大數(shù)據(jù)引領(lǐng)下利用圖像識別實(shí)現(xiàn)課堂作業(yè)數(shù)字化測評

史鳴峰+陳楠+諸杰

摘 要 應(yīng)用大數(shù)據(jù)思想與傳統(tǒng)教學(xué)思想，通過編程技術(shù)、應(yīng)用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)電子化、大數(shù)據(jù)化，通過大數(shù)據(jù)方法分析數(shù)據(jù)，使得課堂的有效性、作業(yè)的針對性極大增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與課堂教學(xué)真正融合。

關(guān)鍵詞 大數(shù)據(jù)；數(shù)字化測評系統(tǒng)；圖像識別

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）23-0019-03

1 數(shù)字化測評系統(tǒng)使用概況

近年來數(shù)字技術(shù)高速發(fā)展，計算機(jī)和手機(jī)已經(jīng)普及到各個層面，計算機(jī)數(shù)字化測評系統(tǒng)已經(jīng)推廣到各個地區(qū)；江蘇省信息技術(shù)考試十多年前就采用數(shù)字化方式考試，近期大學(xué)四六級考試也提出無紙化數(shù)字化考試。

2 蘇南地區(qū)中小學(xué)數(shù)字化測評實(shí)際使用情況

筆者所在地區(qū)屬于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入學(xué)校也有近20年，數(shù)字化考試測評進(jìn)入校園也有近10年；筆者所在地區(qū)千兆校園網(wǎng)，百兆鏈接進(jìn)教室，部分學(xué)校高價采購數(shù)字化測評系統(tǒng)，但是一線教師很少使用數(shù)字化方式來組織測評，很少使用數(shù)字化方式來管理教學(xué)。這一現(xiàn)象應(yīng)引起人們的關(guān)注。主要有以下幾個問題。

廣大教師時間緊張 基層教師主要任務(wù)是教學(xué)，備課、上課、批改作業(yè)要占據(jù)大量時間，在平常課堂采用數(shù)字化方式測評要安排學(xué)生上機(jī)等，在這樣的實(shí)際情況下，耗時多、不符合教師使用習(xí)慣的測評系統(tǒng)只能被束之高閣。

產(chǎn)品功能適應(yīng)性不足 市面上數(shù)字化測評系統(tǒng)大多是綜合測評，沒有針對課堂的練習(xí)測評，而廣大基層一線教師更加需要針對一課一練的數(shù)字化測評系統(tǒng)。

學(xué)生沒有時間 中小學(xué)尤其是高中學(xué)生要應(yīng)對高考，沒有時間利用計算機(jī)完成數(shù)字化測評；從小學(xué)到大學(xué)也沒有利用計算機(jī)進(jìn)行完成作業(yè)的習(xí)慣。

3 大數(shù)據(jù)引領(lǐng)、圖像識別實(shí)現(xiàn)課堂作業(yè)數(shù)字化

筆者對數(shù)字化課堂測評系統(tǒng)定義 基層教師依據(jù)上課思路，在課堂前、中、后實(shí)施數(shù)字化的測評作業(yè)；使課堂習(xí)題與處理結(jié)果數(shù)字化，形成大數(shù)據(jù)化，在大數(shù)據(jù)形成過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的使用價值、并及時反饋；教師依據(jù)反饋，實(shí)施針對性教學(xué)。

核心問題：如何實(shí)現(xiàn)課堂練習(xí)數(shù)字化，如何形成學(xué)生學(xué)習(xí)情況大數(shù)據(jù)？成本如何 筆者在不改變學(xué)生與教師作業(yè)習(xí)慣的前提下，利用高速掃描儀把學(xué)生作業(yè)圖像化、圖像數(shù)據(jù)數(shù)字化，數(shù)字化作業(yè)大數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。

本系統(tǒng)處理流程（圖1）及優(yōu)點(diǎn)

1）學(xué)生完成各個學(xué)科學(xué)案形式的A4紙張型練習(xí)，并以班級為單位收繳到相應(yīng)教師處。這完全沒有改變學(xué)生的作業(yè)習(xí)慣。

2）教師把上交的作業(yè)進(jìn)行紙張批改，接著利用年級提供的高速掃描儀掃描批改后的作業(yè)，掃描時間大約5分鐘，實(shí)現(xiàn)作業(yè)圖像化；因為教師是批改紙張型作業(yè)，完全沒有改變教師習(xí)慣，并且對于選擇與判斷題教師不必批改，教師只需批改論述型大題，大大降低批閱時間。

3）利用圖像技術(shù)識別A4紙張型作業(yè)，提取練習(xí)中的學(xué)生信息、試卷信息、作業(yè)批改信息。

4）利用大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法處理作業(yè)信息，得出哪些題錯誤率高、哪些學(xué)生具有共性問題，從而有針對性地上好下一節(jié)課或進(jìn)行課后輔導(dǎo)。

5）對于學(xué)生情況利用大數(shù)據(jù)分析本學(xué)期或者較長一段時間的作業(yè)情況，分析知識漏洞；而且學(xué)生可以把自己入學(xué)以來的錯題都打印下來，形成自己的錯題本；這樣的分析與傳統(tǒng)教學(xué)是一致的，并更加省時省力、分析更加到位。

4 本課題的核心突破

如何低成本獲取學(xué)生作業(yè)測評圖像 現(xiàn)在光電信息的發(fā)展，高速A4型號掃描儀單價3000元左右，成本不高，掃描速度每分鐘20張A4紙。對掃描后的圖像進(jìn)行二值化處理變成黑白圖像，并用jpge壓縮技術(shù)，得到100 dpi的測評圖像大約0.1 M，彩色的大約0.3 M。

如何提取作業(yè)標(biāo)題信息與學(xué)生信息 高考等考試學(xué)生信息采用條形碼與填圖標(biāo)記，占用空間尤其填圖標(biāo)記所占空間太大；筆者系統(tǒng)對于作業(yè)標(biāo)題與學(xué)生信息采用二維碼，二維碼中直接包含班級、姓名、學(xué)籍號，即使該名學(xué)生升入高年級而重新分班也可以采用學(xué)籍號檢索信息。圖2左側(cè)二維碼表示“高一（2）班 揚(yáng)帆2015001001”，圖2右側(cè)二維碼表示“牛頓運(yùn)動定律綜合運(yùn)用（二）”。

如何自動批改選擇題與論述題

1）調(diào)準(zhǔn)傾斜掃描圖像。利用掃描得到的二值化圖像，再利用圖像最上端兩個圓形標(biāo)記進(jìn)行定位（圖2），數(shù)學(xué)上利用hough變換檢測圓，得到兩個圓的圓心像素坐標(biāo)（x1，y1）與（x2，y2），從而計算紙張掃描圖像傾角tanθ=（y2-y1）/（x2-x1），若傾角小于1度則圖像不調(diào)準(zhǔn)；若傾角大于1度小于10°，則利用傾角關(guān)系，對每個掃描像素點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)變換得到新的掃描圖像；若圖像傾角大于10°，則提示重新掃描。

2）對調(diào)準(zhǔn)后的圖像檢測方形標(biāo)記坐標(biāo)。如圖2中，方形標(biāo)記坐標(biāo)大體上代表選擇題答題區(qū)與論述題得分區(qū)，得到方形標(biāo)記則得到了答案填寫處的坐標(biāo)區(qū)域。

把調(diào)準(zhǔn)后的圖像（圖2）進(jìn)行裁剪成左中右三部分：左右兩側(cè)區(qū)都為兩個方形標(biāo)記，中間為試題區(qū)；對左右側(cè)方形標(biāo)記區(qū)的圖像進(jìn)行橫向投影與縱向投影，橫向投影可以取得兩個方形標(biāo)記的y方向坐標(biāo)，縱向投影取得方形標(biāo)記的x方向坐標(biāo)；具體投影方法如圖3所示：黑色圖像點(diǎn)為

“1”，白色圖像點(diǎn)為“0”，數(shù)字化后得到圖3中最后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，有連續(xù)“1”的出現(xiàn)則為黑色圖塊部分，通過讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)，利用中值法得到連續(xù)“1”的中間數(shù)字坐標(biāo)即為黑色標(biāo)記圖塊的x方向坐標(biāo)；y方向坐標(biāo)處理方法相類似。

3）批改選擇題。利用左右兩側(cè)方形標(biāo)記坐標(biāo)，掃描兩個方形標(biāo)記間的[A][B][C][D]選項，并與標(biāo)準(zhǔn)答案（標(biāo)準(zhǔn)答案由試卷二維碼掃描，根據(jù)二維碼得到對應(yīng)的練習(xí)答案）對比得到對錯情況。掃描[A][B][C][D]時，采用圖像像素統(tǒng)計法，若[A]選項被涂40%像素認(rèn)為學(xué)生選擇了該選項，所以都是正確的，這樣不會妨害學(xué)生的填圖習(xí)慣，有較高容錯性。

4）批改論述題或計算題。我們采用的是教師先批改后掃描的方式，論述題是任課教師批改的，同時通過掃描得到論述題上方的答題標(biāo)記與得分格子批改情況，教師批閱分值時在對應(yīng)的格子上打個鉤與往常一樣；通過比較各個得分格子，最終得到學(xué)生得分并計入學(xué)生對應(yīng)得分?jǐn)?shù)據(jù)庫（圖4）；null代表為論述題，只有得分。

如何存儲作業(yè)測評文件同時快速檢索到學(xué)生以往的作業(yè)數(shù)據(jù) 把調(diào)準(zhǔn)好傾角的二值化圖像數(shù)據(jù)的論述題部分以彩色jpg格式壓縮并計算機(jī)自動化保存為文件，文件名命名為“學(xué)籍號-作業(yè)信息-題號.jpg”，如“2015001001-2015000301-2.jpg”；這樣很容易檢索到某個學(xué)生某次作業(yè)的情況；在這兒文件沒有存儲到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，而采用大數(shù)據(jù)的形式，文件名便是檢索關(guān)鍵字。

利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)檢索完成測評統(tǒng)計、輔助學(xué)校管理 根據(jù)圖4，能很容易得到單個學(xué)生的歷次作業(yè)情況，可以把歷次的錯誤題目都統(tǒng)計并打印出錯題本供學(xué)生參考；根據(jù)圖4也能統(tǒng)計出同一次作業(yè)的各個小題情況，從而有針對地講解或個別輔導(dǎo)；學(xué)校管理者也可以統(tǒng)計出那個教師出了哪些試卷，評估教師的教學(xué)水平是傳統(tǒng)題海方式還是著眼于能力培養(yǎng)。

5 總結(jié)

筆者的測評系統(tǒng)能在不改變廣大師生學(xué)習(xí)習(xí)慣與教學(xué)習(xí)慣的前提下，實(shí)現(xiàn)客觀題自動批閱，主觀題教師批閱即時產(chǎn)生數(shù)字化記錄，從而形成學(xué)生課堂作業(yè)的測評；并根據(jù)測評數(shù)據(jù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)每個學(xué)生的各次作業(yè)的記錄與每次作業(yè)不同學(xué)生的統(tǒng)計，從而讓教師快速了解學(xué)生，讓學(xué)校了解教師，有利于提高教學(xué)效率和質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)管理。

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