基于本科生导师制的图像处理与机器视觉综合设计改革与实践

摘要：针对工业4.0时代急切需要培养智能科学与技术专业创新型人才的现状，介绍图像处理与机器视觉综合设计中采用的本科生导师制措施，并以武汉工程大学计算机科学与工程学院智能科学与技术专业为例，阐述地方高校培养智能科学与技术创新型人才的实践教学方法。

关键词：本科生导师制；图像处理与机器视觉；综合设计；创新性人才培养

0引言

人类已经历了3次工业革命，即蒸汽技术时代、电气技术时代、信息技术时代。基于互联网智能化技术的工业4.0时代正在到来。发达国家诸多行动表明工业转型将迎来大突破、大提速，世界各国都在抢占制造业强国的高地。现代科技的发展对高等教育提出了新的要求，而当前人才培养方式和方法远远落后于时代的需求，急需探索适用于新时代创新型人才培养的实践教学方法。

1本科生导师制的意义与宗旨

本科生导师制是在教师和学生双向选择的前提下，由具有较高学术水平的专职专任教师担任本科生的学业导师，对本科生的学习态度、专业方向、学术兴趣、职业规划等方面进行全过程指导的一种育人模式，是构建“全员育人、全过程育人、全方位育人”长效机制，深入推进教育教学改革和服务学生全面发展的一项重要措施。

2本科生导师制的具体工作职责

导师工作的重点是通过指导使本科生明确学习目的和成才目标，帮助学生了解专业方向，因材施教，充分利用各种有效场合开展个性化教育，从学生全面发展的角度对学生施行全过程的个性化教导，从而提高学校人才培养的质量，其主要工作职责有以下几个方面。

（1）学业先导。根据学生的学习能力、兴趣、爱好，指导学生掌握学习方法，适应大学学习要求，制订符合学生实际情况的学习计划，并对专业课程、专业学习进度安排、发展方向选择等进行指导，引导学生明确目标、端正学习态度、确立成才目标，培养学生研究性学习的能力。

（2）专业引导。指导学生了解本专业的基本情况、发展动态、社会需求、前沿信息、发展趋势和就业前景，了解本专业的人才培养模式和学业要求，为学生推荐专业学习课外辅导书籍，激发学生的专业认同感和学习兴趣。

（3）学术指导。指导学生开展课外读书活动、科学研究和实践活动，有意识地培养学生的文献和信息检索能力、社会实践能力和科研创新能力，提升学生的科研素养；支持学生进入导师实验室，培养学生的创新实验能力；鼓励学生参与导师的科研课题研究，指导学生撰写读书报告、写作论文；鼓励学生参与各类竞赛活动，并为有志继续深造的学生提供方向指导。

（4）职业辅导。以良好的师德师风和职业素养影响学生，引导学生树立正确的人生观、价值观；加强对学生的创业辅导，积极培养学生的创业精神和创新思维。

3图像处理与机器视觉综合设计改革

3.1图像处理与机器视觉综合设计的教学现状

图像处理与机器视觉综合设计是智能科学与技术专业较为重要的一门实践课程，该课程于大学三年级开设。在开始该综合设计前，学生已经学习了概率论与数理统计、数字图像处理、机器视觉、智能计算等课程。从专业培养方案设置的角度来说，本科生在进行该实践课程时应已掌握了较完备的图像处理知识，可以在相关工具及开发软件的帮助下完成一些较为常见的图像处理开发工作。但经多年的教学实践发现，该课程还存在以下问题。

（1）教学与实践脱节。现行的课程教学更重视知识的传授，偏重理论讲授，对相应的实践教学较为轻视。同时，由于各门课程独立开设，多数任课教师信息沟通不及时，造成基础类知识没有讲授到位或过度重复讲授某个基础知识等问题。

（2）开发环境配置问题。现行的课程教学基本没有涉及开发环境配置，等综合设计开设时再进行讲解及训练，较耽误时间，导致图像处理与机器视觉综合设计课程效率不高，课程大多数时间花费在开发环境配置及调试上面，没有达到预期算法训练的目标。

（3）本科生自信心不足。图像处理与机器视觉综合设计虽然开设在大学第三年，但是大多数本科生对自我能力存在信心不足的问题，认为自身无法独立承担综合设计要求的图像处理开发工作。这种心态会严重影响综合设计的实际效果，让多数本科生产生畏难情绪。

3.2图像处理与机器视觉综合设计改革具体措施

首先，确立图像处理与机器视觉综合设计三目标：态度目标、方法目标、能力目标。

其次，确立图像处理与机器视觉综合设计三原则。

（1）开放性原则，包括实验教学内容的开放性、学习方式的开放性、实验教学评价的开放性。

（2）主体性原则，重视学生的主体参与，学生通过自身的研究活动，不断选择、整合、构建有价值的知识结构，并在体验学习的过程中获得发展。

（3）实践性原则，学生通过“发现问题一解决问题一总结问题”等研究性学习方法，实现对知识的吸收、运用和建构，逐步学会在探索中发现问题、提出问题、研究问题和解决问题。

此外，还需要确立图像处理与机器视觉综合设计三阶段。

第一阶段：实验课题准备阶段。指导教师（包括本科生学业导师）与学生共同提出值得研究的课题方向；学生自主选择研究课题；每个班级确定同一研究课题（如典型的车牌识别问题），可以全班学生分成若干个课题研究小组；让学生自行设计难易不同的研究方案（如典型的车牌识别问题可以选择基于模板匹配算法或旋转基于人工神经网络算法等）；产生合理的课题实施方案，确定开发环境，如Visual Studio、Matlab或基于OpenCV第三方开发环境等。

第二阶段：实验课题实施阶段。每个课题研究小组至少确认一位本科生学业导师，以协助学生制订课题为目标，经历国内外文献/技术资料收集、实现算法思想提炼、程序流程框图设计、程序代码编写等过程。在互动中将前期开设的课程内容转换为可实际操作的内容，让学生在实际编程过程中完成算法思想的学习，并建立学术兴趣，逐步优化所提出的实验方案，获得最佳实验效果。

第三阶段：实验课题总结阶段。以班级为单位进行课题交流小结；教研室对该实验课程的研究性学习开展情况进行总结与评价。

4图像处理与机器视觉综合设计实践

图像处理与机器视觉综合设计改革从2015年起开始，共有两届学生参与（2012级、2013级智能科学与技术专业），合计达100余本科生。参与图像处理与机器视觉综合设计实践的教师有7位，均拥有博士学位，均为副教授。近三年的图像处理与机器视觉综合设计课程考评分数数据见表1。从表1可以清晰看出各个分数段区间人数的分布情况。2011级智能科学与技术专业91～100分区间，人数比例为4.2%，中位数主要落在71-80分区间；2012级智能科学与技术专业91～100分区间，人数比例为16%，中位数主要落在81-90分区间；而2013级智能科学与技术专业91-100分区间，人数比例为15.4%，中位数主要落在81～90分区间。纵向对比来看（限于篇幅仅与201 1级智能科学与技术专业学生学习情况对比），改革后，学生的积极性明显提高，高分区间人数明显增多，最终考评成绩中位数也明显上升。这表明，图像处理与机器视觉综合设计改革取得初步成效。

参与实践的百余名本科生，在各位本科生导师的指导下，除综合设计课程分数大幅提高外，在课外还延续着实践课程上的兴趣，继续接受本科生导师的指导。这两届学生在2015、2016两年内，共有多名学生主动参与课外学术活动，获得了一系列成果：有3位本科生参加“挑战杯”竞赛，并荣获第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛决赛二等奖1项；有两位本科生参加2016年全国“蓝桥杯”决赛，获得C++个人程序设计大赛三等奖2项；近两年，本专业本科毕业论文荣获湖北省优秀学士学位论文3篇；有1位本科生2016年在《武汉工程大学学报》公开发表学术论文1篇；有3位本科生于2016年申请软件著作权3项等。这表明本科生导师制对于提升学生课外学习积极性有正面效果，可以较大幅度提升学生的编程能力，提高学生学术兴趣。

5结语

本科生导师制不仅是一种教学形式的变化，更是教学内容和目标的变革，是一种“学习的革命”。基于本科生导师制的图像处理与机器视觉综合设计改革的目的在于，改变传统教学实践中，本科生单纯接受教师传授知识为主的维持性学习方式，为学生构建开放的学习环境，提供多种渠道获取知识，并将学到的知识加以综合运用于实践，重在培养学生的创新精神和编程能力，从而实现对传统教学的教师中心、课堂中心、书本中心的超越。本科生导师制提供的多样性外部刺激大大有利于学生对知识的获取、保持与建构，从而有助于激发学生的探究意识，提高学生的信息重构能力。