺檢測系統的方法。通過在課程教學中引入上述現代工程工具的運用，能有效開拓學生知識面，提高實踐動手能力和工程能力。

（3）開展綜合實踐訓練。在指導教師的指導下，各個學生分組獨立完成課題分析、設計、代碼編寫和調試，獨立撰寫課程設計報告。通過調研、查找資料、總體方案設計、詳細設計、具體方案實現、整理報告、提交作品和項目分組答辯等實踐環節，培養學生提出問題、分析問題與解決問題的實踐能力，提升本專業應用技術型和創新性人才的培養能力。如表1是本課程制定的綜合實踐訓練選題內容。

2.3 制定規范的教學規程

要制定規范的教學管理規程，從學時安排、師資配置和人員組織上精心策劃，建立完善的監督與修正機制，保證實踐教學的順利實施，確保課程設計的實踐效果。

在教學計劃中，筆者所在的控制工程系組織相關教師精心編寫了“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學大綱，對教學目標、教學要求、教學內容、案例講解、教學組織與實施、教學過程日志、綜合實踐報告和考核方法與成績評定等方面的內容進行了明確的規定。為保證教學效果，“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐安排了56個學時，并安排專門“視覺自動檢測技術”、“機器人視覺測量與控制”課程的兩名專任教師擔當實踐教學的指導教師，有利于根據學生的實踐能力開展個性化的教學。在綜合實踐訓練階段，采用課題組形式，以3～4個學生為一組，每組推薦組長1名，負責組織和協調組內成員在課題設計過程中遇到的問題。在整個實踐教學中，每個學生要按要求如實記載實踐教學中的教學內容、進展情況、遇到的問題和解決途徑，由指導教師和其他課題組長交叉檢查學生實踐過程的記載情況，并作為成績評定的依據。最后，每個課題組要按規范合作撰寫完整的課題報告，內容包括需求分析、概要設計、詳細設計、調試分析，并按統一格式列出主要參考文獻。

2.4 建立多元化的考核評價機制

為全面客觀地評價學生在綜合實踐過程中的表現，考核時遵循“四個結合”原則，即：課內和課外實踐環節相結合、個人能力和團隊協作能力相結合、課程設計報告和答辯成績相結合、自評和互評成績相結合，從學生對必知必會知識的掌握情況、理論知識運用于實踐的能力、工程設計與實現能力和團隊溝通與協作能力等多個方面進行全面考核。同時，對課程設計報告和答辯成績，采用具體可操作的指標量化形式評價。如表2是課程設計報告的評分維度和評分標準。

3基于“項目驅動法”的“工業機器視覺測量與控制”教學方法的具體實施

在具體教學過程中，分四個階段開展“工業機器視覺測量與控制”教學。圖2是基于“項目驅動法”的綜合實踐實施過程。

（1）知識鞏固階段。本階段以“工業機器人視覺測量與控制”方向中學生應知必會的知識點開始，根據學生的現有基礎和實施課程設計必需的工具出發，設計3～4個專題實訓內容，以學生練習為主，老師輔導答疑為輔，精心組織實訓內容，培養學生自主學習的能力。

（2）項目設計階段。本階段指導教師以一個典型的工業機器視覺為案例，利用工程設計的思想，從需求分析入手，給學生講解和演示設計一個完整的視覺系統的全部過程，通過項目實施過程中每個要點的講授，循序漸進地提高學生運用已有知識和學習新知識分析問題和解決問題的能力。（下轉第162頁）（上接第140頁）

（3）實踐階段。本階段采用自由組合方式，以3～4個學生為一組組成項目開發小組。在指導教師的指導下，從綜合設計任務書中選擇一個課題開展工程實踐。由組長負責本組任務的分配和內部協調工作，定期匯報項目的進展情況，及時與指導教師溝通遇到的技術難題。在項目實踐過程中，每個學生必須認真詳細記載實踐記錄，真實反映實踐全過程。項目組長負責組織本組項目的實施，組織小組成員撰寫課程設計報告，并參與最終的成績評定。通過模擬真實的項目開發環境與開發過程，讓學生充當項目中的不同角色，培養學生獨立工作能力、溝通與協作能力，提升本專業應用技術型和創新性人才的培養能力。

（4）項目考核階段。本階段遵循“四結合”原則，將過程和結果都要納入評價學生實踐成績的范疇。不僅要學生對必知必會知識的掌握情況進行評價，而且要重點考核學生將理論知識運用于實踐的能力，特別是系統的開發設計能力、解決實際問題的能力和溝通協作能力，并采用指標量化的形式評價課程設計報告和答辯成績。

4 結語

本文從高等學校應用型高級專門人才培養的內在要求出發，從教學目標、教學內容、教學規程和考核評價四個方面具體闡述了運用“項目驅動法”開展“工業機器視覺測量與控制”綜合實踐教學模式。該模式有利于充分激發學生的學習主觀能動性和學習潛能，進一步鞏固和加深學生對理論知識的理解，培養學生工程實踐的綜合能力，符合新期間社會對應用型高級專門人才培養的內在要求。

參考文獻

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[2] 黃輝.基于“項目驅動法”的“數據庫課程設計”教學[J].湖北工程學院學報，2016.36（3）：124-128.

[3] 廖廣軍，高軍禮，陳瑋，等.結合項目驅動法的三層次實驗教學改革研究——以“公安數字影像處理與分析”為例[J].廣州市公安管理干部學院學報，2018（1）.

[4] 張宏偉，牛軍.CAD課程項目驅動法教學改革的探討[J].教育教學論壇，2018（5）：108-109.

[5] 張秀珍，談紅，吳鳳媛，等.基于項目驅動的物流專業“統計學”教學改革研究[J].江蘇科技信息，2018（2）：62-64.

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[7] 黨小爭.以工作過程為導向的項目驅動法在MySQL數據庫課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2014（18）：82-83.

[8] 韓永華，劉成霞，汪泓.基于項目驅動的交互式管理界面的翻轉課堂實施方式[J].教育教學論壇，2018（23）：4-5.