基于工程教育認證的數(shù)字圖像處理試卷命題探索

郭斯羽　王華　汪沨　孟志強　溫和

摘 要：根據(jù)工程教育認證課程需對學(xué)生能力達成情況進行考查的要求，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)驗與不足。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理；視覺檢測；工程教育認證；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)和計算機類專業(yè)中廣泛開設(shè)的一門課程，也是對達成相關(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)要求達成度的評價。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)實踐性強的特點，強調(diào)在課程教學(xué)中引入更多實驗內(nèi)容[1-3]、采用項目式教學(xué)或研討式教學(xué)[4-8]、加強課堂演示環(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，提高實驗、設(shè)計、研究報告等實踐環(huán)節(jié)的成績比重[10-11]，也有研究者采用上機編程考試的方式代替書面考試[12]。利用上機編程進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。相較于課外完成報告、設(shè)計等環(huán)節(jié)，書面考試通常因為其過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)生能力達成情況進行考查，考查結(jié)果的可信度就會明顯降低。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)整和改進命題思路，以使考試的命題能更加符合工程教育認證的要求和需要，從而在課程教學(xué)中進一步落實工程教育認證所希望達成的能力培養(yǎng)目標。

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)能力的達成情況進行考查，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，對考核環(huán)節(jié)的設(shè)計提出了挑戰(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，實際問題的解決需要學(xué)生能對這些工具進行適當(dāng)選擇和組合。對于大量實際應(yīng)用問題，雖然有一個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具有一定實用性的設(shè)計，這對學(xué)生的能力提出了更高要求。

（2）解決實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，在面對實際案例時，往往會出現(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行考核。因為就單純計算而言，其原理和計算方法都較為簡單，如線性空間濾波從計算來看就是卷積，但是要想體現(xiàn)該方法的實際效果，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算結(jié)果，而且也沒有必要讓學(xué)生在一個很小的圖像上進行該類計算。

（4）從應(yīng)用角度出發(fā)，數(shù)字圖像處理課程更適用于強調(diào)學(xué)生領(lǐng)會各種處理方法的效果，以便選擇合適的技術(shù)來解決實際問題。因此，通過編程來完成實際的處理任務(wù)是很多教師在教學(xué)中經(jīng)常強調(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，那么學(xué)生在進行本課程的實踐活動時就容易出現(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)計課題，由學(xué)生針對1個有意義的圖像處理和視覺檢測任務(wù)進行系統(tǒng)層面的設(shè)計并構(gòu)思出能夠在MATLAB等類似平臺上驗證算法的思路。但是，從實際授課情況來看，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)生能力達成情況的全部評價。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)計能力方面，應(yīng)盡可能依托具有一定實際意義的應(yīng)用，并針對其中的部分環(huán)節(jié)或單元讓學(xué)生進行選擇和設(shè)計，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)計原理和設(shè)計思路的理解和運用情況，不涉及復(fù)雜計算或大量單純的計算。

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

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

（6）試卷重點是考查學(xué)生的實際設(shè)計能力，而不是考查學(xué)生對于某個算法的具體計算過程或某個特定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)計題，以求將知識點置于實際應(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)的某個單元進行設(shè)計，從而將考核內(nèi)容約束在課程教學(xué)內(nèi)容范圍之內(nèi)；選擇部分具有實際設(shè)計意義且計算量不大的非機械性計算內(nèi)容進行計算，更多側(cè)重于設(shè)計原理性、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胞計數(shù)的應(yīng)用，要求學(xué)生根據(jù)題目給出的血細胞實際大小、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個簡化的圖像直方圖，要求學(xué)生用直方圖均衡化計算灰度變換函數(shù)以及對比度增強的程度，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)計內(nèi)容。

第3題針對1個小型二值圖像，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，但是在實際應(yīng)用中具有現(xiàn)實意義。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。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感興趣的圖像內(nèi)容；同時，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)生分數(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人參加補考，補考采用類似方式命題， 3人補考全部通過，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)計考試分數(shù)得到卷面分數(shù)的標準差為20.87分，且分數(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度并動手進行課堂實驗的學(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，平時課上認真聽課并完成隨堂實驗的學(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)出命題確實能對學(xué)生的掌握程度進行考核。另一個體現(xiàn)試卷對能力進行考核的情況，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實現(xiàn)，其中1名學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計開始4周后，就已基本達成課題的最低目標，這一情況實屬罕見。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)計中均表現(xiàn)出較強能力，這之間也存在著明顯的相關(guān)性，同時也說明命題確實可能已經(jīng)實現(xiàn)對能力進行考查的目的。

4 命題的經(jīng)驗與不足

4.1 經(jīng) 驗

本次考試命題按照工程教育認證的理念和要求，在課程改革上進一步采取了舉措。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)能力方面有所進步。

通過此次命題，我們總結(jié)出4點經(jīng)驗：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)該盡量在一個實際應(yīng)用的語境中，考查學(xué)生對知識的理解程度和與實際相結(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，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，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)生能力達成情況的重要部分，對于設(shè)計、實驗等實踐環(huán)節(jié)的考核結(jié)果也能提供有益的補充。

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，而在面對真實的問題時，這些方法通常還不足以完全解決相關(guān)問題。endprint

（3）授課中仍須進一步加強對圖像處理系統(tǒng)和視覺測量系統(tǒng)的整體設(shè)計方面的訓(xùn)練，進一步加強對各類圖像處理方法適用性的說明以及加強靈活運用部分重要方法的訓(xùn)練。

5 結(jié) 語

根據(jù)工程教育認證的理念，針對考核環(huán)節(jié)應(yīng)對學(xué)生能力達成情況進行考查的要求，對書面考試的命題進行了初步探索和實踐。從試卷的實際應(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)生能力達成情況能夠作出有效評估，但是仍然存在一些需要改進的地方，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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（實習(xí)編輯：景貴英）endprint