机器人视觉技术课程改革与探索

李海波　奚峥皓

摘 要 随着人工智能技术的发展，机器人视觉技术作为人工智能技术中的一个重要内容，其课程教学的及时更新，对于巩固和提升学生的综合能力起着重要的作用。本文结合目前机器视觉技术课程存在的问题，从课程的教学方案、教学内容、教学方法等方面做了初步的改革探索研究，以期能够为教学质量的提升提供一些新的思路，使培养的学生能够更好地满足社会的需求，同时能够提升学生的创造能力与工程实践能力。

关键词 机器人视觉技术 教学改革 改进策略

中图分类号：G642                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.02.022

Reform and Exploration of Robot Vision Technology Course

LI Haibo， XI Zhenghao

（College of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract With the development of artificial intelligence technology， robot vision technology is an important content of artificial intelligence technology. The timely update of its course teaching plays an important role in consolidating and improving the comprehensive ability of students. This article combines the existing problems of the current machine vision technology courses， and makes preliminary reform and exploration research on the teaching plan， teaching content and teaching methods of the course， hoping to provide some new ideas for the improvement of teaching quality， so that the trained students can better meet the needs of society， and at the same time can improve students' creative ability and engineering practice ability.

Keywords robot vision technology， teaching reform， improvement strategy

0 引言

隨着人工智能产业的迅猛发展，机器人视觉技术作为人工智能技术的一个重要内容也必将得到更广泛的应用。目前，机器人视觉技术已经在很多领域得到了应用，比如基于机器人视觉技术的智能定位系统[1]、柔性分拣及抓取[2]、检测及避障[3]、跟踪及测量[4]、环境感知等应用。因此，机器人视觉技术也成为自动化、计算机及相关专业学生的一门重要专业课。机器人视觉技术课程是一门与实际结合较紧密的课程[5]，但在平时教学中主要是阐述基本理论算法，实验仿真及模拟较少，使得学生往往难于掌握较抽象的相关理论。专业课主要是培养和提高学生专业知识与专业技能的课程，这就要求学生既要掌握基本专业理论与专业知识，了解本专业发展的前沿技术与趋势，又要具有在本专业范围内解决一般问题的能力。如果学生对本课程的专业知识及理论不能很好的理解，那么他们对学习的热情和学习效果就会大打折扣，严重影响学生对专业知识的掌握程度及解决实际专业问题的能力。

目前，虽然部分课程在讲授过程中意识到了存在的问题，做了相关的实验课安排，但仍然存在一定的问题。首先，课程内容主要集中在较早的图像处理实验，内容简单，与目前的实际应用需求匹配度不高。其次，虽然实验室配备了计算机等硬件设备，但对于软件及相关应用系统框架的更新往往执行不到位，由于机器人视觉技术发展速度较快，需要做及时的软件及系统框架更新才能跟上实际应用需求，达到培养学生具备社会发展需要的专业技能要求。本文结合以往教学经验对这门课程的建设做了探索性的研究。

1 教学方案与教学内容的改革

1.1 教学方案的改革

在人工智能技术迅猛发展的背景下，机器人视觉技术作为一门理论性与实践性较强的课程，对于学生毕业后的求职就业具有重要的影响，也是检测工程教育效果的一门重要课程。为了避免课程教学与社会实际需求脱节，教学内容的设置拟跟踪社会上各科技公司的技术研发案例，采用理论知识加实际案例的形式进行教学。通过对实际案例算法程序的调试运行，使学生更深一步地理解相关的理论知识。理论知识是机器人视觉技术课程的基础环节，相关的理论不仅仅局限于应用到一种或一类算法案例中，而是在整个机器人视觉识别系统中都会得到广泛的应用。理论知识是视觉识别算法的支撑，通过实际案例复现理论知识的应用效果，可以调动学生的学习热情与参与实际应用案例的积极性。

1.2 教学内容的改革

传统的机器人视觉技术教学缺乏实际案例应用环节，以理论知识为主的教学加以简单少量的程序验证，学生学习热情不高，感觉枯燥，很难得到较好的教学效果。因此，在后续的教学中，拟紧密结合人工智能技术的发展趋势，追踪机器人视觉技术与其他技术的交叉融合状况，参与社会对相关技术的研发应用，使学生了解到相关技术的发展水平。通过增加实际应用案例的教学，一方面可以帮助学生实现对相关理论算法的验证，另一方面可以加深学生对相关理论基础知识的理解与掌握。

对于课程教学内容的安排设计，首先需要理解和分析机器人视觉工作的原理，立足于理论基础知识通过案例体现其应用效果，主要从两个方面组织教学内容。一方面是有针对性的重点介绍在机器人视觉技术中需要用到的理论基础知识，节省学生的学习精力，重点集中到视觉算法的基本概念、设计思路，彻底理解相关算法的工作原理。由浅入深地介绍相关模型的建模、分析与应用过程，实现理论知识与现实案例的过渡与连接。另一方面，在课堂教学过程中，应特别注意将目前人脸识别等相关较成熟技术作为部分教学内容在课堂教授，让学生更容易直观地感受到技术发展的力量，激发起他们学习的兴趣。在教学过程中，需要注重理论知识与实际案例的关联，这样有利于培养学生的思维能力与创造能力。在课时分配方面，应注重理论知识与案例介绍的课时平衡，留有充足的课时让学生熟悉相关案例的设计与建模方法，更好的理解所学的知识。

2 教学方法的实施与优化

2.1 丰富立体的教学内容

教学内容体现了课程的核心价值，也推进了教学内容的改革。随着各个学科与机器人视觉技术的交叉，应密切关注机器人视觉技术的发展趋势，为学生打开学习的视野。将学习的方法、基础理论知识作为课程教学的起点，通过引入社会科学技术发展的前沿案例，建立以机器视觉理论为主线，前沿案例为辅的机器人视觉技术课程体系。以对最新成功应用案例分析的方式深化学生对机器视觉理论的理解，根据实际教学效果反馈，不断对教学内容进行调整，达到更好的教学效果。考虑到教材知识的更新总是要滞后一些，为了避免教学知识与知识的发展产生脱节问题，教师可以将自己的科研与教学内容结合，作为补充，将科研中的新成果向同学们进行介绍，给同学们展示科研的目的和意义。此外，教学内容不仅局限于相关理论知识及相关前沿案例，还要考虑到该课程对学生全面能力的培养，还要引入思政元素，向同学们介绍奋战在机器人视觉技术一线的杰出工作者，介绍他们严谨的科学思维态度、勤奋刻苦的工作精神，培养学生科学思考方式及刻苦学习的精神。

2.2 良好的教学策略

以调动学生的学习热情为出发点，根据现实案例引导学生进行思考，可以形成部分内容 “翻转课堂”的教学模式，让学生在实践中发现问题，通过讨论交流意识到理论知识的意义，从而能对工程实践进行更好地理解。这种教学方式，不但可以提高学生自我成长的实践能力，还能提高学生的创新能力。教学过程中侧重于学生的思考能力与动手能力培养，培养学生分析问题、解决问题的能力。课堂教学提倡师生互动，打破沉默式教学，设置讨论知识点，让学生积极参与到课堂讨论中来，训练学生的思考与表达能力。如果學生对知识点理解出现偏差，教师可以对其进行纠正，使教学目标与学生的表现趋向于一致。课堂教学过程中设置少量习题，增加学生对相关知识点的理解程度，同时可以获得学生的学习效果反馈。为了使学生更深入地理解所学知识，补充项目牵引的教学方式，项目驱动教学有利于提高学生的创新能力。[6]以实际工程项目为背景，结合案例需求，加深学生对相关知识的掌握，使学生有学以致用的直观感受。

2.3 多维空间教学平台

课程教学从多维度开展，使学生加深对机器人视觉理论的理解，调动学生的学习热情，培养学生的创造能力。选用国外经典教材，根据教材内容制作图文并茂的教学课件，直观形象的介绍相关理论基础知识，致力于从提高学生的兴趣出发，使学生更好地完成对相关知识的掌握吸收。对于课程中部分迭代理论知识，采用板书推导的方式使学生充分理解蕴含在其中的逻辑规则。采用多媒体课件与板书互动的教学方式，集中学生的注意力，获取最佳的教学效果。同时，利用学习通等网络教学平台，建立内容丰富的微课资源包，提供相关教学案例的示例代码，供学生在课后有针对性地进行补充学习。此外，开放学院的实验室，结合课堂教学，让学生在实践中对所学知识进行更好的领悟。实验教学有利于培养高素质工程技术人才，是理论联系实际的重要教学手段。鼓励学生在课余时间去实验室动手实践，增强学生的工程实践能力。

3 小结

随着人工智能技术的快速发展，机器人视觉技术的应用越来越广泛，因此机器人视觉技术教学对于培养学生的工程实践能力具有重要的作用。对机器人视觉技术教学的改革，不仅可以改善传统教学使学生感到枯燥乏味的弊端，而且还可以通过实际案例弥补与社会需求脱节的缺点，提高教学质量，拓宽学生的视野。本文对机器人视觉技术的教学改革做了初步探讨，分别从教学方案与教学内容的改革、教学方法的实施与优化等方面分析了教学改革的重要作用，致力于通过实际案例与理论知识结合的应用教学，培养学生的工程实践能力与创新能力，为培养高素质工程人才打下坚实的基础。

参考文献

[1] 张涛，张伟亮，张芳.基于视觉定位技术的全自动挂件项目的研究与应用[J].锻造与冲压，2019（22）：36-38.

[2] 刘涵茜.基于机器视觉的工业机器人分拣技术探究[J].现代信息科技，2019，3（18）：143-145.

[3] 岳俊峰，李秀梅.基于机器视觉的智能小车自动循迹及避障系统[J].杭州师范大学学报（自然科学版），2020，19（02）：200-207.

[4] 曹继项，张军，陈国栋.基于机器视觉的直角机器人直线度检测方法研究[J].机床与液压，2018，46（22）：108-111.

[5] 赵岚.新工科背景下机器人视觉课程教学的实践与探索[J].科技创新导报，2019，6（23）：193-194.

[6] 张凯兵，景军锋，郭亚青，等.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[J].科教导刊（下旬），2019（01）：138-140.