基于人工智能的課堂教學(xué)分析

賈瀛

摘 要：2019年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》中提出：加快信息化時代教育變革。建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺。利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革，實現(xiàn)規(guī)模化教育與個性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。創(chuàng)新教育服務(wù)業(yè)態(tài)，建立數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制，完善利益分配機(jī)制、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度和新型教育服務(wù)監(jiān)管制度。推進(jìn)教育治理方式變革，加快形成現(xiàn)代化的教育管理與監(jiān)測體系，推進(jìn)管理精準(zhǔn)化和決策科學(xué)化。

關(guān)鍵詞：人工智能;智能化校園;智能化教學(xué)

一、傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的問題：

1.1教學(xué)研究方式傳統(tǒng)單一

課堂是教學(xué)研究中的一個重要場景，而課堂教學(xué)分析是優(yōu)化學(xué)校教研方式、提高課堂教學(xué)實效的有效途徑之一。當(dāng)前，教學(xué)管理人員或研究者對教師的教學(xué)過程檢查和研究多數(shù)停留在審核教案和例行教學(xué)觀摩上，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況檢查多數(shù)停留在考試和隨堂測驗上。隨著課程改革的不斷深入，傳統(tǒng)教學(xué)評價與分析方式勢必要進(jìn)行革新。需考慮如何將教育研究的范圍延伸到教室，進(jìn)行深入的課堂教學(xué)分析，以“微觀”的模式研究教室內(nèi)教師教學(xué)狀態(tài)、學(xué)生聽課情況、師生互動情形，成為教學(xué)研究的重要方式。另一方面，傳統(tǒng)的教學(xué)研究中，教學(xué)管理人員主要憑借經(jīng)驗及少數(shù)課堂觀察樣本對教師的教學(xué)情況及學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行評價，缺乏客觀的多維數(shù)據(jù)作為參考，這種方式往往主觀性較強(qiáng)且無法全面反映整體教學(xué)情況。

1.2教學(xué)質(zhì)量評估人工成本高，個性化程度低

目前，對于教師的教學(xué)質(zhì)量評估一般采取聽評課的方式，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評估多數(shù)采用考試的方式，教學(xué)質(zhì)量評估周期短則1-2周，長則1-2個月，不僅周期長而且人工成本高，更重要的是教學(xué)管理者無法及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題并采取針對性解決措施。另一方面，教學(xué)反饋不及時直接影響個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)，無法很好地達(dá)到教學(xué)質(zhì)量評估為提高教學(xué)質(zhì)量及發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)生學(xué)習(xí)問題的根本目的。

1.3教學(xué)視頻缺乏深入分析

課堂視頻正趨于普及和常態(tài)化，但教師和教研人員對于課堂視頻的使用仍停留在人工選取樣本觀看及記錄所需信息的方式，視頻對于教學(xué)的價值尚未得到深層次的挖掘。另一方面，視頻屬于非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，不便于進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分析和挖掘使用，因此如何對教學(xué)視頻進(jìn)行深入分析并充分挖掘教學(xué)視頻中的價值成為教學(xué)管理者和教師面臨的難題。

1.4課堂觀察方式難以聚焦和深入到常態(tài)化教學(xué)中

課堂觀察是對課堂的運行狀況進(jìn)行記錄、分析和研究，在此基礎(chǔ)上謀求學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的改善和促進(jìn)教師發(fā)展的專業(yè)活動。傳統(tǒng)的課堂觀察難以聚焦和深入到師生的常態(tài)化教學(xué)中，所觀察的結(jié)果對師生發(fā)展的促進(jìn)效果無法充分體現(xiàn)。

二、基于人工智能課堂的需求分析：

2.1 業(yè)務(wù)需求

2.1.1 以全方位細(xì)粒度的課堂教學(xué)分析促進(jìn)數(shù)據(jù)驅(qū)動精準(zhǔn)教學(xué)

以課堂教學(xué)視頻為基礎(chǔ)，將前沿的人工智能技術(shù)與學(xué)校教學(xué)場景深度融合，對課堂教學(xué)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和深度挖掘，幫助教師掌握數(shù)十種維度的課堂教學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而應(yīng)用到教學(xué)研究中，不僅能夠幫助教師提升教學(xué)質(zhì)量，而且有助于更加全面地掌握學(xué)生的學(xué)情數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析和解讀教學(xué)過程與課堂反饋，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動精準(zhǔn)教學(xué)。

2.1.2 快速達(dá)成教學(xué)反饋閉環(huán)，增強(qiáng)教學(xué)管理即時性

全面詳細(xì)的教學(xué)分析報告幫助教師及教學(xué)管理者更加全面了解不同班級學(xué)生的特點，從而針對性制定教學(xué)方案。教學(xué)管理人員可細(xì)粒度了解學(xué)校整體教學(xué)情況，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，實現(xiàn)即時、高效、科學(xué)化的教學(xué)管理機(jī)制。

2.1.3 伴隨式客觀教學(xué)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化教學(xué)評估方式

利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)對教師課堂教學(xué)行為全面、快速、全自動地分析，教師授課模式、課堂活躍度、學(xué)生情緒及行為變化趨勢等信息均以可視化方式呈現(xiàn)，同時還對教師和學(xué)生發(fā)展數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，優(yōu)化教學(xué)評估及管理流程。

2.1.4 智能化運行模式加速教師智能教育素養(yǎng)提升

符合場景的教學(xué)分析指標(biāo)體系，無需人工操作的全自動系統(tǒng)運行模式，清晰友好的用戶交互界面，使教師能夠快速上手，減少學(xué)習(xí)復(fù)雜操作方法的時間成本和心理負(fù)擔(dān)，讓教師從繁瑣的人力密集型工作中解放出來，而且讓教育工作變得更加智能化，從而加速提升教師智能教育的素養(yǎng)。

2.2 安全需求

2.2.1 數(shù)據(jù)完整性

系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性可以抵制主動攻擊，在數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中，保證接收者收到的信息與發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)完全一致，僅被授權(quán)的用戶才可修改信息。

2.2.2 保密性

系統(tǒng)滿足嚴(yán)格的的保密性要求，其中任何數(shù)據(jù)不可泄漏給未授權(quán)的個人、實體或進(jìn)程，且不能為其所用。僅被授權(quán)的用戶才可查看、使用和修改系統(tǒng)的信息。敏感數(shù)據(jù)在傳輸、存儲過程中需加強(qiáng)保護(hù)措施。

2.2.3 可控性

系統(tǒng)確保各個部分的運行均處于可控狀態(tài)，硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)資源須確保可便捷管理，包括對硬件設(shè)備的調(diào)試及故障排除，對數(shù)據(jù)資源訪問的權(quán)限劃分和數(shù)據(jù)傳輸操作的確認(rèn)，對信息系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的與安全有關(guān)事件的記錄與檢查。

三、項目實施：

人工智能課堂教學(xué)分析系統(tǒng)主要分為兩個部分：課堂教學(xué)分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)。

3.1課堂教學(xué)分析系統(tǒng)

3.1.1 智能計算工作站

融合圖形處理單元加速系統(tǒng)、并行計算控制系統(tǒng)、流媒體計算系統(tǒng)、大規(guī)模視頻文件存儲系統(tǒng)及容器化工具，對音視頻設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計算。應(yīng)用深度學(xué)習(xí)框架，為人工智能功能模塊提供高性能算力保障，全面保障數(shù)據(jù)安全。

以課堂視頻為基礎(chǔ)，聚焦情感計算、說話人識別、人體姿態(tài)檢測等核心技術(shù)與教育場景的深度融合。通過攝像頭、拾音器等音視頻采集設(shè)備自動采集上課過程中學(xué)生及教師的面部表情、語音、行為等數(shù)據(jù)，工作站對課堂教學(xué)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及深度挖掘，利用人工智能技術(shù)幫助教師全面、快速、深度了解授課過程中的學(xué)生反饋。

3.1.2 智能云平臺

智能云平臺系統(tǒng)主要為云端部署，提供接口接受教學(xué)行為分析結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次分析與挖掘，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。最終結(jié)果的不同層次與維度的信息可通過不同的終端形態(tài)（網(wǎng)頁端和移動端）進(jìn)行查看。

課堂教學(xué)數(shù)據(jù)融合、分析與可視化報告呈現(xiàn)平臺，教學(xué)管理人員、教師可登錄平臺查看每節(jié)課的課堂教學(xué)分析報告，高效直觀地了解課堂教學(xué)過程數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題并采取針對性解決措施。一方面，幫助老師深入了解學(xué)生的客觀學(xué)習(xí)反饋，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容研究授課內(nèi)容及方式與學(xué)生接受程度之間的關(guān)聯(lián)，從而提高教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生帶來更好的學(xué)習(xí)體驗;另一方面，有助于教學(xué)負(fù)責(zé)人全面、快速、客觀地了解教師的授課情況及學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，實現(xiàn)智能化科學(xué)化管理。

3.1.3 智能教學(xué)分析軟件

智能教學(xué)行為分析軟件主要從情感、語音、行為等維度對課堂教學(xué)過程進(jìn)行全面的細(xì)粒度分析，如統(tǒng)計學(xué)生不同情感占比、教師及學(xué)生發(fā)言時長及占比、學(xué)生行為變化趨勢等多項基本參數(shù)，深入分析學(xué)生在課堂每個教學(xué)時段的情緒變化，分析教師授課模式，觀測課堂活躍度變化趨勢。通過人工智能技術(shù)對課堂教學(xué)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，幫助校領(lǐng)導(dǎo)、教學(xué)負(fù)責(zé)人、教師深度了解授課過程中的學(xué)生反饋。

3.2數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括三個層級：

最前端層級，在每間教室安裝一套完整的音視頻數(shù)據(jù)采集模塊，在教室內(nèi)前端安裝雙路高分辨率攝像機(jī)進(jìn)行學(xué)生端視頻數(shù)據(jù)采集，在教室內(nèi)后端安裝可變焦高分辨率攝像機(jī)進(jìn)行教師端視頻數(shù)據(jù)采集，在教室內(nèi)安裝全向性拾音器陣列以及混音器進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)采集。

中繼層級，在機(jī)房/設(shè)備間配置交換機(jī)和視頻主機(jī)，進(jìn)行音視頻錄制、存儲及傳輸。

后端層級，在機(jī)房/設(shè)備間部署核心交換機(jī)，將中繼層級獲取到的信號進(jìn)行匯總。

四、總結(jié)：

開展智能校園建設(shè)，推動人工智能在教學(xué)、管理、資源建設(shè)等全流程應(yīng)用。開發(fā)立體綜合教學(xué)場、基于大數(shù)據(jù)智能的在線學(xué)習(xí)教育平臺。開發(fā)智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)。建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，提供精準(zhǔn)推送的教育服務(wù)，實現(xiàn)日常教育和終身教育定制化。

參考文獻(xiàn)：

[1]《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號）

[2]《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號）

[3]《中國教育現(xiàn)代化2035》中共中央、國務(wù)院印發(fā)