基于視覺識別技術的“1+X”汽車類技能評價系統的設計

邱雪君　陳翔　張永棟

摘 要：1+X證書制度的提出，對職業教育的人才培養、評價方式必然產生影響，其相應的模式、制度、機制等已經引起了變化并且將會隨著發展發生更加深遠的影響。另外一方面，隨著信息技術、智能化技術的發展，1+X證書制度的落實與實施上，也必然出現新的呈現方式。本文基于職業教育評價與視覺識別技術的相結合，提出設計一種基于視覺識別技術的1+X技能評價系統，利用視覺識別判斷技術，進行輔助教學與評價。

關鍵詞：視覺識別 1+X證書制度 學習評價

1 引言

2019年1月，國務院印發公布了《國家職業教育改革實施方案》的通知，方案啟動1+X證書制度試點工作，鼓勵職業院校學生在獲得學歷證書的同時，積極取得多類職業技能等級證書，拓展就業創業本領，緩解結構性就業矛盾。2020年10月，中共中央、國務院印發了《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性、專業性和客觀性要求，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計評價機制，提出了職業教育需要按照自身人才培養目標重構評價體系的要求。在1+X證書制度的影響下，職業教育的教學測評方式和手段呈現了新的特征。本文基于新的教育評價要求和證書制度改革，設計和開發了相應的評價考核系統，對于落實和開展1+X證書制度，具有實踐探索意義。

2 1+X證書對技能學習評價的隱喻與實現途徑

2.1 1+X證書對技能學習評價的隱喻

在人才培養質量上，1+X證書制度的核心理念是強化復合型能力的培養，強調理實融合學習，蘊含了高質量職業教育訴求、強化綜合能力評測、強調學習者自主參與等學習評價隱喻。1+X證書制度強調的是強化和提高學習者自身的學習主觀能動性，學習者可以根據自身的學習前置情況和自身的職業規劃，自主選擇職業技能等級證書，并參加相關的學習，甚至是根據提供的考核要點和要求，自主地制定適合自己的學習路徑和學習計劃。

1+X證書制度評價的核心是以職業技能等級證書標準為依托的實踐性能力生成。基于此核心，在職業教育的評價價值取向方面，就強調教學實踐過程中，教學設計應該以真實任務為載體，教學目標是以考核評價學習者的知識轉化應用和在實際中的實踐能力，而非“本本主義”;在評價方法上，職業教育的評價方法設計應該是實際的工作場景中的任務和問題為導向，考核學生的現場問題解決能力和創新思維，而非“紙上談兵”;在評價組織上，應與行業或企業聯合，以行企業為主導組織形式進行評價考核，提高評價的真實性和客觀性;在評價內容上，內容的設計應該在專業和實際應用中把握好系統性和整體性，以達到學習者對知識架構的系統宏觀掌握，才能更好舉一反三，而非“碎片化”的學習。

2.2 1+X證書技能學習評價的實現途徑

在互聯網和信息技術的推動下，越來越多的智慧化、數據化學習空間被構建和運用起來。利用大數據和信息技術，把學習放置在智慧學習的環境中開展，對于教學者來說，可以利用大數據獲取學習者的學習情況并進行分析研究，從而改進教學設計和評價。對于學習者來說，可以實時獲取到自身的學習進度和學習反饋，從而調整學習計劃，提高學習效率，提高元認知策略效果。

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

3 1+X證書汽車類認證考核的特點與存在問題

3.1 當前汽車實訓教學場景和問題

基于工作現場的教師的演示，使用與實際工作崗位一致的設備和環境進行教學，學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，課堂方式的教學環境中是不可能給到學生這樣的學習體驗，學習的效果自然是非常有效的，實際上基于現場的教學在有工廠形成的時候就有了，只不過呈現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體系教學的概念。

目前的職業類學校大部分都建設了與實際工作崗位一致的理實一體化實訓室或區，學生可以在實際的工作環境中體驗到教師講解內容的必要性，并對畢業后從事的崗位有清晰的體驗和理解，但是學生畢竟是在進行學習階段的實操訓練，與現實中真正的從業人員，無論在工作安全生產意識和能力上，具有很大的差距，使得在實操訓練中具有很大的安全隱患。基于以上，總結關鍵的問題有三個。

（1）教師無法實時監控學生的分組訓練，即使只有三組學生，監控和糾錯操作技能的講解效率低;（2）學生分組訓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，導致學習興趣低下，甚至出現一些教師無法發現的學習心理問題。

這對教師如何進行實訓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教師的數量，但目前看來職業學院教師的數量和實際的招生人數相比，始終是跟不上的。

3.2 技能型學科的學習特點

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

4 基于視覺識別技術的1+X評價系統的設計

4.1 機器視覺識別技術

視覺系統通俗的理解就是使用計算機實現人類眼睛的功能并能自動控制設備，是一個利用顏色、形狀等信息來識別環境目標的復雜系統。通過一系列的識別技術手段對圖像進行準確采集，同時保證對外界變化的實時反應和運動目標的實時跟蹤。機器視覺系統由圖像的獲取、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在特征轉換成能被計算機處理的一系列數據，視覺信息的處理技術主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。經過這些處理后，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，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 基于視覺識別技術的1+X技能評價系統開發方案

本系統借助視覺識別的技術原理，設計一種能應用在技能學習和考核認證中的系統，以期解決原先需要教師不斷的點對點進行指導，導致工作量大，教學控場效率低，極容易出現安全事故的問題。系統以理實一體化課堂為空間，系統分為兩個平臺，一個平臺是教師機專用的上位機，另一個平臺是學生進行動力技能訓練的工位，整個系統的示意圖如下圖1所示：

如上圖1所示，第一個平臺A為教師機的區域，A區域配置有WIFI模塊，帶電腦的一體機電子白板、攝像頭，放置演示設備和配件等的工具柜。B1為學生的操作實訓區，本系統中B1區域是根據實際情況進行數量級的配置，本系統的設計以電動汽車高壓部件的拆裝實訓為例子設置為6個工位，分別為：（1）動力電池測試裝調工位;（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）電動汽車維護保養工位。

系統的工作流程和邏輯如圖2。

對學生操作的動作行為采集并進行智能判定和執行斷電報警等操作，是本系統的重點，如圖2所示，為了減少智能判斷的工控機的運算，創新采用標準的動作數據庫進行預比對，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據量和運算能力的保持，在發生事故的情況下才進行現場錄制，另外一個情況是，教師可以選擇是否進行錄制，以完成諸如實現考試等教學場景。

如前所述本系統功能，總結如下：

（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，解決傳統學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，還可以配合PPT進行原理講授，保留了教師最習慣的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的電子圍欄的設置，對禁止（也貼了警告標志）區域，比如高壓配電箱區域，易滑倒區域和含危險品（如汽油）等設置圖像劃線，一旦發現有人進入，則進行聲光報警并回傳圖像至平臺A;第二是當發現的學生動作行為與標準動作數據庫的相比產生過大的偏差，則斷開實訓設備或臺架的電源盒，實現產生電危害時的斷電處理，邏輯如下圖3（a）所示;第三是此系統不受任何實訓設備的限制，電源控制盒、攝像頭和WIFI收發器是獨立整合在一個移動設備上。

同時，平臺B1可以設置為學生動作評價的系統，學生操作結束后可直接評出操作成績，其中需要教師先輸入標準的動作行為數據，如圖3（b）所示。作為提高教師監控學生分組練習效率的輔助系統，保留了教師課進行設置和干預的功能，完成諸如實現單人多點，即一個裁判同時監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新人才項目（自然科學）（項目編號：2020KQNCX167）。

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