基于注意力分析的主動學習教學過程改進實踐

張引 趙玉麗 朱志良

[摘 要] 主動學習幫助學生保持注意力并提升課堂參與度，從而提升教學效果。教師在實踐主動學習教學時面臨的一個主要的問題是如何評價主動學習教學活動是否保持了學生的注意力，從而改進主動學習教學過程。針對該問題，“離散數學”課程組開發了面向主動學習的注意力分析系統，并以此為基礎進行了主動學習教學過程改進實踐。通過將主動學習教學過程注意力分析與記錄系統與課堂隨訪相結合，課程組有針對性地改進了教學過程，提升了教學質量。

[關鍵詞] 主動學習;注意力分析;教學改革

[中圖分類號] G642.42? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）03-0001-04? ?[收稿日期] 2019-12-15

一、引言

在以傳統講授式授課為主的課堂上，教師面臨的一個突出問題是學生在長時間地聆聽授課后容易注意力不集中，導致學習效果下降。Wilson等的研究表明，在單項教學活動中，學生只能將注意力保持15～20分鐘[1]。在此段時間之后，學生的注意力則會快速地分散。然而，高等學校的一節課通常要持續50分鐘，這意味著在單純采用講授式授課的課堂上，學生在絕大多數時間里都將注意力集中在了教學活動上，課堂參與度低，從而限制了教學效果。

主動學習（Active Learning）被認為是保持學生的注意力從而提升教學效果的一種有效的教學方法[2]。主動學習提供了數百種不同的教學活動[3]，并根據學生的注意力曲線，每隔15～20分鐘切換不同的教學活動，幫助學生保持注意力并提升課堂參與度，從而提升教學效果。主動學習已經在國外高校獲得廣泛的采用，并逐漸獲得國內高校的大量關注。目前已有大量課程開始嘗試引入主動學習方法改善教學質量[4]。

在從傳統的講授式授課向主動學習轉變的過程中，困擾一線教師的一個重要問題是如何評價教學活動是否有效地保持了學生的注意力。一方面，我國的多數一線教師在學生時代就成長在傳統的講授式授課環境中，在日常教學工作中也主要采用講授式授課，缺乏把握主動學習教學活動節奏的經驗。另一方面，我國的多數學生只接觸過傳統的講授式授課，缺乏參與主動學習教學活動的經歷。這些因素不僅導致學生比較“靦腆”，對教學活動的反應不如教師預期的強烈，使得教師無法確定學生是否能保持注意力，而且導致教師不確定應該在何時切換到教學活動，并且難以把握不同教學活動的實施效果，無法充分反思進步[5]。

在傳統的講授式授課環境下，為了分析并判斷學生的注意力情況并改進教學環節，已有大量研究提出了多種類型的注意力分析系統[6，7]。由于講授式授課的教學活動比較簡單，教學互動比較單一，只需要利用姿態檢測、面部檢測、視線檢測等檢測技術來判斷學生是否將注意力集中在教師、屏幕或黑板上。然而，采用主動學習的課堂通常要使用2～3種教學活動，并且每個教學活動還包括多個階段，這為注意力的有效檢測帶來了挑戰。

針對上述問題，東北大學軟件學院“離散數學”課程組研發了一套“主動學習教學過程注意力分析與記錄系統”，并將其用于主動學習教學過程的改進。該系統針對多樣化的主動學習教學環節，綜合運用多種檢測技術判斷學生的注意力。通過分析并記錄學生在不同教學活動中的注意力情況，課程組分析了不同教學活動保持學生注意力的效果，積累了教學活動切換時機的經驗。基于這些經驗，課程組改進了主動學習教學環節及其切換時機，有效提升了教學質量。

二、面向主動學習的注意力分析系統

在傳統的講授式授課中，學生要做的主要事情是聆聽和記錄。在這種環境下，注意力分析系統只需要利用姿態檢測等檢測技術判斷學生是否將注意力集中在教師、屏幕或黑板上。然而，采用主動學習的課堂通常要使用2～3種教學活動，并且每個教學活動還包括多個階段。例如，“討論—匯報”教學活動就包括小組討論、小組匯報兩個階段。其中，小組討論階段要求學生針對教師布置的話題展開資料查找和組內討論，從而形成結論;小組匯報階段則要求學生面向課堂介紹討論結果，同時要求其他同學聆聽并針對討論結果提出質疑。

在主動學習的不同教學活動階段，學生的注意力會表現為不同的形式。例如，在“討論—匯報”教學活動的小組討論階段，學生的注意力表現為認真查找相關資料并積極參與小組討論;在小組匯報階段，學生的注意力則表現為認真聆聽報告并提出質疑。因此，要想在主動學習課堂上檢測學生的注意力，就需要首先確定教學活動的階段，再利用多種檢測技術判斷學生的注意力。為此，“離散數學”課程組開發了一套面向主動學習的教學過程注意力分析與記錄系統，如下圖所示。

上圖所示的注意力分析系統包含一組預設的教學活動階段圖標。教師在主動學習教學活動開始時，利用屏幕或掛圖等手段展示教學活動階段圖標。此時，教學活動階段識別模塊會識別教學活動階段圖標，從而確定當前的教學階段。在教學活動過程中，學生行為捕獲模塊拍攝學生行為的立體影像，并利用學生行為識別模塊識別身體姿態、面部朝向、是否在說話、是否在使用手機等多種行為特征。最后，注意力計算模塊調用與教學過程階段對應的機器學習模型，根據學生的行為特征計算學生的注意力。基于這一系統，“離散數學”課程組記錄了學生在主動學習教學活動中的注意力變化情況，進而實現了主動學習教學過程的改進。

三、主動學習教學過程的改進

（一）“離散數學”與主動學習

“離散數學”是軟件工程及相關專業的基礎課。同時，“離散數學”也是各類數學課中與軟件工程專業結合較為直接與緊密的一門課程，其被大量地應用于日常軟件工程的實踐中，對軟件工程專業學生的職業發展具有重要的意義與價值。然而，從整體來看，數學類課程的理論性都比較強，如果單純采用講授式授課，長時間單調地理論灌輸會導致學生快速失去注意力，降低學習效率。同時，學生也由于缺少將理論知識與軟件工程實踐相結合的實踐經歷，導致難以將知識轉化為能力與競爭力，限制了學生能力的培養。

為了提升學生的注意力并培養學生將理論知識轉化為實踐能力，“離散數學”課程組設計了一系列主動學習教學活動，并與傳統講授式教學穿插進行，既幫助學生維持注意力，又通過主動學習教學活動的實際操作培養學生的知識轉化能力。然而，在實際的教學實踐中，由于師生缺少主動學習活動經驗，導致了主動學習教學活動選擇不合理、教學活動切換時機不準確，以及學生不能很好地投入教學活動等問題。

針對這些問題，“離散數學”課程組應用面向主動學習的注意力分析系統分析了學生在講授式授課以及主動學習教學活動中的注意力情況，并結合課堂隨訪明確學生注意力無法有效集中的原因。結果表明，盡管切換教學活動有助于保持學生的注意力，但學生在主動學習教學活動中的注意力還會受到主動學習教學模式的熟練程度、教學活動問題的復雜程度、教學活動種類的豐富程度、教學活動的競爭性等因素的影響。其中，學生對主動學習教學模式的熟練程度與其他因素之間存在比較明顯的相關性。

一是當學生對主動學習教學模式的熟練程度比較低時，學生期望參與復雜度較低、競爭性較弱的教學活動。此時，教學活動的種類可以相對較少，便于學生熟悉主動學習教學模式。

二是當學生逐漸熟悉主動學習教學模式時，學生開始期望參與更復雜的教學活動。此時，提升教學活動的競爭性并增加教學活動的種類有助于激勵學生投入教學活動中。

三是在學生熟悉主動學習教學模式后，復雜、新穎且富有競爭性的教學活動能夠更好地保持學生的注意力。

基于上述觀察，“離散數學”課程組依據學生對主動學習教學模式的熟練程度，將教學過程劃分為起步、熟悉、熟練三個階段，并分別設計了主動學習教學活動，從而提升主動學習的教學效果。

（二）主動學習起步階段

在主動學習的起步階段，學生對于主動學習教學活動較為陌生。此時，應用復雜度比較低、時間比較短、易于上手的主動學習教學活動有助于學生邁出向主動學習轉變的第一步。同時，競爭性較弱的教學活動也有助于學生產生安全感，避免學生產生挫敗、尷尬等情緒，有助于學生適應主動學習教學活動。同時，這一階段也是課程內容的起步階段，授課內容比較簡單，便于學生產生成就感，從而提升教學活動的參與度。

針對這些觀察，“離散數學”課程組在主動學習起步階段主要選擇“討論—海報”“掃碼投票”等教學活動。這類教學活動與傳統的講授式授課的區別不大，學生可以直接在座位上完成，“侵入性”比較小，方便適應了講授式授課的學生轉換思維。這類教學活動的結果也不區分對錯或勝負，給學生比較大的安全感，有助于提升學生的參與度。以“討論—海報”為例，學生需要完成的教學活動如下：以小組為單位，將其熟悉的程序員的“梗”，用命題邏輯和謂詞邏輯的形式表述出來，并制作成海報貼在黑板上。例如：軟件工程專業的學生都學習過Java語言，Java語言能new對象，因此軟件工程專業的學生都有“對象”。

（三）主動學習熟悉階段

在主動學習的熟悉階段，學生已經逐步了解了主動學習教學活動，知道參與主動學習的樂趣。此時，可以適當提升教學活動的復雜度，延長主動學習活動的時間，讓學生在解決更復雜的問題的過程中獲得更多的樂趣。同時，教師可以利用競爭作為工具，創造良性的競爭條件，促使學生進一步融入主動學習教學活動中。由于學生已經熟悉了已有的主動學習教學活動，因此需要引入新形式的教學活動，確保學生參與教學活動的積極性。通常來講，這一階段的教學內容也開始逐漸深入，為提升主動學習教學活動的復雜性創造了條件。

針對這一階段，“離散數學”課程組主要選擇“競坐”“討論—報告—投票”等要求學生站出來并參與競爭的主動學習教學活動。以“競坐”為例，學生需要完成如下的教學活動：給定一組開放、含糊的功能需求，其中某些功能需求只能在其他功能需求實現之后才能實現;要求使用偏序關系對功能需求進行建模，并確定功能需求的實現順序;需要注意針對含糊的功能需求，應該列出所有的可能性。學生進行分組討論，討論時間結束后，每組隨機選擇一名組員起立，并在教師的組織下針對題目的解題過程開展搶答，先搶到并且答對的學生可以坐下，對于給出精彩答案的學生，可以自行選擇一位同學一同坐下。

（四）主動學習的熟練階段

處于主動學習熟練階段的學生已經較多地參與過主動學習教學活動，熟悉主動學習的理念和準則，能夠比較主動地參與到教學活動中。此時，教師可以使用需要較長時間才能完成的教學活動，讓學生解決高度開放性的問題，并允許學生直接開展正面競爭，讓學生逐漸成為學習活動的核心，教師則逐漸從教學過程的主控者轉變為指導者。同時，此階段的教學內容通常已經具備相當的難度，為構建復雜的教學活動問題提供了有利的條件。

在此階段，“離散數學”課程組主要選擇“即時反饋測試”“角色扮演”等問題復雜、需要較多時間才能完成、競爭性較為激烈的主動學習教學活動。以“即時反饋測試”為例，學生需要完成如下教學活動：程序員之間存在很多條“自我認同鏈”，例如，C語言工程師的自我認同高于C++工程師、C++工程師的自我認同高于Java和C#工程師、Java和C#工程師則“互不對付”。現在，請使用圖模型和著色來為給定的幾個團隊規劃一層辦公區域，確保他們的自我認同之間不會產生沖突。完成設計之后，請在“即時反饋測試”答題卡上答題。每道題都是選擇題，每個答案上都有一個“刮刮樂”區域，刮開選項之后會立刻得知答案是否正確。刮開一個選項就正確的，該題得4分;每多刮開一個選項，扣1分;得分最高的組獲勝。

四、結語

主動學習教學活動可有效保持學生的注意力，有助于教師更有效地應用主動學習教學方法提升教學質量。本文應用面向主動學習的注意力分析系統，分析并改進了在“離散數學”教學過程中的主動學習教學環節，通過在主動學習的起步、熟悉、熟練三個階段，有針對性地設計了具有不同復雜度、競爭性，以及豐富性的主動學習教學活動，有效地幫助學生參與到主動學習教學活動中，從而保持注意力，提升學習效果。此方法不僅有助于教師運用多種主動學習教學活動提升教學效果，也為引入其他類型的教學方法提供了參考。

參考文獻

[1]Wilson K， Korn J H. Attention during lectures： Beyond ten minutes[J].Teaching of Psychology， 2007， 34（2）： 85-89.

[2]Prince M. Does active learning work？ A review of the research[J].Journal of engineering education， 2004， 93（3）： 223-231.

[3]Bellanca J. 200+ Active Learning Strategies and Projects for Engaging Students Multiple Intelligences[M].Corwin Press， 2009.

[4]趙玉麗，張引，張斌，等.主動學習在《可視化程序設計》課程中的實踐[J].教育教學論壇，2018（50）：160-161.

[5]甘宜濤.主動學習課堂視角下教育者角色的重新認識[J].揚州大學學報（高教研究版），2020，24（4）：37-42.

[6]駱祖瑩，張丹慧.課堂教學自動評價及其初步研究成果[J].現代教育技術，2018，28（8）：38-44.

[7]陳雯，許鴻文，江立華.高校思想政治理論課堂注意力與教學模式改革的有效性研究——基于圖像識別跟蹤技術的Cox回歸生存分析[J].思想理論教育導刊，2018（9）：84-89.