人工智能技術在高等院校線上教學過程中的應用研究

孫明思

(吉林農業科技學院 電氣與信息工程學院,吉林 吉林 132101)

目前，國內外的教學相關平臺、網站層出不窮，這些平臺、網站等構成了線上教學的重要組成部分。面向眾多的線上教學平臺，師生選用的依據和具體應用過程均有所不同。如圖1所示的吉林省內某高校線上教學選用平臺分布的情況，其中，QQ群課堂、騰訊會議、QQ屏幕分享、學習通四種平臺占據了各種線上教學平臺的85.83%。在使用這些線上教學平臺開展教學的過程中，教師們也采用了多種教學形式，以保障教學效果，如圖2所示。為更好地實現教學目標，大部分教師選用直播授課與學生互動相結合，針對不同的教學內容，設計相對應的教學活動，調動學生自主學習的積極性，促進學生主動參與線上教學課堂。

圖1 吉林省內某高校線上教學平臺選用統計圖

線上教學過程中，教學資源[1]的質量參差不齊已成為線上教學過程中的一個重要問題，對于教學資源的質量進行評定則需要客觀、嚴謹的評價；教學過程不易掌控，要充分依賴學生的主觀學習能動性，需要調動學生的學習興趣，以保障學生的學習效果；同時，教師教的過程、學生學的過程不易監督，進而教學效果無法保障。

圖2 吉林省內某高校疫情期間教師授課形式統計圖

計算機技術得以應用得較早的社會范疇即為教育領域，對教學管理、教學研究、教學過程均起到了至關重要的作用，與通信技術等先進技術的共同應用使得傳統教育突破了時間、空間等維度，因此，如何將先進的計算機技術、人工智能技術應用到線上教學過程中，為廣大教師和學生帶來更完備的教學體驗成為本文研究的重要內容。如圖3所示，深入探討人工智能技術在高等教育的線上教學開展過程中的應用，結合高等教育的專業化、職業化、應用型等特征開展研究工作。

圖3 研究內容結構框圖

目前線上教學存在著智能性較弱、對于硬件設備依賴性較強等特點。一方面，由于網絡的隱秘性，“教”與“學”處于空間分離狀態，教師在教學過程中難以觀察所有學生的學習狀態，對于不在狀態的學生無法立即進行教學干預，自律性較差的學生容易受周圍環境影響導致在線學習效果不理想。另一方面，線上教學完全依托于計算機、平板電腦、路由器、網絡傳輸等硬件設施，其中任一環節出現問題，線上教學活動只能中斷，且恢復時間具有不確定性。同線下教學活動相比，這是薄弱環節，會嚴重影響學生的上課情緒，導致教學質量降低。

1 人工智能技術在線上教學中的應用

隨著線上教學應用的不斷推廣，其在中小學、高職高專院校、各大學都成為構成教學環節的重要部分。在使用各教學平臺的過程中，教師和學生仍然對線上教學平臺的功能提出了更多更高的需求。如圖4所示，線上教學過程中，存在的主要問題為：①盡管采用線上直播的授課方式，教師也無法及時觀測到所有學生對各個教學重點難點的學習情況，無法及時察看學生們的學習狀態；②難以與學生及時順暢地互動，需要在平臺進行點名提問或者在討論區以文字形式發送信息，影響互動效率；③開展有效的課堂組織存在困難，對學生自主學習、自覺學習要求非常高，無法及時監測學生參與課堂的情況；第四、因網絡通信不穩定、教學設備硬件條件不足、教學平臺擁堵、網絡平臺和技術不成熟等問題，使得教學過程中存在不穩定因素，教學過程中，教師和學生網絡掉線、因網絡傳輸延遲而丟失關鍵教學信息、學生掉線后再登陸直播間無法準確統計到課人數等均是常見問題。

通過分析，線上教學過程對教學平臺中人工智能技術、通信技術等提出了更高的要求?；谌斯ぶ悄艿木€上教學過程的研究成為教育模式研究、計算機輔助教學研究等研究領域的重點內容，近年來的研究內容多數是注重技術在教學基本環節的應用，例如智能教學代理技術[2]、機器人教育等，往往忽略線上教學過程中同樣重要的其他環節，如人工智能技術在教學準備環節如何發揮作用、教學實施過程中更加突出學生的用戶體驗、在教學監督與教學評價環節更加智能等等。

圖4 吉林省某高校線上教學過程中遇到的主要問題調查分析圖

(1)高清視頻技術在線上教學中的應用。高清視頻技術的應用，可保證線上教學視、音頻高清通信，是實現良好的教學效果必備的條件之一。以某一在線教學平臺為例，該平臺建立在WebRTC技術上，音視頻編解碼技術達到H.265標準，相較傳統技術對帶寬資源節省40%，無論視頻還是語音都能夠實現實時同步。因此，高清視頻技術可較好地監督學生上課的狀態，一旦學生出現離崗、溜號等情況，教師可在第一時間收到提示并及時提醒和進行干預，保證學生線上教學的質量。高清視頻技術可提供更高分辨率的視頻圖像、同步的音效、更寬的畫面顯示內容和更大的信息量，色彩和畫質也更加鮮活和生動，讓學生上課時有身臨其境的即視感。尤其在直播課程中，對于教師的板書等教學中的重要信息實現無障礙接收。

(2)人臉表情識別技術在線上教學中的應用。人臉表情識別技術是人臉識別技術的一個重要組成部分，是計算機視覺的一項研究內容。該方向在人機交互領域的研究已廣泛應用，例如汽車駕駛過程中，疲勞駕駛狀態的判定、測謊儀器設計過程中的應用、兒童玩具的設計、機器人設計等等，線上教學過程中的應用同樣是人臉表情識別的重要應用領域。人臉表情識別技術的研究涉及心理學、統計學、生物學等多個學科，與教育教學的研究內容十分貼切。如圖5所示，影響教學效果的主要因素是學生的課堂注意力。學生上課過程中使用手機或者電腦作為硬件設備，這些設備均具備圖像采集功能。如何將人臉表情識別技術應用到線上教學過程中，以輔助教師監督學生在授課過程中的課堂參與度和注意力集中度，便是人臉表情識別的一個重要應用研究領域。

圖5 吉林省某高校調查影響線上教學效果的主要因素統計圖

人臉表情識別根據識別的目標數據可分為兩種：靜態單幀圖像數據和動態視頻圖像數據。該技術應用于線上教學過程中的應用研究則屬于后者。學生在線學習過程中，是連續的序列圖像，計算過程中需結合前后幀圖像數據中的信息對學生的表情進行判定，目前能夠判定的表情有6種，即高興、悲傷、驚訝、恐懼、憤怒、厭惡。結合神經科學和心理學的研究經驗，以基于表情的情感模型微基礎，采用面部動作編碼系統和情感維度連續模型[3]來表示復雜的學生表情，并根據模型分析結果，及時反饋給授課教師。因此，人臉識別技術的運用，可在教師與學生一對多的教學過程中，將學生對教學內容的理解、對課程參與的積極性等都需要及時反饋給教師，以便教師對教學進度、教學內容、教學方式等做出及時調整，進而保障教學效果。

(3)5G技術在線上教學中的應用。首先，隨著5G技術的到來，基于移動寬帶增強(eMBB)，超高可靠、超低時延通信(uRLLC)、大規模物聯網(mMTC)三大應用場景的拓寬，曾經諸多難以實現的技術壁壘因此會被打破，使AR/VR在教育中的應用有了更多可能。5G技術令在線上教學可以擴展出更多的此前難以實現的3D立體場景，諸多場景的創建可極大地引起學生在教學過程中的興趣，促進師生間的溝通及交流，進而提高教學效率和效果。其次，在5G技術的支持下，線上教學的安全性可得到進一步的保障，可實現網絡穩定傳輸。無中斷、無卡頓、無延遲，使得線上教學的體驗感受與線下教學相同或相近。最后，5G技術可以實現學生在線學習過程中直接將錯題、教師板書內容等按照課程內容匯總整理，針對每一個學生定制一套完整的教學體系。

(4)物聯網技術在線上教學中的應用。物聯網技術解決了人與物、物與物的互聯問題。物聯網技術的發展可有效連通多種教學設備數據的信息采集，促進教學質量的提升。比如物聯網可將教師講課的“白板”連接到計算機上，并提供一個可以用多點觸摸操作的交互式顯示器，將白板上記錄的教學內容，直接傳送到學生的在線學習平臺中，減少了學生課堂記錄筆記的時間，也保證了筆記內容的準確性；物聯網技術可將計算機和監控攝像頭相連接，為在線考試提供硬件支持，保證學生在線考試成績的真實性和有效性。在線教學平臺可打造雙攝像頭功能，實現全景與局部的自由切換，同時輪循式觀眾視頻展示的功能能夠幫助教學者與學生之間的互動與分享，通過這些功能，教學者能夠看到教學者的狀態，同時也能讓學生實現與其他學生的互動，真正做到讓每個人都真正地參與其中。

2 結語

人工智能技術、通信技術、硬件設備的不斷發展，使得教學軟件平臺能夠利用5G技術的強大功能和優勢——保證平臺支持百萬人同時在線輕松上課無卡頓，客戶端直播延遲控制在0.3秒之內；利用高清視頻技術，支持文檔上傳、多塊黑板、聊天互動、點名互動等功能；利用虛擬現實技術真實還原線下教學場景；利用物聯網技術，使平臺連接攝像頭等設備，支持多名教師與學生視頻實時互動；利用大數據技術進行平臺數據分析優化，對在線峰值人數、新老用戶觀看市場數據、課堂參與率等進行記錄，作為學生在線學習效果評價的參考依據；利用人臉識別等圖像分析技術，及時獲取學生對教學內容的真實反饋，終將實現線上教學與線下授課相同的教學效果。