一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法技术

本发明专利技术提供了一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法，属于理化实验操作自动评判技术领域；解决了现有实验操作自动评判方法由于实验项目多评判难得问题；包括如下步骤：分析理化实验操作考试的评分细则；通过摄像装置对物理化学实验操作正确得分过程和失分过程进行视频采集，得到实验操作数据集；根据不同理化实验操作考试评分细则的每个得分点和失分点要求，将得分点和失分点映射为基于深度学习网络识别实验器材和学生动作的实验操作自动评判模型；通过实验操作数据集对实验操作自动评判模型进行训练；根据训练好的实验操作自动评判模型对实验人的实验操作进行自动评判，给出理化实验操作自动评判结果；本发明专利技术应用于理化实验自动评分。用于理化实验自动评分。用于理化实验自动评分。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法


[0001]本专利技术提供了一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法，属于理化实验操作自动评判


技术介绍

[0002]推行学生实验操作考试，强化学生实践操作是教育教学改革进程中学生素质教育的要求。实验操作技能考试的特殊性决定了其信度和效率不仅与试题的质量、评分标准的科学合理性密切相关，而且离不开评分方法的精准度和可靠性。为保障实验操作技能考试精准度和可靠性，需要对学生实验行为进行量化测量与评价。
[0003]实验操作考试评判通常有基于操作结果和基于操作步骤（也称操作序列）两种方法。基于操作结果评判缺乏对学习者实验操作过程性的考核，难以全面反映学生是否真正掌握实验操作技能。基于操作步骤评判需要把过程测评和结果测评结合起来，既考察学生的实验操作过程，又考察学生的实验结果，评价其操作过程是否正确和操作结果是否良好。基于操作步骤评判能体现学生的实验技能，但由于学生人数较多，传统的人工评判方法实施的代价太大。而通过自动测评方法记录学生的操作过程和操作结果来考核学习者的实验操作技能，这种考核方式可以避免人工评分的缺陷，保证考核的相对客观和公正。自动测评的关键问题就是要解决自动评判方法客观准确。但由于实验项目多，操作方法多样性和操作前后顺序的可对调，高效、真实地反映考生实际操作的自动评判方法难度较大。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有实验操作自动评判方法由于实验项目多评判难得问题，提出了一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法。/>[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法，包括如下步骤：步骤一、分析理化实验操作考试的评分细则，得到理化实验操作考试的评分细则的每个得分点和失分点包含的实验器材和实验动作；步骤二、通过摄像装置对实验人完成的物理化学实验操作正确得分过程和失分过程进行视频采集，对理化实验得分操作和失分操作的实验视频进行稀疏等时间间隔采样，获得一系列实验结果图片，作为实验操作数据集；步骤三、根据不同理化实验操作考试评分细则的每个得分点和失分点要求，将得分点和失分点映射为基于深度学习网络识别实验器材和学生动作的实验操作自动评判模型，建立5类实验操作自动评判模型，分别为：（1）通过实验器材识别结果建立第1类实验操作自动评判模型；（2）通过实验器材识别结果及其空间位置关系建立第2类实验操作自动评判模型；（3）通过实验器材识别结果及其空间位置关系和实验动作识别建立第3类实验操作自动评判模型；
（4）通过实验器材识别结果及其空间位置关系和实验操作发生的时间序列建立第4类实验操作自动评判模型；（5）通过实验器材识别结果及其空间位置关系和实验操作发生的时间序列和实验动作识别建立第5类实验操作自动评判模型；步骤四、通过实验操作数据集对上述5类实验操作自动评判模型进行训练，通过已经训练好的实验操作自动评判模型对实验人的实验结果图片进行识别，识别出实验人的物理化学实验操作实验器材及实验器材的空间位置、实验动作，并记录实验操作时间点；步骤五、根据上述5类实验操作自动评判模型对实验人的实验操作进行自动评判，给出理化实验操作自动评判结果。
[0006]所述步骤二中通过摄像装置对实验人完成的物理化学实验操作正确得分过程和失分过程进行视频采集，得到包含各实验器材和实验动作的图片，采样得到的包含所有各实验器材和实验动作图片构成实验操作数据集，所述实验操作数据集包括实验操作训练数据集和实验操作验证数据集；利用图像标定工具软件对实验操作数据集进行标注，标注得分过程和失分过程实验操作所用到的实验器材和实验动作，标注内容包括实验器材名称、实验器材中心坐标、实验器材长、宽和实验动作，得到实验操作信息标签数据集，所述实验操作信息标签数据集包括实验操作信息标签训练数据集和实验操作信息标签验证数据集。
[0007]所述步骤三中通过实验操作训练数据集和实验操作信息标签训练数据集对采用深度学习网络YOLOv5构建的5类实验操作自动评判模型进行模型训练，用实验操作验证数据集和实验操作信息标签验证数据集对训练好的5类实验操作自动评判模型进行验证，得到的5类实验操作自动评判模型能够正确识别实验器材、实验器材的中心坐标、实验器材的长和宽和实验动作。
[0008]所述第1类实验操作自动评判模型根据实验操作得分或失分要点为是否正确使用某一实验器材进行构建，如果实验操作图片中能够检测到实验器材，当上述实验操作为得分点时，则实验操作正确，评分进行得分；当上述实验操作为失分点时，则实验操作错误，评分进行扣分。
[0009]所述第2类实验操作自动评判模型根据实验操作得分或失分要点为实验步骤用到多个实验器材，且实验器材位置有空间逻辑关系进行构建，如果实验操作图片中能够正确识别实验器材以及它们的空间位置关系，当上述实验操作为得分点时，则实验操作正确，评分进行得分；当上述实验操作为失分点时，则实验操作错误，评分进行扣分。
[0010]所述第3类实验操作自动评判模型根据实验操作得分或失分要点为学生操作某一实验步骤，且用到多个实验器材，且实验器材位置有空间逻辑关系进行构建，如果实验操作图片中能够正确识别到实验器材、实验器材空间位置关系和学生动作完成，当上述实验操作为得分点时，则实验操作正确，评分进行得分；当上述实验操作为失分点时，则实验操作错误，评分进行扣分。
[0011]所述第4类实验操作自动评判模型根据实验操作得分或失分要点为实验步骤用到多个实验器材，且实验器材位置有空间逻辑关系和时间前后关系进行构建，如果实验操作图片中能够正确识别到某一段时间序列下实验器材及其空间位置关系，当上述实验操作为得分点时，则实验操作正确，评分进行得分；当上述实验操作为失分点时，则实验操作错误，
评分进行扣分。
[0012]所述第5类实验操作自动评判模型根据实验操作得分或失分要点为学生操作某一实验步骤，用到多个实验器材，且实验器材位置有空间逻辑关系和时间前后关系进行构建，如果实验操作图片中能够正确识别到某一段时间序列实验器材、实验器材空间位置关系和学生动作，当上述实验操作为得分点时，则实验操作正确，评分进行得分；当上述实验操作为失分点时，则实验操作错误，评分进行扣分。
[0013]本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：本专利技术通过对理化生实操考试的评分细则进行分析，将理化生实操考试的评分细则的得分点和失分点映射为通过深度学习网络实现快速有效识别实验器材及其状态和学生动作识别的5类实验操作自动评判模型。然后根据不同类型实验操作进行归纳总结，分别建立适用于不同实验项目和操作方法的实验操作自动评判模型。此实验操作自动评判模型能真实地反映考生实际操作，自动评判方法客观准确。
附图说明
[0014]下面结合附图对本专利技术做进一步说明：图1为本专利技术方法的流程图。
具体实施方式
[0015]本专利技术通过分析理化实验操作考试的评分细则，将理化实验操作考试评分细则的每个得分点和失分点包含的实验器材和实验动作映射为实验本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分析理化实验操作考试的评分细则，得到理化实验操作考试的评分细则的每个得分点和失分点包含的实验器材和实验动作；步骤二、通过摄像装置对实验人完成的物理化学实验操作正确得分过程和失分过程进行视频采集，对理化实验得分操作和失分操作的实验视频进行稀疏等时间间隔采样，获得一系列实验结果图片，作为实验操作数据集；步骤三、根据不同理化实验操作考试评分细则的每个得分点和失分点要求，将得分点和失分点映射为基于深度学习网络识别实验器材和学生动作的实验操作自动评判模型，建立5类实验操作自动评判模型，分别为：（1）通过实验器材识别结果建立第1类实验操作自动评判模型；（2）通过实验器材识别结果及其空间位置关系建立第2类实验操作自动评判模型；（3）通过实验器材识别结果及其空间位置关系和实验动作识别建立第3类实验操作自动评判模型；（4）通过实验器材识别结果及其空间位置关系和实验操作发生的时间序列建立第4类实验操作自动评判模型；（5）通过实验器材识别结果及其空间位置关系和实验操作发生的时间序列和实验动作识别建立第5类实验操作自动评判模型；步骤四、通过实验操作数据集对上述5类实验操作自动评判模型进行训练，通过已经训练好的实验操作自动评判模型对实验人的实验结果图片进行识别，识别出实验人的物理化学实验操作实验器材及实验器材的空间位置、实验动作，并记录实验操作时间点；步骤五、根据上述5类实验操作自动评判模型对实验人的实验操作进行自动评判，给出理化实验操作自动评判结果。2.根据权利要求1所述的一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤二中通过摄像装置对实验人完成的物理化学实验操作正确得分过程和失分过程进行视频采集，得到包含各实验器材和实验动作的图片，采样得到的包含所有各实验器材和实验动作图片构成实验操作数据集，所述实验操作数据集包括实验操作训练数据集和实验操作验证数据集；利用图像标定工具软件对实验操作数据集进行标注，标注得分过程和失分过程实验操作所用到的实验器材和实验动作，标注内容包括实验器材名称、实验器材中心坐标、实验器材长、宽和实验动作，得到实验操作信息标签数据集，所述实验操作信息标签数据集包括实验操作信息标签训练数据集和实验操作信息标签验证数据集。3.根据权利要求2所述的一种基于时空特征的理化实验操作自动评判方法，其特征在于：所述步骤三中通过实验操作训练数据集和实验操作信息标签训练数据集对采用深度学习网络YOLOv5构建的5类实验操作自动评判模型进行模型训练...

【专利技术属性】
技术研发人员：李付江，李瑞莲，杜宇，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：