大数据引领下利用图像识别实现课堂作业数字化测评

史鸣峰+陈楠+诸杰

摘 要 应用大数据思想与传统教学思想，通过编程技术、应用数字化手段实现传统数据电子化、大数据化，通过大数据方法分析数据，使得课堂的有效性、作业的针对性极大增强，实现信息技术与课堂教学真正融合。

关键词 大数据；数字化测评系统；图像识别

中图分类号：G434 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）23-0019-03

1 数字化测评系统使用概况

近年来数字技术高速发展，计算机和手机已经普及到各个层面，计算机数字化测评系统已经推广到各个地区；江苏省信息技术考试十多年前就采用数字化方式考试，近期大学四六级考试也提出无纸化数字化考试。

2 苏南地区中小学数字化测评实际使用情况

笔者所在地区属于经济发达地区，计算机网络进入学校也有近20年，数字化考试测评进入校园也有近10年；笔者所在地区千兆校园网，百兆链接进教室，部分学校高价采购数字化测评系统，但是一线教师很少使用数字化方式来组织测评，很少使用数字化方式来管理教学。这一现象应引起人们的关注。主要有以下几个问题。

广大教师时间紧张 基层教师主要任务是教学，备课、上课、批改作业要占据大量时间，在平常课堂采用数字化方式测评要安排学生上机等，在这样的实际情况下，耗时多、不符合教师使用习惯的测评系统只能被束之高阁。

产品功能适应性不足 市面上数字化测评系统大多是综合测评，没有针对课堂的练习测评，而广大基层一线教师更加需要针对一课一练的数字化测评系统。

学生没有时间 中小学尤其是高中学生要应对高考，没有时间利用计算机完成数字化测评；从小学到大学也没有利用计算机进行完成作业的习惯。

3 大数据引领、图像识别实现课堂作业数字化

笔者对数字化课堂测评系统定义 基层教师依据上课思路，在课堂前、中、后实施数字化的测评作业；使课堂习题与处理结果数字化，形成大数据化，在大数据形成过程中产生数据的使用价值、并及时反馈；教师依据反馈，实施针对性教学。

核心问题：如何实现课堂练习数字化，如何形成学生学习情况大数据？成本如何 笔者在不改变学生与教师作业习惯的前提下，利用高速扫描仪把学生作业图像化、图像数据数字化，数字化作业大数据处理，从而实现本系统。

本系统处理流程（图1）及优点

1）学生完成各个学科学案形式的A4纸张型练习，并以班级为单位收缴到相应教师处。这完全没有改变学生的作业习惯。

2）教师把上交的作业进行纸张批改，接着利用年级提供的高速扫描仪扫描批改后的作业，扫描时间大约5分钟，实现作业图像化；因为教师是批改纸张型作业，完全没有改变教师习惯，并且对于选择与判断题教师不必批改，教师只需批改论述型大题，大大降低批阅时间。

3）利用图像技术识别A4纸张型作业，提取练习中的学生信息、试卷信息、作业批改信息。

4）利用大数据的统计分析方法处理作业信息，得出哪些题错误率高、哪些学生具有共性问题，从而有针对性地上好下一节课或进行课后辅导。

5）对于学生情况利用大数据分析本学期或者较长一段时间的作业情况，分析知识漏洞；而且学生可以把自己入学以来的错题都打印下来，形成自己的错题本；这样的分析与传统教学是一致的，并更加省时省力、分析更加到位。

4 本课题的核心突破

如何低成本获取学生作业测评图像 现在光电信息的发展，高速A4型号扫描仪单价3000元左右，成本不高，扫描速度每分钟20张A4纸。对扫描后的图像进行二值化处理变成黑白图像，并用jpge压缩技术，得到100 dpi的测评图像大约0.1 M，彩色的大约0.3 M。

如何提取作业标题信息与学生信息 高考等考试学生信息采用条形码与填图标记，占用空间尤其填图标记所占空间太大；笔者系统对于作业标题与学生信息采用二维码，二维码中直接包含班级、姓名、学籍号，即使该名学生升入高年级而重新分班也可以采用学籍号检索信息。图2左侧二维码表示“高一（2）班 扬帆2015001001”，图2右侧二维码表示“牛顿运动定律综合运用（二）”。

如何自动批改选择题与论述题

1）调准倾斜扫描图像。利用扫描得到的二值化图像，再利用图像最上端两个圆形标记进行定位（图2），数学上利用hough变换检测圆，得到两个圆的圆心像素坐标（x1，y1）与（x2，y2），从而计算纸张扫描图像倾角tanθ=（y2-y1）/（x2-x1），若倾角小于1度则图像不调准；若倾角大于1度小于10°，则利用倾角关系，对每个扫描像素点进行函数变换得到新的扫描图像；若图像倾角大于10°，则提示重新扫描。

2）对调准后的图像检测方形标记坐标。如图2中，方形标记坐标大体上代表选择题答题区与论述题得分区，得到方形标记则得到了答案填写处的坐标区域。

把调准后的图像（图2）进行裁剪成左中右三部分：左右两侧区都为两个方形标记，中间为试题区；对左右侧方形标记区的图像进行横向投影与纵向投影，横向投影可以取得两个方形标记的y方向坐标，纵向投影取得方形标记的x方向坐标；具体投影方法如图3所示：黑色图像点为

“1”，白色图像点为“0”，数字化后得到图3中最后的二进制数据，有连续“1”的出现则为黑色图块部分，通过读取二进制数据，利用中值法得到连续“1”的中间数字坐标即为黑色标记图块的x方向坐标；y方向坐标处理方法相类似。

3）批改选择题。利用左右两侧方形标记坐标，扫描两个方形标记间的[A][B][C][D]选项，并与标准答案（标准答案由试卷二维码扫描，根据二维码得到对应的练习答案）对比得到对错情况。扫描[A][B][C][D]时，采用图像像素统计法，若[A]选项被涂40%像素认为学生选择了该选项，所以都是正确的，这样不会妨害学生的填图习惯，有较高容错性。

4）批改论述题或计算题。我们采用的是教师先批改后扫描的方式，论述题是任课教师批改的，同时通过扫描得到论述题上方的答题标记与得分格子批改情况，教师批阅分值时在对应的格子上打个钩与往常一样；通过比较各个得分格子，最终得到学生得分并计入学生对应得分数据库（图4）；null代表为论述题，只有得分。

如何存储作业测评文件同时快速检索到学生以往的作业数据 把调准好倾角的二值化图像数据的论述题部分以彩色jpg格式压缩并计算机自动化保存为文件，文件名命名为“学籍号-作业信息-題号.jpg”，如“2015001001-2015000301-2.jpg”；这样很容易检索到某个学生某次作业的情况；在这儿文件没有存储到关系型数据库，而采用大数据的形式，文件名便是检索关键字。

利用数据库技术检索完成测评统计、辅助学校管理 根据图4，能很容易得到单个学生的历次作业情况，可以把历次的错误题目都统计并打印出错题本供学生参考；根据图4也能统计出同一次作业的各个小题情况，从而有针对地讲解或个别辅导；学校管理者也可以统计出那个教师出了哪些试卷，评估教师的教学水平是传统题海方式还是着眼于能力培养。

5 总结

笔者的测评系统能在不改变广大师生学习习惯与教学习惯的前提下，实现客观题自动批阅，主观题教师批阅即时产生数字化记录，从而形成学生课堂作业的测评；并根据测评数据，应用大数据分析，实现每个学生的各次作业的记录与每次作业不同学生的统计，从而让教师快速了解学生，让学校了解教师，有利于提高教学效率和质量，改进教学管理。

参考文献

[1]孙燮华.数字图像处理：Java编程与实验[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]刘洪江.在线考试系统的数据库设计与实现[J].电脑知识与技术，2012（3）：508-511.

[3]马振.数据挖掘在银行中应用[J].电脑知识与技术，2016（15）.

[4]史鸣峰.利用信息技术实现课堂化电子测评系统[J].中国教育信息化，2013（19）：84-88.