科研竞赛融入实验教学内容提升控制类大学生创新能力

摘要：本文论述将科研项目《基于 Kinect深度信息的无标记手势分割和3D定位》和“西门子”中国智能制造挑战赛融入实验教学内容，提升控制类大学生创新能力；科研项目《基于 Kinect深度信息的无标记手势分割和3D定位》包含基于深度信息的无标记手势精确分割、手势3D定位，“西门子”中国智能制造挑战赛包含化工过程控制、电梯控制。

关键词：实验教学；创新能力；无标记手势分割；3D定位；过程控制

一、引言

当今时代，科技进步日新月异，国际竞争变得日趋激烈。而各国之间的竞争，是民族创新能力的竞争。我国作为发展中国家，要想在激烈的国际竞争中占据有利位置，就必须走科教兴国的道路。高等教育是培养人才的摇篮，是经济发展的强大后盾，中华民族能否在二十一世纪取得更大的发展，关键在于我国的高等学校能否培育和造就出适应时展的大批创新人才。因此，高等学校必须加快教学改革，大力开展创新教育，着重培养大学生的创新性思维和创新能力，将教学目标由培养“知识型”人才转向培养“创新型”人才。

二、改革实验教学内容

传统的实验教学大多是验证型实验，只是让学生验证已有的正确性和科学性，这种被动的方式不利于他们创造力的培养。为了改变这种情况，我们按照控制类实验教学大纲的要求，在现有的教学计划中，加大实验教学、实践教学、综合性课程设计、生产实习和社会实践方面比重，同时设计比较灵活的教学计划，使学生对实验有深入研究的时间和能力，为培养学生的实验能力、创新意识和创新能力提供一个宽松的环境。并将对技术基础课和专业课的课程教学体系及内容进行改革，鼓励教师把相关领域最新最前沿的科研成果转化为实验教学内容，形成具有学科特点的科学、完整、系统的实验教学课程体系。同时，支持学生参加控制专业各类竞赛，竞赛内容充实到创新实验中。实验内容分为基础型、综合型、设计型，突破传统模式，不断更新教育教学理念，研究具有设计性、系统性、综合性实验教学模块，探索新的实验教学方式方法。在相关课程的基本实验中，规定学生必做的实验，或综合相关课程的内容，进行设计型实验，由“验证型”实验向“综合型”、“设计型”实验逐步推进，提高学生独立思考、分析、判断和处理实际技术的能力。启发学生的创新意识，为学生独立开展综合性、创新性、设计性实验打下良好基础。在综合性、设计性实验阶段，学生自由组成实验小组，选择老师指定的实验题目或自行设立感兴趣的题目。在老师的指导下，论证可行性，设计实验方案和步骤，观测实验和记录实验现象，分析实验结果，得出科学的结论，并撰写相关科技论文。这个过程可以让学生亲身感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的实践能力，进一步提高学生的科学素质。

三、科研竞赛融入实验教学内容

为了培养创新能力改革实验教学内容，将科研竞赛融入实验教学内容，我们把控制类专业相关领域最新最前沿的科研项目《基于Kinect深度信息的无标记手势分割和3D定位》内容和成果融入实验教学内容，形成创新实验，提升学生创新能力。支持学生参加控制专业各类竞赛，同时将竞赛内容融入创新实验，提升学生创新能力。

1、科研融入实验教学内容

《基于 Kinect深度信息的无标记手势分割和3D定位》科研项目，主要内容：基于Kinect深度信息提出一种精确稳定的无标记手势分割和3D定位方法，基于深度阈值方法在实验空间中检测出手部二值图像，根据一般手势行为特性提出基于目标手势端点检测和动态阈值算法无标记地分割出精确手势，为避免不精确的分割结果对分割手势基本形态阈值限定.选取精确目标手势的重心坐标和纵向平均深度灰度值对手势3D定位，实验表明该手势分割方法比已有无标记方法更精确稳定3D定位Kinect SDK的骨骼点手势定位稳定可靠无奇异点。

机器视觉的手势交互是智能人机交互（human computer interaction）HCI的关键技术之一，旨在提供更方便快捷的人机视觉接口。在手势识别中，须解决手势分割和定位、手势特征提取和分析三个问题，基于肤色模型的分割方法使用普遍。然而，肤色的差异性、对光照环境变化的敏感以及当背景中存在与肤色颜色相近颜色时给这类方法带来很大困难。近年来，随着低成本深度摄像头Kinect的出现，可以方便地通过深度阈值分割初步获取手部区域。受到Kinect 深度数据分辨率的限制和手腕部分对手势的干扰。本科研项目基于深度信息和动态阈值方法无标记地分割和定位出精确手势，鲁棒性好计算复杂度低，并结合手势重心点与纵向平均灰度值稳定的定位出手势3D位置。

通过基于Kinect深度信息的无标记手势分割融入创新实验，学生能够熟练应用低成本深度摄像头Kinect和相关软件完成图像处理，在完成基于深度阈值的手势检测和基于动态阈值手势精确分割创新实验后，学生创新能力和知识有很大提高，能够应用中值滤波算法去噪处理和概率统计样本分析方法处理实际问题，增强创新能力。

手势3D定位是对手势某一固定点坐标的实时反应，对动态手势跟踪和识别极其重要。引入手势3D定位创新实验对于培养学生空间想象能力，权重定位算法很重要，能够提升学生创新能力。

2、竞赛融入实验教学内容

“西门子”中国智能制造挑战赛包含化工过程控制、电梯控制。

化工过程控制：化工反应过程极为复杂多变，特别是临界点压力、温度、液位变化很快，难于准确控制，学生在完成“西门子”中国智能制造挑战赛化工过程控制中，面对如此复杂多变的控制对象，必须要思考创新的控制算法，才能完成竞赛，创新能力得到提升。

电梯控制：学生除了完成单台和多台电机的电气控制：顺序控制、自锁控制、联锁控制、延时控制外，关键是多台电梯群控算法的研究，这将开发学生的聪明才智，提升创新能力。

通过创新性研究项目的实践锻炼和参加控制专业的大量竞赛，学生能够把握科技前沿、社会需求，建立先进的科学思想，探索、思考新的科学问题，同时其研究成果也为科研发展或者社会科技服务做出了贡献。

综上所述，通过科研竞赛融入实验教学内容，能够提升学生创新能力。

参考文献：

[1] 李强，田国栋.基于DS18B20d的室内智能温度控制系统设计[J].电子设计工程，2012，20（3）：34-36.

[2]《过程控制系统》，编（译）著：黄德先、王京春、金以慧。，出版社：清华大学出版社。

[3]自动控制原理，作者：吴麒，出版社：清华大学出版社。

[4]计算机控制技术――高等学校教材，作者：姜学军，出版社：清华大学出版社。

[5]深入浅出《西门子S7-300PLC》 西门子（中国）有限公司

[6]《中药萃取控制系统设计和仿真》讲义 重庆邮电大学出版

[7]曹昕燕赵继印李敏，基于肤色和运动检测技术的单目视觉手势分割J，湖南大学学报自然科学版201138178-83