郭斯羽　王華　汪沨　孟志強(qiáng)　溫和

摘 要：根據(jù)工程教育認(rèn)證課程需對學(xué)生能力達(dá)成情況進(jìn)行考查的要求，分析數(shù)字圖像處理相關(guān)課程的書面考試試卷命題面臨的挑戰(zhàn)，確立以設(shè)計(jì)題等應(yīng)用題型占據(jù)絕對主導(dǎo)地位的命題思路，總結(jié)命題的經(jīng)驗(yàn)與不足。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；視覺檢測；工程教育認(rèn)證；試卷命題

0 引 言

數(shù)字圖像處理課程是目前電子信息類專業(yè)和計(jì)算機(jī)類專業(yè)中廣泛開設(shè)的一門課程，也是對達(dá)成相關(guān)專業(yè)畢業(yè)要求具有重要支撐作用的課程，課程考核結(jié)果常常應(yīng)用于畢業(yè)要求達(dá)成度的評價(jià)。當(dāng)前對數(shù)字圖像處理及相關(guān)課程的教學(xué)改革研究主要集中在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，通常都是依據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)在課程教學(xué)中引入更多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1-3]、采用項(xiàng)目式教學(xué)或研討式教學(xué)[4-8]、加強(qiáng)課堂演示環(huán)節(jié)[9]等，課程考核環(huán)節(jié)主要關(guān)注降低書面考試的成績比重，提高實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、研究報(bào)告等實(shí)踐環(huán)節(jié)的成績比重[10-11]，也有研究者采用上機(jī)編程考試的方式代替書面考試[12]。利用上機(jī)編程進(jìn)行課程考核是一種較為理想的考核方式，但是常常受到場地、設(shè)備和學(xué)校具體教學(xué)管理要求的約束；而采用書面考試，考試內(nèi)容則往往著重于對知識性和理論性內(nèi)容的考查。

根據(jù)工程教育認(rèn)證的要求，課程教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的能力，體現(xiàn)在學(xué)生能夠用所學(xué)的知識做什么，而不是僅僅知道這些知識本身。相較于課外完成報(bào)告、設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，書面考試通常因?yàn)槠溥^程具有可控性而顯得更加權(quán)威和可信，因此，如果完全放棄利用書面考試這一方式對學(xué)生能力達(dá)成情況進(jìn)行考查，考查結(jié)果的可信度就會(huì)明顯降低。為此，我們針對數(shù)字圖像處理應(yīng)用能力的書面考查方法展開研究，分析其面臨的挑戰(zhàn)，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整和改進(jìn)命題思路，以使考試的命題能更加符合工程教育認(rèn)證的要求和需要，從而在課程教學(xué)中進(jìn)一步落實(shí)工程教育認(rèn)證所希望達(dá)成的能力培養(yǎng)目標(biāo)。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用能力考核面臨的挑戰(zhàn)

從工程教育認(rèn)證的理念出發(fā)，畢業(yè)要求應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生對相關(guān)能力的掌握水平，考核環(huán)節(jié)也應(yīng)對學(xué)生相關(guān)能力的達(dá)成情況進(jìn)行考查，應(yīng)顯著減少知識性內(nèi)容在考查中所占的比重。但是數(shù)字圖像處理課程自身的特點(diǎn)，對考核環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)字圖像處理課程介紹了一系列常用的處理工具，如直方圖均衡化、濾波、分割算法等，實(shí)際問題的解決需要學(xué)生能對這些工具進(jìn)行適當(dāng)選擇和組合。對于大量實(shí)際應(yīng)用問題，雖然有一個(gè)基于圖像和視覺的一般性檢測方法框架，但是不可能為所有問題提供具體的解決方案。因此，通過選擇和組合常用的處理工具來形成一個(gè)具有一定實(shí)用性的設(shè)計(jì)，這對學(xué)生的能力提出了更高要求。

（2）解決實(shí)際問題常需要掌握超出課程范圍的技術(shù)，如對亞像素的測量，需要使用最小二乘或其改進(jìn)方法；對分類識別性的檢測應(yīng)用，需要使用模式識別課程中的相關(guān)方法。若學(xué)生并未學(xué)習(xí)相關(guān)課程或?qū)ο嚓P(guān)技術(shù)掌握得不夠扎實(shí)，在面對實(shí)際案例時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)不知如何著手解決的情況。

（3）數(shù)字圖像處理的許多方法難以通過書面考試進(jìn)行考核。因?yàn)榫蛦渭冇?jì)算而言，其原理和計(jì)算方法都較為簡單，如線性空間濾波從計(jì)算來看就是卷積，但是要想體現(xiàn)該方法的實(shí)際效果，則需要在足夠大的平面上以圖像方式呈現(xiàn)。書面考試往往無法通過圖像的方式來表示計(jì)算結(jié)果，而且也沒有必要讓學(xué)生在一個(gè)很小的圖像上進(jìn)行該類計(jì)算。

（4）從應(yīng)用角度出發(fā)，數(shù)字圖像處理課程更適用于強(qiáng)調(diào)學(xué)生領(lǐng)會(huì)各種處理方法的效果，以便選擇合適的技術(shù)來解決實(shí)際問題。因此，通過編程來完成實(shí)際的處理任務(wù)是很多教師在教學(xué)中經(jīng)常強(qiáng)調(diào)的一種教學(xué)方式。如果學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過相關(guān)語言或者這方面的能力培養(yǎng)未能落實(shí)，那么學(xué)生在進(jìn)行本課程的實(shí)踐活動(dòng)時(shí)就容易出現(xiàn)畏難情緒，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳，也使得對這方面能力的考核難以充分展開。

從考核圖像處理和視覺檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)能力的角度出發(fā)，最適宜的考核方式是課程大作業(yè)或設(shè)計(jì)課題，由學(xué)生針對1個(gè)有意義的圖像處理和視覺檢測任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)并構(gòu)思出能夠在MATLAB等類似平臺(tái)上驗(yàn)證算法的思路。但是，從實(shí)際授課情況來看，這類任務(wù)對于初次接觸圖像處理和視覺檢測相關(guān)知識的大四本科生而言，仍屬于偏高偏難的要求，且很容易受到求職、考研等因素的影響。此外，學(xué)生完成課程大作業(yè)或設(shè)計(jì)過程的可控性較差，導(dǎo)致考核結(jié)果的信度和區(qū)分度較低，不應(yīng)該作為對學(xué)生能力達(dá)成情況的全部評價(jià)。因此，書面考試作為可控性最好、信度最高的考核方式，在課程考核中的使用仍然十分有必要。

2 試卷命題的指導(dǎo)原則與實(shí)際試題簡介

2.1 試卷命題的指導(dǎo)原則

（1）相較于單純針對知識性內(nèi)容的考核，試卷主要應(yīng)考查學(xué)生在設(shè)計(jì)圖像處理應(yīng)用和視覺檢測系統(tǒng)方面的能力。

（2）在考查設(shè)計(jì)能力方面，應(yīng)盡可能依托具有一定實(shí)際意義的應(yīng)用，并針對其中的部分環(huán)節(jié)或單元讓學(xué)生進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，以避免試題涉及超出本課程大綱的其他課程內(nèi)容。

（3）更多地側(cè)重于考查學(xué)生對設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)思路的理解和運(yùn)用情況，不涉及復(fù)雜計(jì)算或大量單純的計(jì)算。

（4）可以在試卷中考查那些對于原理的理解有重要意義，同時(shí)計(jì)算量和計(jì)算方法復(fù)雜程度較為適宜的知識點(diǎn)，如成像系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的計(jì)算、直方圖均衡化等。

（5）由于本課程的平時(shí)作業(yè)都是MATLAB編程題，因此，作為實(shí)現(xiàn)能力的一個(gè)方面，試卷中可以出現(xiàn)少量涉及簡單MATLAB編程的題目。

（6）試卷重點(diǎn)是考查學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力，而不是考查學(xué)生對于某個(gè)算法的具體計(jì)算過程或某個(gè)特定MATLAB函數(shù)的使用方法的記憶，因此，考試方式定為開卷考試。

2.2 實(shí)際試題簡介

根據(jù)以上指導(dǎo)性原則，試卷的命題介紹如下：

命題放棄了選擇、填空等知識性考查為主的題型，全部改用應(yīng)用題和設(shè)計(jì)題，以求將知識點(diǎn)置于實(shí)際應(yīng)用的語境中，考查學(xué)生的理解和應(yīng)用水平。設(shè)計(jì)題主要要求學(xué)生就完整的圖像處理和視覺檢測系統(tǒng)的某個(gè)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而將考核內(nèi)容約束在課程教學(xué)內(nèi)容范圍之內(nèi)；選擇部分具有實(shí)際設(shè)計(jì)意義且計(jì)算量不大的非機(jī)械性計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，更多側(cè)重于設(shè)計(jì)原理性、思路性的考核；在考試中加入較為基礎(chǔ)的MATLAB編程內(nèi)容。試卷共包含5道大題，均為應(yīng)用題或設(shè)計(jì)題，不包含任何選擇題、填空題、名詞解釋題、簡答題等題型。endprint

第1題針對顯微圖像中血細(xì)胞計(jì)數(shù)的應(yīng)用，要求學(xué)生根據(jù)題目給出的血細(xì)胞實(shí)際大小、光學(xué)成像系統(tǒng)放大倍數(shù)、傳感器尺寸和分辨率等信息，估算圖像中血細(xì)胞的大小，選擇合適的結(jié)構(gòu)元素用于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，并給出數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理的MATLAB代碼。本題主要考查學(xué)生對數(shù)字圖像獲取過程的理解程度以及對數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理的應(yīng)用能力。

第2題針對1個(gè)簡化的圖像直方圖，要求學(xué)生用直方圖均衡化計(jì)算灰度變換函數(shù)以及對比度增強(qiáng)的程度，并能根據(jù)對比度的要求調(diào)整灰度變換。本題主要考查學(xué)生對直方圖均衡化的理解和應(yīng)用能力，包含了一般性灰度變換的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

第3題針對1個(gè)小型二值圖像，要求學(xué)生給出指定的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理結(jié)果。為方便學(xué)生作答，答題紙上已繪制了圖像網(wǎng)格，學(xué)生填涂即可。此題是少數(shù)適于在書面考試中以圖像方式表示結(jié)果的題型之一，雖然偏重于知識性內(nèi)容，但是在實(shí)際應(yīng)用中具有現(xiàn)實(shí)意義。本題不僅考查學(xué)生對數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理和過程的理解程度，而且考查學(xué)生調(diào)試程序的能力。由于在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要判斷特定圖像處理步驟給出結(jié)果的正確性，并據(jù)此調(diào)試程序和發(fā)現(xiàn)問題，因此，讓學(xué)生明確給出如數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)這樣的圖像處理步驟的結(jié)果，對于今后他們調(diào)試程序有一定幫助。

第4題針對流水線上三角形平板工件的檢測問題，要求學(xué)生能給出適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理方法來改善分割結(jié)果，并能提出解決思路，用于在圖像中檢測可能已發(fā)生畸變的三角形工件區(qū)域的各頂點(diǎn)。本題主要考查學(xué)生對數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、對象特征提取方法等教學(xué)內(nèi)容的理解應(yīng)用。

第5題針對流水線上產(chǎn)品外包裝中噴碼字母的識別應(yīng)用，要求學(xué)生能適當(dāng)選擇光源、漫射板、傳送帶的顏色、材質(zhì)等內(nèi)容，構(gòu)建檢測系統(tǒng)的硬件部分，以便能通過成像過程增強(qiáng)感興趣的圖像內(nèi)容；同時(shí)，還要求學(xué)生能根據(jù)鏡頭焦距、成像范圍大小、傳感器尺寸等參數(shù)，計(jì)算成像系統(tǒng)的安裝高度等。本題主要考查學(xué)生對視覺檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)能力。

3 試卷考試的效果分析

在湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院2016-2017學(xué)年秋季學(xué)期的期末考試中使用了相關(guān)命題試卷。命題的應(yīng)用效果可以從難度、區(qū)分度、信度、對能力的考查程度4個(gè)方面體現(xiàn)。

（1）難度。此次有30人參加考試，學(xué)生成績等級分布情況見表1。學(xué)生卷面平均分為63.13分，有1/3的學(xué)生分?jǐn)?shù)不及格，并且沒有超過90分的得分。從卷面成績來看，此次命題偏難。本課程最終有3人參加補(bǔ)考，補(bǔ)考采用類似方式命題， 3人補(bǔ)考全部通過，據(jù)此可以看出，學(xué)生能否通過考核不由命題的難度決定，但與學(xué)生的重視程度有關(guān)。

（2）區(qū)分度。統(tǒng)計(jì)考試分?jǐn)?shù)得到卷面分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為20.87分，且分?jǐn)?shù)主要集中在不及格和及格兩檔，從成績分布來看，較好地達(dá)到了區(qū)分學(xué)習(xí)情況良好與學(xué)習(xí)情況不佳這兩種學(xué)生的目的。

（3）信度。盡管本次考試采用了開卷考試的方式，但由命題內(nèi)容可以看出，考試內(nèi)容無法直接在教科書或參考資料上找到答案，與以往的試題不存在重復(fù)，因此考試結(jié)果的信度較高。此外，從考試結(jié)果來看，獲得中或良的成績的學(xué)生，基本上都是到課率高、課上積極跟隨教師授課進(jìn)度并動(dòng)手進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，而在考試結(jié)果不及格的學(xué)生中，則有若干平時(shí)到課情況較差，或者雖然到課，但是課上做其他事情的學(xué)生。因此，考試成績較明確地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和能力，也表明考試結(jié)果可信。

（4）對能力的考查程度。一方面，平時(shí)課上認(rèn)真聽課并完成隨堂實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，在考試中均取得了相對突出的成績，這從側(cè)面體現(xiàn)出命題確實(shí)能對學(xué)生的掌握程度進(jìn)行考核。另一個(gè)體現(xiàn)試卷對能力進(jìn)行考核的情況，則是由參加考試的4名學(xué)生的表現(xiàn)所展示的。這4名學(xué)生均在畢業(yè)設(shè)計(jì)中接受了授課教師的指導(dǎo)，且課題均為圖像處理和視覺檢測的內(nèi)容，相較于往屆學(xué)生的表現(xiàn)，這4名學(xué)生均能更快地進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，較快地給出可行的解決思路，并開始MATLAB實(shí)現(xiàn)，其中1名學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)開始4周后，就已基本達(dá)成課題的最低目標(biāo)，這一情況實(shí)屬罕見。相應(yīng)地，這4名學(xué)生的考試成績均為中或良，他們在考試成績和畢業(yè)設(shè)計(jì)中均表現(xiàn)出較強(qiáng)能力，這之間也存在著明顯的相關(guān)性，同時(shí)也說明命題確實(shí)可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對能力進(jìn)行考查的目的。

4 命題的經(jīng)驗(yàn)與不足

4.1 經(jīng) 驗(yàn)

本次考試命題按照工程教育認(rèn)證的理念和要求，在課程改革上進(jìn)一步采取了舉措。盡管在之前的授課中，我們已經(jīng)開始有意識地顯著增加試題中設(shè)計(jì)題等考核學(xué)生應(yīng)用知識能力的題量和分值，但仍保留了選擇題、填空題等更偏重知識性的題型，此次命題在考核學(xué)生的相關(guān)能力方面有所進(jìn)步。

通過此次命題，我們總結(jié)出4點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：①在數(shù)字圖像處理課程中，通過書面考試的方式來考察學(xué)生的能力達(dá)成情況，是可行的做法。②能力考查型試題應(yīng)以應(yīng)用題、設(shè)計(jì)題等題型為主，即使是知識性的內(nèi)容也應(yīng)該盡量在一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的語境中，考查學(xué)生對知識的理解程度和與實(shí)際相結(jié)合的應(yīng)用能力。③針對數(shù)字圖像處理技術(shù)自身的特點(diǎn)，根據(jù)課程定位不同，可靈活采用不同程度的考核難度。如對于本科生選修課，可針對實(shí)際應(yīng)用問題中的部分環(huán)節(jié)或單元，考查學(xué)生的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，并將考核范圍局限在本課程教學(xué)范圍內(nèi)；對于專業(yè)核心課程，尤其是學(xué)生已經(jīng)修讀過的如數(shù)據(jù)處理、信號處理、程序設(shè)計(jì)等前導(dǎo)課程，則可以考慮在命題中讓學(xué)生完成相對完整的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以綜合考核學(xué)生對多門課程知識的整體掌握和應(yīng)用能力。④本次命題的試卷在實(shí)際使用中取得了較好的區(qū)分度和信度，說明命題方式得當(dāng)?shù)臅婵荚嚾匀皇强煽康脑u估學(xué)生能力達(dá)成情況的重要部分，對于設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核結(jié)果也能提供有益的補(bǔ)充。

4.2 不 足

本次命題也存在著明顯的不足，主要有以下3方面。

（1）命題所涵蓋的教學(xué)內(nèi)容范圍偏窄。由于書面考試的局限性，無法在試題中加入各類濾波和復(fù)原方法以及圖像分割方法的計(jì)算，缺少對其應(yīng)用效果和適用場合的考查。

（2）命題對能力考核的深度存在不足，試題大多處于對相關(guān)能力較淺層的考查狀態(tài)。試題在設(shè)計(jì)方面雖然加入了一定的靈活性，但是總體而言，學(xué)生只需對相關(guān)方法具有基礎(chǔ)性的理解和掌握，就能較好地回答試題，而在面對真實(shí)的問題時(shí)，這些方法通常還不足以完全解決相關(guān)問題。endprint

（3）授課中仍須進(jìn)一步加強(qiáng)對圖像處理系統(tǒng)和視覺測量系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方面的訓(xùn)練，進(jìn)一步加強(qiáng)對各類圖像處理方法適用性的說明以及加強(qiáng)靈活運(yùn)用部分重要方法的訓(xùn)練。

5 結(jié) 語

根據(jù)工程教育認(rèn)證的理念，針對考核環(huán)節(jié)應(yīng)對學(xué)生能力達(dá)成情況進(jìn)行考查的要求，對書面考試的命題進(jìn)行了初步探索和實(shí)踐。從試卷的實(shí)際應(yīng)用情況來看，試題改革取得了較好的區(qū)分度和信度，對于學(xué)生能力達(dá)成情況能夠作出有效評估，但是仍然存在一些需要改進(jìn)的地方，如試題內(nèi)容所涉及的教學(xué)范圍、考核的深度等，對于今后的教學(xué)也提出了新的要求。

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（實(shí)習(xí)編輯：景貴英）endprint