基于工程教育認證的數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：根據工程教育認證課程需對學生能力達成情況進行考查的要求，分析數字圖像處理相關課程的書面考試試卷命題面臨的挑戰，確立以設計題等應用題型占據絕對主導地位的命題思路，總結命題的經驗與不足。

關鍵詞：數字圖像處理；視覺檢測；工程教育認證；試卷命題

0 引 言

數字圖像處理課程是目前電子信息類專業和計算機類專業中廣泛開設的一門課程，也是對達成相關專業畢業要求具有重要支撐作用的課程，課程考核結果常常應用于畢業要求達成度的評價。當前對數字圖像處理及相關課程的教學改革研究主要集中在教學內容和教學方法，通常都是依據數字圖像處理技術實踐性強的特點，強調在課程教學中引入更多實驗內容[1-3]、采用項目式教學或研討式教學[4-8]、加強課堂演示環節[9]等，課程考核環節主要關注降低書面考試的成績比重，提高實驗、設計、研究報告等實踐環節的成績比重[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、設備和學校具體教學管理要求的約束；而采用書面考試，考試內容則往往著重于對知識性和理論性內容的考查。

根據工程教育認證的要求，課程教學的目的是培養學生的能力，體現在學生能夠用所學的知識做什么，而不是僅僅知道這些知識本身。相較于課外完成報告、設計等環節，書面考試通常因為其過程具有可控性而顯得更加權威和可信，因此，如果完全放棄利用書面考試這一方式對學生能力達成情況進行考查，考查結果的可信度就會明顯降低。為此，我們針對數字圖像處理應用能力的書面考查方法展開研究，分析其面臨的挑戰，根據分析結果調整和改進命題思路，以使考試的命題能更加符合工程教育認證的要求和需要，從而在課程教學中進一步落實工程教育認證所希望達成的能力培養目標。

1 數字圖像處理技術應用能力考核面臨的挑戰

從工程教育認證的理念出發，畢業要求應體現學生對相關能力的掌握水平，考核環節也應對學生相關能力的達成情況進行考查，應顯著減少知識性內容在考查中所占的比重。但是數字圖像處理課程自身的特點，對考核環節的設計提出了挑戰。

（1）數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生能對這些工具進行適當選擇和組合。對于大量實際應用問題，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計，這對學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，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用，需要使用模式識別課程中的相關方法。若學生并未學習相關課程或對相關技術掌握得不夠扎實，在面對實際案例時，往往會出現不知如何著手解決的情況。

（3）數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。書面考試往往無法通過圖像的方式來表示計算結果，而且也沒有必要讓學生在一個很小的圖像上進行該類計算。

（4）從應用角度出發，數字圖像處理課程更適用于強調學生領會各種處理方法的效果，以便選擇合適的技術來解決實際問題。因此，通過編程來完成實際的處理任務是很多教師在教學中經常強調的一種教學方式。如果學生沒有學習過相關語言或者這方面的能力培養未能落實，那么學生在進行本課程的實踐活動時就容易出現畏難情緒，導致學習效果不佳，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的軟硬件設計能力的角度出發，最適宜的考核方式是課程大作業或設計課題，由學生針對1個有意義的圖像處理和視覺檢測任務進行系統層面的設計并構思出能夠在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，這類任務對于初次接觸圖像處理和視覺檢測相關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，學生完成課程大作業或設計過程的可控性較差，導致考核結果的信度和區分度較低，不應該作為對學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 試卷命題的指導原則與實際試題簡介

2.1 試卷命題的指導原則

（1）相較于單純針對知識性內容的考核，試卷主要應考查學生在設計圖像處理應用和視覺檢測系統方面的能力。

（2）在考查設計能力方面，應盡可能依托具有一定實際意義的應用，并針對其中的部分環節或單元讓學生進行選擇和設計，以避免試題涉及超出本課程大綱的其他課程內容。

（3）更多地側重于考查學生對設計原理和設計思路的理解和運用情況，不涉及復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雜程度較為適宜的知識點，如成像系統有關參數的計算、直方圖均衡化等。

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

（6）試卷重點是考查學生的實際設計能力，而不是考查學生對于某個算法的具體計算過程或某個特定MATLAB函數的使用方法的記憶，因此，考試方式定為開卷考試。

2.2 實際試題簡介

根據以上指導性原則，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，全部改用應用題和設計題，以求將知識點置于實際應用的語境中，考查學生的理解和應用水平。設計題主要要求學生就完整的圖像處理和視覺檢測系統的某個單元進行設計，從而將考核內容約束在課程教學內容范圍之內；選擇部分具有實際設計意義且計算量不大的非機械性計算內容進行計算，更多側重于設計原理性、思路性的考核；在考試中加入較為基礎的MATLAB編程內容。試卷共包含5道大題，均為應用題或設計題，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的應用，要求學生根據題目給出的血細胞實際大小、光學成像系統放大倍數、傳感器尺寸和分辨率等信息，估算圖像中血細胞的大小，選擇合適的結構元素用于數學形態學處理，并給出數學形態學處理的MATLAB代碼。本題主要考查學生對數字圖像獲取過程的理解程度以及對數學形態學處理的應用能力。

第2題針對1個簡化的圖像直方圖，要求學生用直方圖均衡化計算灰度變換函數以及對比度增強的程度，并能根據對比度的要求調整灰度變換。本題主要考查學生對直方圖均衡化的理解和應用能力，包含了一般性灰度變換的設計內容。

第3題針對1個小型二值圖像，要求學生給出指定的數學形態學處理結果。為方便學生作答，答題紙上已繪制了圖像網格，學生填涂即可。此題是少數適于在書面考試中以圖像方式表示結果的題型之一，雖然偏重于知識性內容，但是在實際應用中具有現實意義。本題不僅考查學生對數學形態學原理和過程的理解程度，而且考查學生調試程序的能力。由于在實際應用中，常常需要判斷特定圖像處理步驟給出結果的正確性，并據此調試程序和發現問題，因此，讓學生明確給出如數學形態學這樣的圖像處理步驟的結果，對于今后他們調試程序有一定幫助。

第4題針對流水線上三角形平板工件的檢測問題，要求學生能給出適當的數學形態學處理方法來改善分割結果，并能提出解決思路，用于在圖像中檢測可能已發生畸變的三角形工件區域的各頂點。本題主要考查學生對數學形態學、對象特征提取方法等教學內容的理解應用。

第5題針對流水線上產品外包裝中噴碼字母的識別應用，要求學生能適當選擇光源、漫射板、傳送帶的顏色、材質等內容，構建檢測系統的硬件部分，以便能通過成像過程增強感興趣的圖像內容；同時，還要求學生能根據鏡頭焦距、成像范圍大小、傳感器尺寸等參數，計算成像系統的安裝高度等。本題主要考查學生對視覺檢測系統的硬件設計能力。

3 試卷考試的效果分析

在湖南大學電氣與信息工程學院2016-2017學年秋季學期的期末考試中使用了相關命題試卷。命題的應用效果可以從難度、區分度、信度、對能力的考查程度4個方面體現。

（1）難度。此次有30人參加考試，學生成績等級分布情況見表1。學生卷面平均分為63.13分，有1/3的學生分數不及格，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，據此可以看出，學生能否通過考核不由命題的難度決定，但與學生的重視程度有關。

（2）區分度。統計考試分數得到卷面分數的標準差為20.87分，且分數主要集中在不及格和及格兩檔，從成績分布來看，較好地達到了區分學習情況良好與學習情況不佳這兩種學生的目的。

（3）信度。盡管本次考試采用了開卷考試的方式，但由命題內容可以看出，考試內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，因此考試結果的信度較高。此外，從考試結果來看，獲得中或良的成績的學生，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生，而在考試結果不及格的學生中，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生。因此，考試成績較明確地反映出學生的學習態度和能力，也表明考試結果可信。

（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生，在考試中均取得了相對突出的成績，這從側面體現出命題確實能對學生的掌握程度進行考核。另一個體現試卷對能力進行考核的情況，則是由參加考試的4名學生的表現所展示的。這4名學生均在畢業設計中接受了授課教師的指導，且課題均為圖像處理和視覺檢測的內容，相較于往屆學生的表現，這4名學生均能更快地進入學習狀態，較快地給出可行的解決思路，并開始MATLAB實現，其中1名學生在畢業設計開始4周后，就已基本達成課題的最低目標，這一情況實屬罕見。相應地，這4名學生的考試成績均為中或良，他們在考試成績和畢業設計中均表現出較強能力，這之間也存在著明顯的相關性，同時也說明命題確實可能已經實現對能力進行考查的目的。

4 命題的經驗與不足

4.1 經 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，我們已經開始有意識地顯著增加試題中設計題等考核學生應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，此次命題在考核學生的相關能力方面有所進步。

通過此次命題，我們總結出4點經驗：①在數字圖像處理課程中，通過書面考試的方式來考察學生的能力達成情況，是可行的做法。②能力考查型試題應以應用題、設計題等題型為主，即使是知識性的內容也應該盡量在一個實際應用的語境中，考查學生對知識的理解程度和與實際相結合的應用能力。③針對數字圖像處理技術自身的特點，根據課程定位不同，可靈活采用不同程度的考核難度。如對于本科生選修課，可針對實際應用問題中的部分環節或單元，考查學生的設計和應用能力，并將考核范圍局限在本課程教學范圍內；對于專業核心課程，尤其是學生已經修讀過的如數據處理、信號處理、程序設計等前導課程，則可以考慮在命題中讓學生完成相對完整的軟硬件系統設計，以綜合考核學生對多門課程知識的整體掌握和應用能力。④本次命題的試卷在實際使用中取得了較好的區分度和信度，說明命題方式得當的書面考試仍然是可靠的評估學生能力達成情況的重要部分，對于設計、實驗等實踐環節的考核結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）命題所涵蓋的教學內容范圍偏窄。由于書面考試的局限性，無法在試題中加入各類濾波和復原方法以及圖像分割方法的計算，缺少對其應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能力較淺層的考查狀態。試題在設計方面雖然加入了一定的靈活性，但是總體而言，學生只需對相關方法具有基礎性的理解和掌握，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問題。endprint

（3）授課中仍須進一步加強對圖像處理系統和視覺測量系統的整體設計方面的訓練，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練。

5 結 語

根據工程教育認證的理念，針對考核環節應對學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。從試卷的實際應用情況來看，試題改革取得了較好的區分度和信度，對于學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，如試題內容所涉及的教學范圍、考核的深度等，對于今后的教學也提出了新的要求。

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（實習編輯：景貴英）endprint