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基于工程教育认证的数字图像处理试卷命题探索

郭斯羽 王华 汪沨 孟志强 温和
摘 要:根据工程教育认证课程需对学生能力达成情况进行考查的要求,分析数字图像处理相关课程的书面考试试卷命题面临的挑战,确立以设计题等应用题型占据绝对主导地位的命题思路,总结命题的经验与不足。
关键词:数字图像处理;视觉检测;工程教育认证;试卷命题
0 引 言
数字图像处理课程是目前电子信息类专业和计算机类专业中广泛开设的一门课程,也是对达成相关专业毕业要求具有重要支撑作用的课程,课程考核结果常常应用于毕业要求达成度的评价。当前对数字图像处理及相关课程的教学改革研究主要集中在教学内容和教学方法,通常都是依据数字图像处理技术实践性强的特点,强调在课程教学中引入更多实验内容[1-3]、采用项目式教学或研讨式教学[4-8]、加强课堂演示环节[9]等,课程考核环节主要关注降低书面考试的成绩比重,提高实验、设计、研究报告等实践环节的成绩比重[10-11],也有研究者采用上机编程考试的方式代替书面考试[12]。利用上机编程进行课程考核是一种较为理想的考核方式,但是常常受到场地、设备和学校具体教学管理要求的约束;而采用书面考试,考试内容则往往着重于对知识性和理论性内容的考查。
根据工程教育认证的要求,课程教学的目的是培养学生的能力,体现在学生能够用所学的知识做什么,而不是仅仅知道这些知识本身。相较于课外完成报告、设计等环节,书面考试通常因为其过程具有可控性而显得更加权威和可信,因此,如果完全放弃利用书面考试这一方式对学生能力达成情况进行考查,考查结果的可信度就会明显降低。为此,我们针对数字图像处理应用能力的书面考查方法展开研究,分析其面临的挑战,根据分析结果调整和改进命题思路,以使考试的命题能更加符合工程教育认证的要求和需要,从而在课程教学中进一步落实工程教育认证所希望达成的能力培养目标。
1 数字图像处理技术应用能力考核面临的挑战
从工程教育认证的理念出发,毕业要求应体现学生对相关能力的掌握水平,考核环节也应对学生相关能力的达成情况进行考查,应显著减少知识性内容在考查中所占的比重。但是数字图像处理课程自身的特点,对考核环节的设计提出了挑战。
(1)数字图像处理课程介绍了一系列常用的处理工具,如直方图均衡化、滤波、分割算法等,实际问题的解决需要学生能对这些工具进行适当选择和组合。对于大量实际应用问题,虽然有一个基于图像和视觉的一般性检测方法框架,但是不可能为所有问题提供具体的解决方案。因此,通过选择和组合常用的处理工具来形成一个具有一定实用性的设计,这对学生的能力提出了更高要求。
(2)解决实际问题常需要掌握超出课程范围的技术,如对亚像素的测量,需要使用最小二乘或其改进方法;对分类识别性的检测应用,需要使用模式识别课程中的相关方法。若学生并未学习相关课程或对相关技术掌握得不够扎实,在面对实际案例时,往往会出现不知如何着手解决的情况。
(3)数字图像处理的许多方法难以通过书面考试进行考核。因为就单纯计算而言,其原理和计算方法都较为简单,如线性空间滤波从计算来看就是卷积,但是要想体现该方法的实际效果,则需要在足够大的平面上以图像方式呈现。书面考试往往无法通过图像的方式来表示计算结果,而且也没有必要让学生在一个很小的图像上进行该类计算。
(4)从应用角度出发,数字图像处理课程更适用于强调学生领会各种处理方法的效果,以便选择合适的技术来解决实际问题。因此,通过编程来完成实际的处理任务是很多教师在教学中经常强调的一种教学方式。如果学生没有学习过相关语言或者这方面的能力培养未能落实,那么学生在进行本课程的实践活动时就容易出现畏难情绪,导致学习效果不佳,也使得对这方面能力的考核难以充分展开。
从考核图像处理和视觉检测系统的软硬件设计能力的角度出发,最适宜的考核方式是课程大作业或设计课题,由学生针对1个有意义的图像处理和视觉检测任务进行系统层面的设计并构思出能够在MATLAB等类似平台上验证算法的思路。但是,从实际授课情况来看,这类任务对于初次接触图像处理和视觉检测相关知识的大四本科生而言,仍属于偏高偏难的要求,且很容易受到求职、考研等因素的影响。此外,学生完成课程大作业或设计过程的可控性较差,导致考核结果的信度和区分度较低,不应该作为对学生能力达成情况的全部评价。因此,书面考试作为可控性最好、信度最高的考核方式,在课程考核中的使用仍然十分有必要。
2 试卷命题的指导原则与实际试题简介
2.1 试卷命题的指导原则
(1)相较于单纯针对知识性内容的考核,试卷主要应考查学生在设计图像处理应用和视觉检测系统方面的能力。
(2)在考查设计能力方面,应尽可能依托具有一定实际意义的应用,并针对其中的部分环节或单元让学生进行选择和设计,以避免试题涉及超出本课程大纲的其他课程内容。
(3)更多地侧重于考查学生对设计原理和设计思路的理解和运用情况,不涉及复杂计算或大量单纯的计算。
(4)可以在试卷中考查那些对于原理的理解有重要意义,同时计算量和计算方法复杂程度较为适宜的知识点,如成像系统有关参数的计算、直方图均衡化等。
(5)由于本课程的平时作业都是MATLAB编程题,因此,作为实现能力的一个方面,试卷中可以出现少量涉及简单MATLAB编程的题目。
(6)试卷重点是考查学生的实际设计能力,而不是考查学生对于某个算法的具体计算过程或某个特定MATLAB函数的使用方法的记忆,因此,考试方式定为开卷考试。
2.2 实际试题简介
根据以上指导性原则,试卷的命题介绍如下:
命题放弃了选择、填空等知识性考查为主的题型,全部改用应用题和设计题,以求将知识点置于实际应用的语境中,考查学生的理解和应用水平。设计题主要要求学生就完整的圖像处理和视觉检测系统的某个单元进行设计,从而将考核内容约束在课程教学内容范围之内;选择部分具有实际设计意义且计算量不大的非机械性计算内容进行计算,更多侧重于设计原理性、思路性的考核;在考试中加入较为基础的MATLAB编程内容。试卷共包含5道大题,均为应用题或设计题,不包含任何选择题、填空题、名词解释题、简答题等题型。
第1题针对显微图像中血细胞计数的应用,要求学生根据题目给出的血细胞实际大小、光学成像系统放大倍数、传感器尺寸和分辨率等信息,估算图像中血细胞的大小,选择合适的结构元素用于数学形态学处理,并给出数学形态学处理的MATLAB代码。本题主要考查学生对数字图像获取过程的理解程度以及对数学形态学处理的应用能力。
第2题针对1个简化的图像直方图,要求学生用直方图均衡化计算灰度变换函数以及对比度增强的程度,并能根据对比度的要求调整灰度变换。本题主要考查学生对直方图均衡化的理解和应用能力,包含了一般性灰度变换的设计内容。
第3题针对1个小型二值图像,要求学生给出指定的数学形态学处理结果。为方便学生作答,答题纸上已绘制了图像网格,学生填涂即可。此题是少数适于在书面考试中以图像方式表示结果的题型之一,虽然偏重于知识性内容,但是在实际应用中具有现实意义。本题不仅考查学生对数学形态学原理和过程的理解程度,而且考查学生调试程序的能力。由于在实际应用中,常常需要判断特定图像处理步骤给出结果的正确性,并据此调试程序和发现问题,因此,让学生明确给出如数学形态学这样的图像处理步骤的结果,对于今后他们调试程序有一定帮助。
第4题针对流水线上三角形平板工件的检测问题,要求学生能给出适当的数学形态学处理方法来改善分割结果,并能提出解决思路,用于在图像中检测可能已发生畸变的三角形工件区域的各顶点。本题主要考查学生对数学形态学、对象特征提取方法等教学内容的理解应用。
第5题针对流水线上产品外包装中喷码字母的识别应用,要求学生能适当选择光源、漫射板、传送带的颜色、材质等内容,构建检测系统的硬件部分,以便能通过成像过程增强感兴趣的图像内容;同时,还要求学生能根据镜头焦距、成像范围大小、传感器尺寸等参数,計算成像系统的安装高度等。本题主要考查学生对视觉检测系统的硬件设计能力。
3 试卷考试的效果分析
在湖南大学电气与信息工程学院2016-2017学年秋季学期的期末考试中使用了相关命题试卷。命题的应用效果可以从难度、区分度、信度、对能力的考查程度4个方面体现。
(1)难度。此次有30人参加考试,学生成绩等级分布情况见表1。学生卷面平均分为63.13分,有1/3的学生分数不及格,并且没有超过90分的得分。从卷面成绩来看,此次命题偏难。本课程最终有3人参加补考,补考采用类似方式命题, 3人补考全部通过,据此可以看出,学生能否通过考核不由命题的难度决定,但与学生的重视程度有关。
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