基于視覺識別技術(shù)的“1+X”汽車類技能評價系統(tǒng)的設(shè)計

邱雪君　陳翔　張永棟

摘 要：1+X證書制度的提出，對職業(yè)教育的人才培養(yǎng)、評價方式必然產(chǎn)生影響，其相應(yīng)的模式、制度、機制等已經(jīng)引起了變化并且將會隨著發(fā)展發(fā)生更加深遠(yuǎn)的影響。另外一方面，隨著信息技術(shù)、智能化技術(shù)的發(fā)展，1+X證書制度的落實與實施上，也必然出現(xiàn)新的呈現(xiàn)方式。本文基于職業(yè)教育評價與視覺識別技術(shù)的相結(jié)合，提出設(shè)計一種基于視覺識別技術(shù)的1+X技能評價系統(tǒng)，利用視覺識別判斷技術(shù)，進行輔助教學(xué)與評價。

關(guān)鍵詞：視覺識別 1+X證書制度 學(xué)習(xí)評價

1 引言

2019年1月，國務(wù)院印發(fā)公布了《國家職業(yè)教育改革實施方案》的通知，方案啟動1+X證書制度試點工作，鼓勵職業(yè)院校學(xué)生在獲得學(xué)歷證書的同時，積極取得多類職業(yè)技能等級證書，拓展就業(yè)創(chuàng)業(yè)本領(lǐng)，緩解結(jié)構(gòu)性就業(yè)矛盾。2020年10月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《深化新時代教育評價改革總體方案》，提出了提高教育評價的科學(xué)性、專業(yè)性和客觀性要求，將立德樹人落實在教育評價之中，針對不同類型的教育特點設(shè)計評價機制，提出了職業(yè)教育需要按照自身人才培養(yǎng)目標(biāo)重構(gòu)評價體系的要求。在1+X證書制度的影響下，職業(yè)教育的教學(xué)測評方式和手段呈現(xiàn)了新的特征。本文基于新的教育評價要求和證書制度改革，設(shè)計和開發(fā)了相應(yīng)的評價考核系統(tǒng)，對于落實和開展1+X證書制度，具有實踐探索意義。

2 1+X證書對技能學(xué)習(xí)評價的隱喻與實現(xiàn)途徑

2.1 1+X證書對技能學(xué)習(xí)評價的隱喻

在人才培養(yǎng)質(zhì)量上，1+X證書制度的核心理念是強化復(fù)合型能力的培養(yǎng)，強調(diào)理實融合學(xué)習(xí)，蘊含了高質(zhì)量職業(yè)教育訴求、強化綜合能力評測、強調(diào)學(xué)習(xí)者自主參與等學(xué)習(xí)評價隱喻。1+X證書制度強調(diào)的是強化和提高學(xué)習(xí)者自身的學(xué)習(xí)主觀能動性，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)前置情況和自身的職業(yè)規(guī)劃，自主選擇職業(yè)技能等級證書，并參加相關(guān)的學(xué)習(xí)，甚至是根據(jù)提供的考核要點和要求，自主地制定適合自己的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)計劃。

1+X證書制度評價的核心是以職業(yè)技能等級證書標(biāo)準(zhǔn)為依托的實踐性能力生成?；诖撕诵?，在職業(yè)教育的評價價值取向方面，就強調(diào)教學(xué)實踐過程中，教學(xué)設(shè)計應(yīng)該以真實任務(wù)為載體，教學(xué)目標(biāo)是以考核評價學(xué)習(xí)者的知識轉(zhuǎn)化應(yīng)用和在實際中的實踐能力，而非“本本主義”;在評價方法上，職業(yè)教育的評價方法設(shè)計應(yīng)該是實際的工作場景中的任務(wù)和問題為導(dǎo)向，考核學(xué)生的現(xiàn)場問題解決能力和創(chuàng)新思維，而非“紙上談兵”;在評價組織上，應(yīng)與行業(yè)或企業(yè)聯(lián)合，以行企業(yè)為主導(dǎo)組織形式進行評價考核，提高評價的真實性和客觀性;在評價內(nèi)容上，內(nèi)容的設(shè)計應(yīng)該在專業(yè)和實際應(yīng)用中把握好系統(tǒng)性和整體性，以達(dá)到學(xué)習(xí)者對知識架構(gòu)的系統(tǒng)宏觀掌握，才能更好舉一反三，而非“碎片化”的學(xué)習(xí)。

2.2 1+X證書技能學(xué)習(xí)評價的實現(xiàn)途徑

在互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的推動下，越來越多的智慧化、數(shù)據(jù)化學(xué)習(xí)空間被構(gòu)建和運用起來。利用大數(shù)據(jù)和信息技術(shù)，把學(xué)習(xí)放置在智慧學(xué)習(xí)的環(huán)境中開展，對于教學(xué)者來說，可以利用大數(shù)據(jù)獲取學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況并進行分析研究，從而改進教學(xué)設(shè)計和評價。對于學(xué)習(xí)者來說，可以實時獲取到自身的學(xué)習(xí)進度和學(xué)習(xí)反饋，從而調(diào)整學(xué)習(xí)計劃，提高學(xué)習(xí)效率，提高元認(rèn)知策略效果。

人工智能學(xué)習(xí)技術(shù)在1+X證書制度實施過程中可以起到很大的作用，是實施以證據(jù)為基礎(chǔ)的主觀與客觀結(jié)合的評價方法。通過人工智能、圖像識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)，可以自動對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行捕捉、聚類和分析，除此之外，還能減少教學(xué)過程中的主觀的考核和重復(fù)單一的人為評價帶來片面和低效。這也為教學(xué)實施者提供了技術(shù)和操作上的先進性和可能性。

3 1+X證書汽車類認(rèn)證考核的特點與存在問題

3.1 當(dāng)前汽車實訓(xùn)教學(xué)場景和問題

基于工作現(xiàn)場的教師的演示，使用與實際工作崗位一致的設(shè)備和環(huán)境進行教學(xué)，學(xué)生能真實體驗到工作崗位的要求，相比之下，即使使用了PPT等多媒體方式，課堂方式的教學(xué)環(huán)境中是不可能給到學(xué)生這樣的學(xué)習(xí)體驗，學(xué)習(xí)的效果自然是非常有效的，實際上基于現(xiàn)場的教學(xué)在有工廠形成的時候就有了，只不過呈現(xiàn)的方式為師傅帶徒弟的方式進行崗位的知識的講授，未形成目前課程和專業(yè)體系教學(xué)的概念。

目前的職業(yè)類學(xué)校大部分都建設(shè)了與實際工作崗位一致的理實一體化實訓(xùn)室或區(qū)，學(xué)生可以在實際的工作環(huán)境中體驗到教師講解內(nèi)容的必要性，并對畢業(yè)后從事的崗位有清晰的體驗和理解，但是學(xué)生畢竟是在進行學(xué)習(xí)階段的實操訓(xùn)練，與現(xiàn)實中真正的從業(yè)人員，無論在工作安全生產(chǎn)意識和能力上，具有很大的差距，使得在實操訓(xùn)練中具有很大的安全隱患?；谝陨希偨Y(jié)關(guān)鍵的問題有三個。

（1）教師無法實時監(jiān)控學(xué)生的分組訓(xùn)練，即使只有三組學(xué)生，監(jiān)控和糾錯操作技能的講解效率低;（2）學(xué)生分組訓(xùn)練因其工作意識還在逐步建立，安全隱患較大，特別是對于一些對安全要求很高的工作崗位;（3）學(xué)生在操作時無法實時反饋自己有疑問或信心不足的操作過程，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣低下，甚至出現(xiàn)一些教師無法發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)心理問題。

這對教師如何進行實訓(xùn)課程的開展控制提出了更高的要求，存在的解決方式之一是增加實訓(xùn)教師的數(shù)量，但目前看來職業(yè)學(xué)院教師的數(shù)量和實際的招生人數(shù)相比，始終是跟不上的。

3.2 技能型學(xué)科的學(xué)習(xí)特點

實際上，職業(yè)教育領(lǐng)域，尤其是汽車專業(yè)領(lǐng)域，在教育理論體系內(nèi)大部分是進行動作技能的訓(xùn)練。一個有效的技能的訓(xùn)練，需要進行反復(fù)的練習(xí)，而對于教師，則要開展不同程度的指導(dǎo)和糾正，這對于教師的工作要求是巨大的。在現(xiàn)如今學(xué)生擴招的大背景下，如何在近五十人/次課程中進行學(xué)生操作的觀察觀測和指導(dǎo)教學(xué)，是目前職業(yè)類學(xué)院面對的共同問題，當(dāng)然其中不排除很多學(xué)校只片面追求場地的裝修設(shè)置，忽略采用能有效輔助到教師開展教學(xué)的技術(shù)手段，甚至連基本的意識都沒有，把實訓(xùn)室倒退回到課堂教學(xué)的模式。

4 基于視覺識別技術(shù)的1+X評價系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 機器視覺識別技術(shù)

視覺系統(tǒng)通俗的理解就是使用計算機實現(xiàn)人類眼睛的功能并能自動控制設(shè)備，是一個利用顏色、形狀等信息來識別環(huán)境目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)。通過一系列的識別技術(shù)手段對圖像進行準(zhǔn)確采集，同時保證對外界變化的實時反應(yīng)和運動目標(biāo)的實時跟蹤。機器視覺系統(tǒng)由圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示三部分組成。圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計算機處理的一系列數(shù)據(jù)，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。

4.2 基于視覺識別技術(shù)的1+X技能評價系統(tǒng)開發(fā)方案

本系統(tǒng)借助視覺識別的技術(shù)原理，設(shè)計一種能應(yīng)用在技能學(xué)習(xí)和考核認(rèn)證中的系統(tǒng)，以期解決原先需要教師不斷的點對點進行指導(dǎo)，導(dǎo)致工作量大，教學(xué)控場效率低，極容易出現(xiàn)安全事故的問題。系統(tǒng)以理實一體化課堂為空間，系統(tǒng)分為兩個平臺，一個平臺是教師機專用的上位機，另一個平臺是學(xué)生進行動力技能訓(xùn)練的工位，整個系統(tǒng)的示意圖如下圖1所示：

如上圖1所示，第一個平臺A為教師機的區(qū)域，A區(qū)域配置有WIFI模塊，帶電腦的一體機電子白板、攝像頭，放置演示設(shè)備和配件等的工具柜。B1為學(xué)生的操作實訓(xùn)區(qū)，本系統(tǒng)中B1區(qū)域是根據(jù)實際情況進行數(shù)量級的配置，本系統(tǒng)的設(shè)計以電動汽車高壓部件的拆裝實訓(xùn)為例子設(shè)置為6個工位，分別為：（1）動力電池測試裝調(diào)工位;（2）電機測試拆裝工位;（3）高壓控制器測試拆裝工位;（4）充電樁測試拆裝工位;（5）電動汽車充電口、高壓絕緣和高壓互鎖測試工位;（6）電動汽車維護保養(yǎng)工位。

系統(tǒng)的工作流程和邏輯如圖2。

對學(xué)生操作的動作行為采集并進行智能判定和執(zhí)行斷電報警等操作，是本系統(tǒng)的重點，如圖2所示，為了減少智能判斷的工控機的運算，創(chuàng)新采用標(biāo)準(zhǔn)的動作數(shù)據(jù)庫進行預(yù)比對，目的是去除不必要的采集和分析，加快判斷的運算速度，為了使得工控機存儲的數(shù)據(jù)量和運算能力的保持，在發(fā)生事故的情況下才進行現(xiàn)場錄制，另外一個情況是，教師可以選擇是否進行錄制，以完成諸如實現(xiàn)考試等教學(xué)場景。

如前所述本系統(tǒng)功能，總結(jié)如下：

（1）平臺A的重點第一是采用攝像頭對教師需要演示的設(shè)備和零部件進行圖像采集，然后直接顯示在平臺A的電子白板上，解決傳統(tǒng)學(xué)生需要圍觀才能看到教師的演示動作的問題;第二在電子白板上，教師可以很方便使用觸摸屏進行板書，而且電子白板安裝有虛擬儀器，也就很方便的實現(xiàn)了直接在電子白板上進行儀器儀表按鈕的功能講解等;第三通過攝像頭采集到的實際設(shè)備的圖像，教師可以直接在電子白板上進行板書講解，而且通過分屏技術(shù)，還可以配合PPT進行原理講授，保留了教師最習(xí)慣的PPT的基本使用功能。（2）平臺B1的重點第一是采用基于視覺技術(shù)的電子圍欄的設(shè)置，對禁止（也貼了警告標(biāo)志）區(qū)域，比如高壓配電箱區(qū)域，易滑倒區(qū)域和含危險品（如汽油）等設(shè)置圖像劃線，一旦發(fā)現(xiàn)有人進入，則進行聲光報警并回傳圖像至平臺A;第二是當(dāng)發(fā)現(xiàn)的學(xué)生動作行為與標(biāo)準(zhǔn)動作數(shù)據(jù)庫的相比產(chǎn)生過大的偏差，則斷開實訓(xùn)設(shè)備或臺架的電源盒，實現(xiàn)產(chǎn)生電危害時的斷電處理，邏輯如下圖3（a）所示;第三是此系統(tǒng)不受任何實訓(xùn)設(shè)備的限制，電源控制盒、攝像頭和WIFI收發(fā)器是獨立整合在一個移動設(shè)備上。

同時，平臺B1可以設(shè)置為學(xué)生動作評價的系統(tǒng)，學(xué)生操作結(jié)束后可直接評出操作成績，其中需要教師先輸入標(biāo)準(zhǔn)的動作行為數(shù)據(jù)，如圖3（b）所示。作為提高教師監(jiān)控學(xué)生分組練習(xí)效率的輔助系統(tǒng)，保留了教師課進行設(shè)置和干預(yù)的功能，完成諸如實現(xiàn)單人多點，即一個裁判同時監(jiān)控多個考核工位的智能化考核的作用，提高了工作效率。

（本文基金資助：廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（自然科學(xué)）（項目編號：2020KQNCX167）。

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