傅幼萍

關鍵詞：高職教育；項目化；開放式課堂；注意力；智能技術

0 引言

隨著人工智能技術的日新月異，智能技術將使每位學生在個性化教育中受益，既能增強高職學生的智力水平，又能提升他們在項目化課堂中的技能水平。

注意力是一切智力活動的基礎。課堂注意力的研究論文可追溯到20世紀70年代末[1]，專注與注意力投入對學生的學習至關重要，這關系到教學與學習活動的成敗與效率。因此，如何實時、有效地知道學生課堂注意力情況顯得尤為重要。以往觀察和測量學生課堂注意力的方法，通常為教師觀察學生的姿態語言，這種方法在大教室是不切實際的，同時還會分散教師的講課精力。

隨著科技的進步，注意力跟蹤方面的研究開始出現，主要聚焦在自動測量學生注意力與檢測分心的方法上。其中以臉部狀態與眼動跟蹤等身體行為特征為主，還有借助其他生理傳感器的手段，諸如腦電、心電、身體運動、心理狀態等方法[2-5]。近年來，在眼動跟蹤研究方面出現了多種可以借助的傳感器、多傳感器協同系統與相應的工程軟件[6-7]。

要想綜合識別和測量學生課堂注意力與投入情況，頭部、臉部狀態及上身姿勢識別技術必不可少。人臉識別、深度學習、三維深度照相機等技術的普及和應用[4，8-9]，可以更快更好地捕捉學生課堂上與注意力相關的行為。同時基于視頻數據及深度學習的課堂注意力研究也應運而生[10-14]。

上述研究主要針對傳統課堂注意力識別。未來，個性化學習與開放式課堂將成為主要發展模式。近年來開放式課堂逐步成為主流。開放式課堂有自主學習、合作探究、自由發揮學習等特點[15]，從中小學到高職院校都在不斷嘗試開放式課堂。由于開放式課堂的靈活多樣性，還有環境的自組織開放性，缺少了傳統課堂中學生統一面朝黑板的約束，使得智能視覺等技術在識別學生課堂注意力上變得非常困難[16]。文章將探索高職院校學生在項目化開放式課堂下的注意力識別技術，并給出可行的新方法。

1 項目化開放式課堂優勢與特點

1.1 高職教育下開放式課堂的初衷

開放式課堂的初衷是以學生發展為本，以學生“學”為中心代替以教師“教”為中心，旨在激起學生的學習興趣，提升學生課堂注意力。

開放式課堂緣起于20世紀60年代。1967年發表的普洛登報告充分肯定了“寬松課堂氣氛可以提升孩子們的學習效果”，氛圍寬松的課堂里，學生氣氛活躍，會主動多問問題、腦洞大開，善于用發散性思維來解決問題，有利于創新性思維培養[17-22]。

那么，開放式課堂有沒有準確嚴格的定義？目前很難給出很準確的嚴格定義，但其特點和目標與世界各地的認知基本一致。正因為沒有給出準確的定義，使得開放式課堂具有了更大的靈活性，這一點恰恰是開放式課堂最顯著的特點。開放式課堂的目標十分明確，更適合高職院校學生項目化的實施，即把關注重心放在學生的發展和成長上。故與傳統課堂的最大區別為教學方式、教學空間、教學環境、教學課程、教學資源等更加靈活多變，且因人而異，更加關注個性化發展和因地制宜的多樣性方式。

1.2 開放式課堂的特點

開放式課堂有三大顯著特點：1） 自主性比較強；2） 學生自由學習、自主發揮的空間大；3） 充分體現了“以人為本”的宗旨。

這種強調學生自主、探究、發現以及合作學習的能力做法，使得開放式課堂與目前推行的基于目標項目化學習遙相呼應。

1.3 項目化開放式課堂的優勢

項目化下的開放式課堂更加符合開放式課堂的目的與特點。由于項目化本身具有目標與任務，使得學生可以自由組隊、合作探索，同時自組織地按照興趣與能力分工。學生完全可以選擇自己感興趣的方式和創造有利于項目的自主學習環境，以學生自己喜歡的方式進行學習、研究，在與團隊合作交流中達到互相學習完成目標的目的。

1.4 項目化開放式課堂的案例

以學生“飛行器原理”項目化開放式課堂為例說明項目化開放式課堂。學生可以自由組隊，并選擇自己喜歡的主題。學生自由組合分成三組，其中第一組研究旋翼無人機結構，第二組研究無人機飛行理論，第三組研究與旋翼無人機密切相關的螺旋槳原理。每組學生各自圍坐在一起討論、切磋，教師僅提供大的主題方向與樣機器材等。學生自己搜集資料完成學習任務，并完成自己設定的目標任務（如圖1） 。

在項目化實施過程中，學生成為項目的設計者、執行者、參與者、合作者與演講者。項目化開放式課堂的優勢不言而喻，解決了非項目化開放式課堂的一個最大難題，即教師必須為開放式課堂進行教學設計，因為教師是唯一的設計者。在項目化開放式課堂中，由于是目標驅動項目引領，學生會圍繞目標與項目自組織展開研究、探索、討論、學習，在邊做邊學、邊學邊做中成長。每個小組學生都自組織地成為設計者與參與者，使得項目的完成有了保障。

2 現有注意力識別方法與趨勢

2.1 注意力識別方法

在人工智能時代，智能視覺方法引入課堂注意力識別已成為趨勢，其中包括多模態生物識別技術的應用[7]，如眼睛注視、面部運動、表情、身體運動、腦電、心理狀態等方法的綜合集成。其中眼球追蹤器有多種模式和產品，如眼科常用的塔式眼球追蹤器，另外還有屏幕、頭盔、可穿戴、移動智能設備的眼球追蹤器等，也可以是智能設備上基于攝像頭開發的軟件識別等。這些均是追蹤眼睛的注意方向，缺點是距離太近。目前趨勢是攝像頭結合機器視覺技術，這樣距離可以覆蓋一般階梯教室。以飛行器原理課堂教學為例，給出了傳統教室的課堂布局示意圖（如圖2） 。

一般傳統課堂注意力識別模式（如圖3a） ，其中綠框表示學生此時注意力在教師講課方向，紅框表示學生分心看向黑板的反方向，均被智能算法依據面部朝向、眼睛凝視點等信息完成識別。另外，給出個人學習或遠程網課環境下的注意力識別模式（如圖3b） ，先通過網絡攝像頭或智能攝像頭，采集人眼位置、眼動、人臉表情等，再通過智能分析系統或開源軟件如YO?LOv5等分析注意力和學生專注程度等。具體包括：1） 學生學習行為分析；2） 學生情感識別。其特點是每個個體前放置攝像頭（可以是筆記本電腦的前置攝像頭，也可以是上網課的額外視頻攝像頭等）。

從圖3中可以看出，無論何種智能識別技術，均離不開傳感器。主要傳感器為攝像頭、3D攝像頭，或內置攝像頭的Kinect、Vicon等運動捕捉系統[4，23-24]。這些傳感器主要獲取學生面部與身體姿勢狀態，包括凝視點等，后臺服務器則通過機器學習來訓練識別注意力的智能模型。其特點是傳統課堂前安放圖像、視頻采集系統，通過采集學生面部、身體圖像等實現課堂注意力識別；或是上網課時，在電腦前放置攝像頭，實時分析人眼注意力和人臉表情等來判斷學生注意力。這種方式對靈活多樣的項目化開放式課堂顯然不適用。

2.2 創新教學注意力識別的趨勢

未來創新教學注意力識別的趨勢有三點：首先，傳感器采集要適應動態與復雜的教學安排；其次，學習環境的改造與加強，以支持學生的差異與協作；最后，教學實踐更依賴于高度復雜的、互動的教學環境，個性化、智能化要求更高。所以，目前的智能視覺課堂注意力識別技術已無法滿足未來的要求。

3 項目化開放式課堂注意力識別的技術研究

3.1 技術研究的必要性

由于課堂注意力的重要性，很難相信無視教學的學生會從教學中受益。即使在項目化開放式課堂中，學生注意力依然是學生學習效果的重要指標。在有別于傳統課堂中，如何利用智能技術識別學生的課堂注意力與積極參與程度，尤為重要。

結合項目化的開放式課堂作為未來的一種主流教學模式，同樣離不開課堂注意力的智能識別技術。注意力識別離不開傳感器的數據采集與智能算法的分析識別。開放式課堂與傳統課堂的區別在于環境更復雜、學生學習活動更自由。如何實時追蹤每一位學生的注意力與參與程度，將成為選擇技術實現方法的關鍵。

3.2 技術研究的可行性及開發思路

研究表明，未來了解學生學習動態和復雜性的主要障礙之一是數據收集、同步和挖掘識別。為此必須開發新的人工智能解決方案和工具，以解決和促進開放式課堂中的個性化和智能學習。是否可以將圖3b 中的攝像頭集成到眼鏡上，變成更加靈活的個體可穿戴注意力智能識別系統呢？

具體設想是通過佩戴第一視角雙攝像頭智能眼鏡來打破環境約束。可以設計一款帶雙攝像頭的智能眼鏡（如圖4） 。該眼鏡前置攝像頭以第一視角觀察外界環境，后置攝像頭可以用來追蹤眼球，確定學生凝視點。這樣可以解決靈活多樣的項目化開放式課堂中學生注意力采集問題。

該眼鏡本身還配置了藍牙等通信模塊，可以與后臺服務器連接，將采集的圖像信息上傳到服務器，服務器通過機器學習算法來訓練模型，實現學生注意力判斷。同樣，以飛行器原理課堂教學為例，給出“螺旋槳組”在項目化開放式課堂中智能眼鏡學生注意力識別示意圖（如圖5） 。5名學生圍成一桌，佩戴智能眼鏡觀察和討論螺旋槳原理。后臺服務器電腦顯示了學生在第一視角下的觀察注意力方向。其中，甲乙戊三名學生聚精會神凝視研究對象，丙丁兩名學生走神凝視其他地方，機器學習訓練后即可確定小組成員在開放式課堂的注意力情況。該解決方案完美地滿足了項目化開放式課堂中學生個性化、智能化學習過程中注意力識別的雙重要求。

4 結論

綜上所述，開放式課堂是未來教學的趨勢，而結合項目的開放式課堂更具優勢。學生課堂注意力是學習效果優劣永遠無法回避的問題。文章在介紹了課堂注意力重要性和傳統課堂注意力智能視覺識別基礎上，對項目化開放式課堂注意力識別進行了探索研究。同時，給出了基于第一視角下的雙攝像頭智能眼鏡方案。該方案較好地解決了更加開放、復雜、動態教學環境下的注意力采集與識別問題，并滿足了學生個性化差異、協作與智能學習需求。結合新一代人工智能技術，將更好地服務未來項目化開放式課堂的多樣性、靈活性、自主性、創新性教學，使學生不但成為項目化開放式課堂的參與者，也成為設計者和合作者，為創新性人才培養提供新的智能工具。