數位電腦繪圖學習評量系統
陳美君
新竹教育大學區域社會人文學系研究生
吳俊秀
苗栗縣立大西國中
摘要
本研究利用電腦評量系統發展出一套針對簡單繪畫訂定出一個客觀的評量系統，協助學生以電腦為輔助的學習方式，運用E-learning的方式加以回饋，並增加學生的學習興趣，也因應用現有的資訊科技，使得學習更具個別化、多元化，也使得教材的呈現必須活潑化、多樣化。
關鍵字：數位學習、電腦繪圖、影像處理
1.前言
1.1 研究動機
傳統教育著重以教師為中心、單向知識灌輸、講述式教學、以及以教科書為教學唯一內容的教學模式，在此一新時代教育改革中，是在學科或藝能科，都必須利用新的教學評量模式進行，但是反觀國內相關研究與應用均不普及，原因除了電腦的學習不易之外，國內仍受到升學壓力的影響也是一個很大的原因，因此在這一個條件之下，藝能科的電腦教學或評量在目前的環境下是較能夠實行的，但在藝術的領域中，美、醜、優、劣的評量標準也容易受到不同評分者而有所改變，有鑑於此，本研究利用電腦評量系統發展出一套針對簡單繪畫訂定出一個客觀的評量系統，協助學生以電腦為輔助的學習方式，運用E-learning的方式加以回饋，並增加學生的學習興趣，也因應現有的資訊科技，使得學習更具個別化、多元化，也使得教材的呈現必須活潑化、多樣化。
2. 影像處理技術
以電腦為媒材的電腦繪圖，所展現出的表現能力，也與以往的傳統技法上有全然不同的呈像方法，我們藉結合E-learning 上的學習，來呈現比較兩者不同，礙於時間關係僅討論部份題目作為此次的研究。以下為測試之圖形：擬訂電腦繪圖之測試題目: 大致上可以區分為幾種類型；填色，拼圖，移轉，線條，複製，以及其他等操作動作。
2.1區域成長法 (Region Growing)
像素或子區域根據預先定義的準則而聚合生長成更大區域的過程。基本的方法是從一個 “種子”
點集合出發，把與每個種子點有相同性質(例如 特定的色彩或灰階範圍)，的鄰近像素添加進來進行區域成長。也像以種子是做擴散找出區域的方法。其根據像素點的資訊來對影像做資料簡化的動作，空間位置相鄰且灰階度相近的像素可以被合併成同一區域，先將原始影像分析出許多的區域之後，再根據這些區域的空間分佈關係討論影像間的相似性，最後便可根據此空間分佈關係來完成辨識動作。
2.2電腦繪圖評量演算法
L03實戰電腦繪圖有附書籍以幫助兒童、青少年學習，其首創以歷史經典鉅著來導引學習電腦技能相關知識，並配合老師的帶領及家長的輔助學習，讓孩子能活用在日常生活當中，以下圖例皆來自。廣角多元化的題庫練習，充分提供老師們的教學素材。其測試內容包括：
•電腦基礎繪圖操作概念
•電腦色彩基礎常識
•小畫家的認識與操作
圖形評分來說，我們先採用區域成長法(Region Growing)處理後，作為圖形比較的基礎，圖片都事先經過RG的處裡過後取得該有的資訊(區域面積,及分出各不同區域…等) 再做比較。
填色例圖1：
“下圖是一個射擊靶場，請你依照它的記分標準為靶染上該區的顏色，由中心點算起越外圈分數越低。”
圖
填色例圖2：
“彩色恐龍被施了魔法，掉了牠所有的顏。請你幫牠重新染回去，利用圖下的色彩與工具。”
填色例圖3：
“請將下面各圖形內依序塗上顏色。
圖
填色比較上的問題，是針對使用者在填色時是否在對的區域填入對的顏色，所 以就填色的比較來說，就以原來的答案所給定的標準，跟使用者的圖形在該填 色區域是否符合標準答案來給分，所以在一張圖中，以答案(該填區域)中的所 有pixel及RGB值作為給分的依據，若該圖中有符合答案的區域上的pixel及 RGB值，則給分，未填或填錯色不給分，填在非給分區域上則扣分。
2.2 電腦繪圖舉例
(1)棒球球員
問題描述：此題是希望學童能夠將圖形上右邊的棒球員圖形做鏡像轉左右方向，使棒球員圖形能轉向左邊。
“少了一根筋的球員搞不清楚球來的方向，請你幫他轉向正確的方向。”
評分標準：
先將球員取出上下左右的界限點，產生一張最需比對的部份再進行比對。如果 user 上傳原圖，改都沒改，球員部份會差 2818個 pixels，不合超過 2818 個pixels 則為0分，小於2818個 pixels則依照所match，的吻合度百分比再乘以100為成績。改進的辭令:如user將棒球球員畫偏移目標位置S% 則會顯示“棒球球員距目標位置可再移近(100-S)%”，例如棒球球員所得的中心點位置分數是73分，則改進的辭令為“棒球球員距目標位置可再接近27%一點”。
標準正解：
(2) 彩虹
問題描述：此題是希望學童能夠在圖形上，利用題目圖提供的七種顏色，複製顏色，選擇工具並塗在既定的範圍內。
“放晴了，天邊出現了一到彩虹。請你將下圖中的彩虹，由上而下，
染上七種顏色：紅澄黃綠藍靛紫。”
評分標準：
以七色層的總Pixel數為分母，Match的Pixel為分子，再乘以100而得；另為有針對每一色層match的百分比提示給user。改進的辭令：如user將顏色部份畫偏移目標位置S%，則會顯示“顏色部份距目標位置可再移近(100-S)%”，例如紅色部份所得的中心點位置分數是73分，則改進的辭令為“紅色部份位置距目標位置可再接近27%一點”；若著色範圍有超出彩虹每條顏色邊緣部份，則會給予提醒建議”著色請勿超出每條顏色邊緣部份！”。
標準正解：
3.1 實施練習課程
由於本研究所探討的目的是：學童使用數位學習與練習平台練習前後對其電腦繪圖軟體操作能力的比較。因此在實驗開始之前，對實驗所使用軟體的工具PAINTER(小畫家)做使用說明與練習，包括如何畫直線、調整筆的粗細、畫面的放大縮小、圈選移動、填色...等，與一些基本的操作指令，如復原、存取等。
本研究所設計並實做之電腦繪圖評量系統使用cpu架設，練習課程時間自九十四年十月四日至九十四年十月十四日間，本研究的研究對象，分兩個星期練習使用PAINTER軟體。學習的主題焦點在於對電腦繪圖軟體軟體工具的使用有一定程度的熟悉，以確定研究對象能夠使用繪圖工具。
而在練習課程之後，本研究於九十四年十月十七日與十九日分別對兩都會區國民小學的四個小六班級－北市A(34人)、北市B(35人)及新竹A(37人)及新竹B(35人)，實施上機練習課程，以使學童具備基本電腦繪圖軟體PAINTER的操作能力。
第二星期實施第二次課程。每人一機操作練習，課程約進行五十分鐘。主要內容是十五分鐘示範深入之影像翻轉/旋轉、延展/扭曲、色彩編輯...等功能；練習活動三十五分鐘學童自由繪製二個幾何圖形，可以隨時提問，並儲存於磁片中。於第二次課程中，北市A(34人)全部學童都能畫二個簡單的幾何圖形，並上色；北市B(35人)有一個學童沒畫出二個簡單的幾何圖形，其他學童都能畫二個簡單的幾何圖形，並上色；新竹A(37人)全部學童都能畫二個簡單的幾何圖形，並上色、新竹B(35人)也是全部學童都能畫二個簡單的幾何圖形，並上色。
3.2 施行調查性預試
本研究於正式實驗前即實施調查性預試，預試的時間分別為九十四年十月十九日及九十四年十月二十一日兩天，分別對北市及新竹市兩都會區國民小學的四個小六班級－北市A(34人)、北市B(35人)及新竹A(37人)及新竹B(35人)，實施上機預測。預試的結果，用來檢視研究對象在使用我們實做的電腦繪圖能力評量系統前，對於使用電腦繪圖軟體PAINTER的能力與程度。
(1)預試的場地與佈置
在台北的實驗，在電腦教室進行，北市A及北市B研究對象均使用電腦繪圖軟體PAINTER。電腦教室則是一人一機，實施過程中，一台出現電腦當機及一台電腦出現網路不通的問題，研究員採立即跟換硬體的措施，以使測試活動能順利進行。活動結束後，協調校內資訊組長進行電腦硬體的維護，並更換不適宜活動使用的週邊設備，以確定正式測試時的順利性。
在新竹的實驗，亦在電腦教室進行，新竹A及新竹B研究對象均使用電腦繪圖軟體PAINTER。電腦教室亦是一人一機，實施過程出現一個滑鼠有損壞的情形，研究員採立即跟換硬體的措施，以使測試活動能順利進行。活動結束後，協調校內資訊組長進行電腦硬體的維護，並更換不適宜活動使用的週邊設備，以確定正式測試時的順利性。
(2)實施時間
時間以三十分鐘完成測試為原則，評量軟體會自動倒數計時三十分鐘，時間一到系統立即跳出測驗畫面。
(3)硬體工具
本研究中，學童連上的電腦繪圖評量系統的伺服器是Pentium CPU
(4)電腦繪圖工具
本研究所使用的軟體是小畫家繪圖軟體(Paint)。軟體是由微軟(MicroSoft，MS)的作業軟體Windows內建的小畫家(Paint)，屬於點陣圖的軟體，其特色就是能夠在電腦中模擬一般傳統繪畫工具所呈現的筆觸和質感。小畫家提供一般常用的工具，如影像翻轉/旋轉、延展/扭曲、色彩對換、屬性、不透明處理、編輯色彩...等基本功能。
(5)資料處理
本研究總計進行上機操作與資料分析兩種資料的統計分析。試題填色，拼圖，移轉，線條，複製，以及其他電腦繪圖軟體操作動作，經由本研究電腦繪圖評量演算法所得成績數值資料，輸入電腦，並進行計算統計及分析的工作。
本研究涉及敘述統計學（Descriptive Statistics），茲說明如下：
(1)百分比統計(percentile rank)
利用百分比統計來了解研究問題：學童使用電腦與傳統媒材進行彩畫時，其所費時間是否有所差異? 其創作心得為何?學童使用電腦與傳統媒材進行彩畫時，其對表現結果的喜好是否有差異? 學童使用電腦與傳統媒材進行彩畫時，其美術元素的表現形式有哪些?
(2)算數平均數(mean)
利用算數平均數來了解研究問題：學童使用電腦與傳統媒材進行彩畫時，其對兩種媒材的使用態度是否有差異? 學童使用電腦與傳統媒材進行彩畫時，其所費平均時間是否有所差異?
實驗組為北市A及新竹A(將會使用本電腦繪圖評量系統上機練習；再實施中華民國電腦技能基金會之基本資訊能力測驗(Primary Information Competency，簡稱PIC)中的L03實戰電腦繪圖)、對照組為北市B及新竹B並未事先經過本電腦繪圖評量系統上機練習；直接實施中華民國電腦技能基金會之基本資訊能力測驗(Primary Information Competency，簡稱PIC)中的L03實戰電腦繪圖)。
3.3 討論一
關於本研究的第一個研究問題”如何設計一套自我學習評量系統以有效增加學生實際上機電腦繪圖測試的實力？”，由於本研究對每一種電腦繪圖題型設計不同的評分演算法並實作實現，並供小學學童上機實際練習；由此可驗證本研究所設計並實作之電腦繪圖評量系統的確可供小學學童在參加認證考試前，事先熟析考試題型並充分練習，以其了解並善用電腦繪圖軟體。
3.4 討論二
本研究的第二個研究問題” 台北縣與新竹市兩都會區小學，六年級學生在有無預先上機練習電腦繪圖習題情形下，是否有成績上之差異？”，由附錄的數據可以了解，台北縣與新竹市兩都會區小學，六年級學生有預先上機練習電腦繪圖習題情形下，成績有顯著地提升。
統計方法如下：
區間人數百分比 = 區間人數 / 該班級人數
Ex. 實驗組中，組別”北市A”在區間分數”
70~
2/ 34 = 0.0588253…(四捨五入至小數第三位) => 0.059 = 5.9%
總分 = Σ(每一區間分數 x 每一區間人數)
Ex. (95 x 0 ) + (85 x 0) + (75 x 2) + (65 x 7) + (55 x 9) + (45 x 8) + (35 x 5) + (25 x 2) + (15 x 2) + (5 x 0) = 1715
平均分數 =Σ(每一區間分數 x 每一區間人數) /該班級人數
Ex. 〔(95 x 0 ) + (85 x 0) + (75 x 2) + (65 x 7) + (55 x 9) + (45 x 8) + (35 x 5) + (25 x 2) + (15 x 2) + (5 x 0)〕/ 34 = 50.4…(四捨五入至個位) =>50
4. 實驗結果
以下為本研究所得數據之比較圖:
|
題型 |
實驗組 |
對照組 |
|||
|
|
北市A(34人) |
新竹A(37人) |
北市B(35人) |
新竹B(35人) |
|
|
1.棒球球員 |
前 |
50 |
48.24 |
39 |
43.57 |
|
後 |
62.94 |
55.95 |
48.29 |
35.71 |
|
|
2.阿呆鏡中的臉 |
前 |
46.18 |
44.73 |
45.86 |
43 |
|
後 |
62.65 |
62.16 |
48.71 |
45 |
|
|
3.紅綠燈填色 |
前 |
52.65 |
51.62 |
48.14 |
48.71 |
|
後 |
67.94 |
68.24 |
52.14 |
51.57 |
|
|
4.擦藍色星星 |
前 |
47.65 |
44.86 |
47 |
44.14 |
|
後 |
62.35 |
60.41 |
49 |
45.43 |
|
|
5.自治市長 |
前 |
49.41 |
51.49 |
51.71 |
47.86 |
|
後 |
66.76 |
70.41 |
52.43 |
52.14 |
|
|
6.彩虹 |
前 |
47.65 |
46.35 |
47.57 |
47.29 |
|
後 |
64.41 |
61.89 |
49.14 |
49.29 |
|
|
7.塗滿紅心 |
前 |
50.88 |
51.49 |
51.57 |
51.57 |
|
後 |
59.85 |
65.81 |
54.43 |
52.71 |
|
|
8.邱比特箭 |
前 |
46.47 |
47.72 |
45.57 |
42.71 |
|
後 |
64.12 |
64.19 |
47.57 |
43.57 |
|
|
9.斜對角畫線 |
前 |
48.82 |
54.46 |
51 |
50.14 |
|
後 |
62.94 |
70.95 |
53.65 |
53 |
|
5. 結論
本研究主要是欲開發一套繪畫評量系統，運用數位學習以及影像處理技術運用在其中，使得本套評量系統可以建立在電腦化、客觀化的基礎之上，期能應用在電腦繪圖上，且能達到使學生自我練習與自我進步的效果。在研究的過程之中，發現了一些疑問，但同時也得到了許多的啟示，本章就針對研究結果歸納出結論，並提出研究上的問題與限制，以供未來其他的研究者做為參考。
在傳統的電腦繪圖評量方式之中，對於評分往往沒有一定的標準，評分的高低大多是依據教師的喜好或經驗進行評分，甚至參雜了個人的主觀因素在其中，也因為評分上的不公平而導致學生們在學習的時候無一定之準則，造成無所適從的情況，進而影響到學生們學習的興趣與努力；本研究發展電腦繪圖評分系統是利用客觀評量方式，來分析學生們的電腦繪圖情形，利用系統評定出的分數不但可信度高，且較於一般傳統式教學老師的評分上來的有客觀性，同時也增加了學生們學習的興趣，從研究的結果中也可以清楚的發現，利用本套教學與評量系統，可以使學生在練習繪畫技巧上有很大的幫助；此外，從教師的角度來發展出此套電腦繪圖評量系統，經過實證的資料顯示在電腦繪圖的教學上是具有實際應用的效果。本研究的結論如下：
1、客觀的評分性：藝能科與學科評量不同，學科往往具有固定型態的答案，而藝能科的評分通常是依據教師的主觀或經驗性進行評量，較不容易標準化，故本研究發展出一套電腦繪圖評分系統來進行藝能科的評量得到相當好的效果。
2、便利的評分性：在國小的電腦繪圖評分上，老師往往只給一個總體結果的評分，此套電腦繪圖評分系統會立即給予互動式的評分，這使學生不僅在練習時可以獲得立即性的回饋，一方面練習時可以做修正，另一方面可以增加學生的學習興趣，且在學習上也可以不受到地點或時間的約束，相當符合E-learning的個別學習精神。
參考文獻
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