[发明专利]一种物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判系统及方法

说明书

本发明提供了一种物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判系统及方法，属于理化实验操作考试自动评判技术领域；解决了物理凸透镜成像实验操作难以在不同物距下进行自动评判的问题；包括终端系统和服务器系统，终端系统包括由非线性光学传感器阵列组成的成像光屏，成像光屏包括光学传感器阵列采集模块、信号处理模块和无线发送模块，服务器系统包括无线接收模块、成像特征模块和自动评判模块；服务器系统接收成像图像数据，通过成像特征模块对采集的成像图像数据进行分析，判断其位于成像光屏的哪个区域，并与标准正确操作数据和典型错误操作数据进行对比，通过自动评判模块中的置信度对学生实验操作进行评判；本发明应用于物理凸透镜实验操作。

技术领域

本发明提供了一种物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判系统及方法，属于实验操作自动评判技术领域。

背景技术

理化实验操作考试能够衡量考生的动手实践能力，检验考生的理论知识，被广泛的应用在初中考试中。而凸透镜成像实验作为中学物理实验考察的一部分，有利于加深学生对光学现象的进一步理解。学生实验操作技能考试需要对学生实验行为进行量化测量与评价，量化测量与评价的前提是能够正确判断学生实验操作是否正确。

理化生实验操作考核中，传统的人工评判方法实施存在耗费大量人力物力，存在不可避免的人为因素，带来较大的评分结果不公正，造成矛盾争论。研究自动评判模型有利于实现考试的规范性、科学性、系统性。自动评判模型的关键问题就是要解决自动评判方法客观准确。自动评判的方法前提是能够正确识别实验过程正确操作和错误操作。物理凸透镜成像实验操作中体现学生实验技能重要操作是调整物距，观察凸透镜成像规律。随着卷积神经网络在图像分类识别等任务中的成功应用，采用深度学习进行实验器材和实验现象识别得到了很好的应用。但物理凸透镜成像实验操作识别需要能够正确识别不同物距情况下成像现象，但不同物距情况下成像现象受光线影响较大，物距差别较小时，成像差别较小，较难通过深度学习方法正确识别不同物距情况下成像。

发明内容

本发明为了解决物理凸透镜成像实验操作难以在不同物距下进行自动评判的问题，提出了一种物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判系统，包括终端系统和服务器系统，所述终端系统包括由非线性光学传感器阵列组成的成像光屏，所述成像光屏包括光学传感器阵列采集模块、信号处理模块和无线发送模块，所述服务器系统包括无线接收模块、成像特征模块和自动评判模块，所述光学传感器阵列采集模块用于采集不同背景环境、不同物距情况下凸透镜成像实验中上的成像图像数据，将采集的成像图像数据发送至信号处理模块进行信号处理，之后通过无线发送模块发送至服务器系统；

所述成像光屏分为成像核心区域、成像临近区域和成像边缘区域，成像核心区域为正确实验操作情况下凸透镜成像主要区域，成像临近区域为靠近成像核心区域部分，成像边缘区域为正确实验操作情况下凸透镜成像较少区域；

所述服务器系统通过无线接收模块接收成像图像数据，通过成像特征模块对采集的成像图像数据进行分析，判断其位于成像光屏的哪个区域，并与标准正确操作数据和典型错误操作数据进行对比，最后通过自动评判模块中的置信度对学生实验操作进行评判。

所述成像光屏上每个区域传感器节点布置采用非均匀方式，其中成像核心区域采用密集方式布置光学传感器节点，成像边缘区域采用稀疏方式布置光学传感器节点，成像临近区域采用较稀疏方式布置光学传感器节点。

所述信号处理模块包括模数转换电路和单片机控制模块和电源模块，所述电源模块一部分是为模数转换电路供电，另一部分为单片机控制模块供电，整个系统由锂电池供电。

所述成像特征模块内置有在不同背景环境下、不同物距下凸透镜成像实验的正确操作成像特征以及典型错误操作成像特征数据。

一种物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判方法，采用物理凸透镜成像实验操作考试的自动评判系统，包括如下步骤：