基于人工智能的課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)研究

向志軍 李付亮 李娟

摘? 要：目前高職院校教學(xué)診斷與改進(jìn)工作已成為推動(dòng)深化改革和提高教育教學(xué)質(zhì)量的重要抓手，各高職院校對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控都有一套完整的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但未能實(shí)現(xiàn)智能化。本文結(jié)合我校的實(shí)際情況，基于人工智能技術(shù)對(duì)課堂教學(xué)智能診斷與改進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了探討和實(shí)證研究。從需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的功能模塊，構(gòu)建了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)管理中，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：人工智能;課堂教學(xué);診斷與改進(jìn)

高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院內(nèi)部質(zhì)量保證體系診斷與改進(jìn)工作是教育部提出的一項(xiàng)重要舉措，于2015年提出。推動(dòng)了各高職學(xué)院建立基于人才培養(yǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)校自身的辦學(xué)條件和人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)專業(yè)（群）設(shè)置、課程教學(xué)改革、專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)等人才培養(yǎng)的工作要素，查找存在的不足，螺旋改進(jìn)提升，不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的常態(tài)化自主保證人才培養(yǎng)質(zhì)量的機(jī)制。最初于1956年提出的用來(lái)模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能的人工智能，取得了很大的進(jìn)展和提升。國(guó)務(wù)院于2017年頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，將在教學(xué)、管理及教學(xué)資源建設(shè)等全流程應(yīng)用人工智能的“智能教育”列為重點(diǎn)任務(wù)。本文從課堂教學(xué)管理信息化的角度，應(yīng)用人工智能技術(shù)對(duì)課堂教學(xué)智能診斷與改進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了探討。

一、課堂智能教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)需求

課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)工作已成為推動(dòng)高職學(xué)院深化改革和提高教育教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要抓手。學(xué)校從達(dá)成人才培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，從5個(gè)層面（學(xué)校、專業(yè)、課程、教師、學(xué)生）和5個(gè)管理環(huán)節(jié)（決策指揮、質(zhì)量生成、資源建設(shè)、支持服務(wù)、監(jiān)督控制）進(jìn)行“診改”，以“診改”機(jī)構(gòu)和制度推動(dòng)強(qiáng)化學(xué)校的多種教育因素向教學(xué)集中、聚力育人，對(duì)學(xué)校的教學(xué)工作形成一立體化的支持保障系統(tǒng)，增強(qiáng)了教學(xué)管理和教輔服務(wù)等非教學(xué)主體的教育意識(shí)，教學(xué)中心地位得到了充分體現(xiàn)。從課堂教學(xué)入手是推動(dòng)教學(xué)診斷與改進(jìn)工作的有效方式之一。課堂教學(xué)的質(zhì)量不能僅通過一堂課作定論，目前高職院校對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控體系已基本形成，建立了一套較完整的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般可以有以下四層。①宏觀層面，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，主要通過人才培養(yǎng)方案、課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、考核標(biāo)準(zhǔn)、授課計(jì)劃等材料的檢查，觀察是否科學(xué);②中觀層面，注重教師的教學(xué)工作態(tài)度，主要從教師的課前備課的備學(xué)生、備教學(xué)內(nèi)容、備教學(xué)環(huán)節(jié)、備教學(xué)方法和手段等課前準(zhǔn)備是否充分，觀測(cè)教師的教學(xué)工作態(tài)度是否認(rèn)真;③微觀方面，重點(diǎn)關(guān)注教師的課堂講課，主要觀測(cè)課堂教學(xué)過程中學(xué)生的參與度、學(xué)習(xí)狀態(tài)，以及教師在課堂教學(xué)的重、難點(diǎn)是否處理得當(dāng)?shù)?④學(xué)生層面，注重檢查教學(xué)效果，主要觀測(cè)學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)過程中是否真有收獲，是否真正受益。通過學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)診斷、教學(xué)督導(dǎo)診斷、同行之間相互診斷、學(xué)生診斷、自我診斷等方法對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行診斷。

應(yīng)用AI智能識(shí)別軟件平臺(tái)，整合教務(wù)管理信息系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，建立基于“人工智能”的智能課堂診斷與改進(jìn)平臺(tái)為課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)工作的開展提供有效保障。平臺(tái)通過采集課堂教學(xué)活動(dòng)的視頻數(shù)據(jù)，應(yīng)用視頻智能分析技術(shù)分析教學(xué)活動(dòng)情況：①根據(jù)學(xué)校定義教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通過訓(xùn)練人工智能識(shí)別智能評(píng)估教師教學(xué)質(zhì)量。②采集課堂視頻信息，智能分析班級(jí)、教師授課的學(xué)生學(xué)習(xí)體征，分析出學(xué)生到課、認(rèn)真聽課、低頭睡覺、隨意下位走動(dòng)、后排聚集、以及與教師互動(dòng)的行為分析，并形成報(bào)表。③通過采集教師課堂教學(xué)音頻數(shù)據(jù)，比較分析實(shí)際授課內(nèi)容與教師備課材料的差異。④通過識(shí)別不良言論關(guān)鍵詞，對(duì)教師上課進(jìn)行不良言論監(jiān)測(cè)與預(yù)警。⑤收集學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析數(shù)據(jù)和教師教學(xué)行為分析數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)照有效課堂評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)課堂進(jìn)行有效課堂評(píng)價(jià)。⑥對(duì)接教務(wù)管理系統(tǒng)，任課教師錄入教學(xué)計(jì)劃，提交教研室審核、系部審批。⑦自動(dòng)采集教室現(xiàn)場(chǎng)的教師講課過程，保存到服務(wù)器。

二、智能課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）功能模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控和評(píng)價(jià)課堂教學(xué)過程能有效促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量的提升，構(gòu)建基于“人工智能”的課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)，主要包括以下功能模塊。

（1）教學(xué)體征首頁(yè)。分析學(xué)院課堂教學(xué)的整體情況，分析后以圖形化展示，包括到課率、正常聽課、課堂低頭睡覺、隨意下位走動(dòng)和后排聚集等情況。可查看每一節(jié)課的情況，也可以按照時(shí)間段進(jìn)行總體統(tǒng)計(jì)分析。首頁(yè)中還可以查看教師的教學(xué)體征診斷數(shù)據(jù)分布分析結(jié)果。

（2）到課學(xué)生的學(xué)習(xí)行為分析。通過攝像頭采集課堂視頻信息，基于“人工智能”自動(dòng)識(shí)別、分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，自動(dòng)生成大數(shù)據(jù)。包括學(xué)生的到課診斷、正常行為診斷、睡覺行為診斷、隨意下位走動(dòng)的行為診斷、后排聚集的行為診斷等。

（3）教師教學(xué)行為分析。通過采集課堂授課視頻和聲音數(shù)據(jù)，識(shí)別并與備課內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)，分析授課計(jì)劃的匹配度;定制算法自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析師生互動(dòng)，識(shí)別課堂互動(dòng)并統(tǒng)計(jì);自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析自定義不良言論關(guān)鍵詞，進(jìn)行教師不良言論預(yù)警。

（4）教師有效課堂評(píng)價(jià)。定義有效課堂評(píng)價(jià)指標(biāo)，收集學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析數(shù)據(jù)和教師教學(xué)行為分析數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成有效課堂評(píng)價(jià)成績(jī)存檔，并形成報(bào)告存檔。并能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢。

（5）教學(xué)計(jì)劃管理。對(duì)接教務(wù)管理系統(tǒng)的任務(wù)單和課表，任課教師錄入教學(xué)計(jì)劃、提交教研室審核、系部審批，生成電子版教學(xué)計(jì)劃并存檔，并支持修訂。

（6）教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。包括領(lǐng)導(dǎo)干部評(píng)教評(píng)學(xué)、教學(xué)質(zhì)量督導(dǎo)人員評(píng)教評(píng)學(xué)、教師同行之間相互評(píng)教、聽課學(xué)生評(píng)教等。根據(jù)自定義的評(píng)價(jià)指標(biāo)，生成評(píng)價(jià)表，評(píng)價(jià)后統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果并保存記錄。

（7）錄課系統(tǒng)。根據(jù)課程表自動(dòng)錄制課堂教學(xué)實(shí)況和多媒體教學(xué)電腦屏幕，自動(dòng)采集教室現(xiàn)場(chǎng)的教師講課視頻流和語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音與視頻同步保存到服務(wù)器，并支持編輯形成教學(xué)資源。

（二）總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)智能課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)的工作平臺(tái)可以劃分為五層，包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、展示層。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

（1）基礎(chǔ)層：是系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建基礎(chǔ)，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施，包括基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、服務(wù)器、音頻視頻采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備以及教師授課的教學(xué)一體機(jī)等多媒體設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)層：為應(yīng)用層、支撐層的各應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)服務(wù)，由多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，包括教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)錄像，教室一體機(jī)的教學(xué)錄屏，教務(wù)管理系統(tǒng)的學(xué)生、教師、課表等數(shù)據(jù)。

（3）支撐層：為應(yīng)用層各應(yīng)用系統(tǒng)作支撐，提供服務(wù)。包括工作流、報(bào)表分析、數(shù)據(jù)交換、音頻分析、視頻分析等。

（4）應(yīng)用層：是智能課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)中的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括教學(xué)體征診斷分析、學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析、教師教學(xué)行為分析、有效課堂評(píng)價(jià)、教學(xué)計(jì)劃管理系統(tǒng)、教學(xué)評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)和錄課系統(tǒng)等。

（5）展示層：是系統(tǒng)的前臺(tái)表現(xiàn)，為學(xué)生、教師、教學(xué)管理人員、教學(xué)督查人員提供Web界面與個(gè)性化服務(wù)，并能為不同類型的用戶輸出不同的報(bào)表。

三、人工智能技術(shù)應(yīng)用

在本系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)，通過視頻圖像的識(shí)別和語(yǔ)音的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了教師教學(xué)行為分析和學(xué)生的學(xué)習(xí)行為分析，統(tǒng)計(jì)出到課率、聽課率、教學(xué)進(jìn)度等有效課堂評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成學(xué)期教學(xué)考核數(shù)據(jù)。借助于深度學(xué)習(xí)Deep Learning 算法，處理“抽象概念”的方法，采用模擬人腦視覺機(jī)理的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過不斷迭代、不斷抽象來(lái)模擬神經(jīng)—中樞—大腦的工作過程。人類的邏輯思維是通過人腦的客觀思維規(guī)律對(duì)收集到的資料進(jìn)行整理、加工、改造的方式，常用高度抽象的概念，從原始信號(hào)，先做低級(jí)抽象，再逐漸向高級(jí)抽象迭代。例如圖像的識(shí)別，從瞳孔攝入原始信號(hào)的像素開始，接著通過大腦皮層發(fā)現(xiàn)圖像的邊緣和方向做初步處理，再接下來(lái)由大腦判定物體的形狀是圓形還是方形還是橢圓的、做抽象處理，然后在進(jìn)一步抽象，大腦判定所看到的物體是人臉還是氣球、……，最后做出準(zhǔn)確識(shí)別。而深度學(xué)習(xí)就是通過組合低層特征形成更加抽象的高層特征，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。例如，課堂教學(xué)診斷與改進(jìn)系統(tǒng)在到課率統(tǒng)計(jì)中識(shí)別人臉時(shí)，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法通過如邊緣檢查器、小波濾波器等從高清攝像頭采集的原始圖像去學(xué)習(xí)得到一個(gè)低層次表達(dá)，接著在這些低層次表達(dá)的基礎(chǔ)上，再通過線性或者非線性組合，獲得一個(gè)高層次的表達(dá)。

四、實(shí)驗(yàn)與思考

我校與北京薈誠(chéng)科技有限公司合作在我校部署了課堂智能診斷與改進(jìn)系統(tǒng)，經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，學(xué)生平均到課率、聽課率分別達(dá)到97.24%、98.30%。通過教學(xué)體征分析（如圖2所示），以圖形化的形式展示了學(xué)校的整體情況，教學(xué)管理者可以直接查看到當(dāng)天整個(gè)學(xué)校學(xué)生的到課率、正常聽課率、課堂低頭睡覺人數(shù)、隨意下位走動(dòng)和后排聚集的情況，也可以查看哪些班級(jí)存在缺勤、睡覺、隨意走動(dòng)和后排聚集，人數(shù)分別是多少人次;可以查看每一節(jié)課的情況;也可以按照時(shí)間段進(jìn)行總體統(tǒng)計(jì)分析。學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析，每5-10分鐘統(tǒng)計(jì)分析一次，準(zhǔn)確度達(dá)95%以上。對(duì)教師課堂教學(xué)的授課內(nèi)容與計(jì)劃的匹配度、課堂互動(dòng)活動(dòng)以及不良言論等課堂行為進(jìn)行分析，并能有效進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)對(duì)教師的每堂課進(jìn)行了有效課堂的評(píng)價(jià)，并形成報(bào)表。每學(xué)期自動(dòng)統(tǒng)計(jì)同行之間互相聽課評(píng)價(jià)信息、督導(dǎo)人員聽課評(píng)價(jià)信息、領(lǐng)導(dǎo)干部聽課評(píng)價(jià)信息、學(xué)生評(píng)教信息等數(shù)據(jù)，最終形成各教師的教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果。

課堂智能診斷與改進(jìn)系統(tǒng)在與教學(xué)工作管理、教學(xué)與科研工作管理、學(xué)生工作管理、人事管理等系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接方面，教學(xué)診改工作過程方面，還有得進(jìn)一步加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)智能采集數(shù)據(jù)、智慧分析數(shù)據(jù)，教學(xué)工作全過程管理。

五、結(jié)語(yǔ)

人工智能時(shí)代的到來(lái)很大程度上改變了人們的工作、學(xué)習(xí)、生活方式。人工智能在教學(xué)管理中的應(yīng)用，為高職教學(xué)與信息技術(shù)的融合提供了很大的便捷，因此基于人工智能對(duì)高職院校教學(xué)工作診斷與改進(jìn)研究具有一定的意義，促進(jìn)了高職院校教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的不斷提升。

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基金項(xiàng)目：湖南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度課題“基于人工智能的高職院校高質(zhì)量課堂教學(xué)診斷研究”（XJK19BZY030）