大數據引領下利用圖像識別實現課堂作業數字化測評

史鳴峰+陳楠+諸杰

摘 要 應用大數據思想與傳統教學思想，通過編程技術、應用數字化手段實現傳統數據電子化、大數據化，通過大數據方法分析數據，使得課堂的有效性、作業的針對性極大增強，實現信息技術與課堂教學真正融合。

關鍵詞 大數據；數字化測評系統；圖像識別

中圖分類號：G434 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）23-0019-03

1 數字化測評系統使用概況

近年來數字技術高速發展，計算機和手機已經普及到各個層面，計算機數字化測評系統已經推廣到各個地區；江蘇省信息技術考試十多年前就采用數字化方式考試，近期大學四六級考試也提出無紙化數字化考試。

2 蘇南地區中小學數字化測評實際使用情況

筆者所在地區屬于經濟發達地區，計算機網絡進入學校也有近20年，數字化考試測評進入校園也有近10年；筆者所在地區千兆校園網，百兆鏈接進教室，部分學校高價采購數字化測評系統，但是一線教師很少使用數字化方式來組織測評，很少使用數字化方式來管理教學。這一現象應引起人們的關注。主要有以下幾個問題。

廣大教師時間緊張 基層教師主要任務是教學，備課、上課、批改作業要占據大量時間，在平常課堂采用數字化方式測評要安排學生上機等，在這樣的實際情況下，耗時多、不符合教師使用習慣的測評系統只能被束之高閣。

產品功能適應性不足 市面上數字化測評系統大多是綜合測評，沒有針對課堂的練習測評，而廣大基層一線教師更加需要針對一課一練的數字化測評系統。

學生沒有時間 中小學尤其是高中學生要應對高考，沒有時間利用計算機完成數字化測評；從小學到大學也沒有利用計算機進行完成作業的習慣。

3 大數據引領、圖像識別實現課堂作業數字化

筆者對數字化課堂測評系統定義 基層教師依據上課思路，在課堂前、中、后實施數字化的測評作業；使課堂習題與處理結果數字化，形成大數據化，在大數據形成過程中產生數據的使用價值、并及時反饋；教師依據反饋，實施針對性教學。

核心問題：如何實現課堂練習數字化，如何形成學生學習情況大數據？成本如何 筆者在不改變學生與教師作業習慣的前提下，利用高速掃描儀把學生作業圖像化、圖像數據數字化，數字化作業大數據處理，從而實現本系統。

本系統處理流程（圖1）及優點

1）學生完成各個學科學案形式的A4紙張型練習，并以班級為單位收繳到相應教師處。這完全沒有改變學生的作業習慣。

2）教師把上交的作業進行紙張批改，接著利用年級提供的高速掃描儀掃描批改后的作業，掃描時間大約5分鐘，實現作業圖像化；因為教師是批改紙張型作業，完全沒有改變教師習慣，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）利用圖像技術識別A4紙張型作業，提取練習中的學生信息、試卷信息、作業批改信息。

4）利用大數據的統計分析方法處理作業信息，得出哪些題錯誤率高、哪些學生具有共性問題，從而有針對性地上好下一節課或進行課后輔導。

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

4 本課題的核心突破

如何低成本獲取學生作業測評圖像 現在光電信息的發展，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。對掃描后的圖像進行二值化處理變成黑白圖像，并用jpge壓縮技術，得到100 dpi的測評圖像大約0.1 M，彩色的大約0.3 M。

如何提取作業標題信息與學生信息 高考等考試學生信息采用條形碼與填圖標記，占用空間尤其填圖標記所占空間太大；筆者系統對于作業標題與學生信息采用二維碼，二維碼中直接包含班級、姓名、學籍號，即使該名學生升入高年級而重新分班也可以采用學籍號檢索信息。圖2左側二維碼表示“高一（2）班 揚帆2015001001”，圖2右側二維碼表示“牛頓運動定律綜合運用（二）”。

如何自動批改選擇題與論述題

1）調準傾斜掃描圖像。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記進行定位（圖2），數學上利用hough變換檢測圓，得到兩個圓的圓心像素坐標（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度則圖像不調準；若傾角大于1度小于10°，則利用傾角關系，對每個掃描像素點進行函數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）對調準后的圖像檢測方形標記坐標。如圖2中，方形標記坐標大體上代表選擇題答題區與論述題得分區，得到方形標記則得到了答案填寫處的坐標區域。

把調準后的圖像（圖2）進行裁剪成左中右三部分：左右兩側區都為兩個方形標記，中間為試題區；對左右側方形標記區的圖像進行橫向投影與縱向投影，橫向投影可以取得兩個方形標記的y方向坐標，縱向投影取得方形標記的x方向坐標；具體投影方法如圖3所示：黑色圖像點為

“1”，白色圖像點為“0”，數字化后得到圖3中最后的二進制數據，有連續“1”的出現則為黑色圖塊部分，通過讀取二進制數據，利用中值法得到連續“1”的中間數字坐標即為黑色標記圖塊的x方向坐標；y方向坐標處理方法相類似。

3）批改選擇題。利用左右兩側方形標記坐標，掃描兩個方形標記間的[A][B][C][D]選項，并與標準答案（標準答案由試卷二維碼掃描，根據二維碼得到對應的練習答案）對比得到對錯情況。掃描[A][B][C][D]時，采用圖像像素統計法，若[A]選項被涂40%像素認為學生選擇了該選項，所以都是正確的，這樣不會妨害學生的填圖習慣，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記與得分格子批改情況，教師批閱分值時在對應的格子上打個鉤與往常一樣；通過比較各個得分格子，最終得到學生得分并計入學生對應得分數據庫（圖4）；null代表為論述題，只有得分。

如何存儲作業測評文件同時快速檢索到學生以往的作業數據 把調準好傾角的二值化圖像數據的論述題部分以彩色jpg格式壓縮并計算機自動化保存為文件，文件名命名為“學籍號-作業信息-題號.jpg”，如“2015001001-2015000301-2.jpg”；這樣很容易檢索到某個學生某次作業的情況；在這兒文件沒有存儲到關系型數據庫，而采用大數據的形式，文件名便是檢索關鍵字。

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

5 總結

筆者的測評系統能在不改變廣大師生學習習慣與教學習慣的前提下，實現客觀題自動批閱，主觀題教師批閱即時產生數字化記錄，從而形成學生課堂作業的測評；并根據測評數據，應用大數據分析，實現每個學生的各次作業的記錄與每次作業不同學生的統計，從而讓教師快速了解學生，讓學校了解教師，有利于提高教學效率和質量，改進教學管理。

參考文獻

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[4]史鳴峰.利用信息技術實現課堂化電子測評系統[J].中國教育信息化，2013（19）：84-88.