基于微信公眾號(hào)的“AI+教育”智慧課堂實(shí)施方法

李 群，徐 鼎，肖 甫

（1.南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京210023；2. 南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引 言

傳統(tǒng)的教師角色，一個(gè)人要解決所有的問題，而現(xiàn)在數(shù)據(jù)化是教育的基礎(chǔ)，沒有數(shù)據(jù)，教師就無法因材施教。“新科技+教研創(chuàng)新”的融合，正成為未來教育的重要驅(qū)動(dòng)力[1]?，F(xiàn)如今，互聯(lián)網(wǎng)正在重構(gòu)學(xué)習(xí)，人工智能將會(huì)融合教育，通過科技提供大規(guī)模、高品質(zhì)的教學(xué)，推動(dòng)教育資源的均衡和普惠。教育正擁抱互聯(lián)網(wǎng)[2]，科技正助力教育，“AI+教育”是教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在學(xué)生多階段的學(xué)習(xí)過程中，知識(shí)和信息在師生之間的傳遞和交互，主要依靠語言、肢體、聲音。為此，本項(xiàng)目基于微信公眾號(hào)，依托AI打造課堂交互模式，用人工智能研究成果為教研作理論和實(shí)踐支撐。對(duì)于學(xué)生來說，通過AI加持的教學(xué)過程及效果評(píng)測(cè)，可以為學(xué)生匹配老師；對(duì)老師來說，可以根據(jù)匹配結(jié)果為每位學(xué)生提供個(gè)性化輔導(dǎo)。舉例來說，AI系統(tǒng)可以做到通過人臉檢測(cè)、人臉識(shí)別、表情識(shí)別、姿態(tài)識(shí)別等技術(shù)，了解到每一位學(xué)生的課堂參與度。

1 “AI+教育”培養(yǎng)模式

1.1 “AI+教育”現(xiàn)狀分析

目前，智慧課堂作為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的產(chǎn)品，受到老師和學(xué)生的青睞。例如，“雨課堂”[3]于2016 年6月16日宣布正式推出，到了9月，已在全國(guó)超過16 000個(gè)真實(shí)課堂中使用。

2017年10月17日，“AI+教育”領(lǐng)軍企業(yè)好未來與清華大學(xué)達(dá)成合作，其旗下AI Lab人工智能實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系共同建立“清華大學(xué)(計(jì)算機(jī)系）——好未來智能教育信息技術(shù)聯(lián)合研究中心”，共建智慧課堂，攜手打造智慧教育生態(tài)。聯(lián)合研究中心把計(jì)算視覺技術(shù)、語音識(shí)別和自然語言處理技術(shù)等應(yīng)用到整個(gè)學(xué)而思的教學(xué)服務(wù)當(dāng)中，并以此為起點(diǎn)，將其引入教育的各個(gè)環(huán)節(jié)；服務(wù)于真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景，解決未來教育的核心訴求——幫助學(xué)生更高效、更便捷、更快樂地完成學(xué)習(xí)體驗(yàn)的同時(shí)，也能為他們帶去更有效的學(xué)習(xí)方式。

教育領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)和知名大學(xué)的合作表明，國(guó)同各界對(duì) “AI＋教育”的持續(xù)探索以及以科技賦能教育的信心和實(shí)踐。

1.2 “雨課堂”教學(xué)實(shí)踐

“雨課堂”是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下，由清華大學(xué)和學(xué)堂在線聯(lián)合推出的一款免費(fèi)教學(xué)工具，其采用線上線下融合的教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下，教師和學(xué)生可以通過智能終端如手機(jī)或者電腦進(jìn)行課堂或者課后交互，并讓與課堂教學(xué)相關(guān)的教師課前準(zhǔn)備、學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師課后關(guān)注、學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)和提升更加智能化、數(shù)據(jù)化和個(gè)性化。

圖1 “雨課堂”的教學(xué)實(shí)踐模式

在此，以微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)為例，展開“雨課堂”教學(xué)實(shí)踐分析。在新授課之前，教師通過微信平臺(tái)向?qū)W生智能手機(jī)推送事先設(shè)計(jì)好的微型課件，短則1分鐘，長(zhǎng)則5～6分鐘，并一起推送預(yù)習(xí)任務(wù)清單。在課堂教學(xué)過程中，通過“雨課堂”與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，并可隨時(shí)查看線上考勤。新授課結(jié)束后，隨即推送復(fù)習(xí)任務(wù)清單和作業(yè)習(xí)題。綜上，通過使用“雨課堂”，一方面，可以保證學(xué)生課上課下無時(shí)間限制無空間限制的自由學(xué)習(xí)，另一方面，教師可以隨時(shí)對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行答疑；再者，利用線上全方面、多維度的數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)生成反映學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)效果的個(gè)性化報(bào)表。“雨課堂”的教學(xué)實(shí)踐模式如圖1所示，主要包括4個(gè)環(huán)節(jié)：基于已有教學(xué)資源的教師課前準(zhǔn)備、基于預(yù)習(xí)任務(wù)清單的學(xué)生課前學(xué)習(xí)、基于“雨課堂”的交互式課堂教學(xué)以及基于復(fù)習(xí)任務(wù)清單的學(xué)生課后提升和教師反饋。

1.3 智慧課堂效果分析

微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)在引入“雨課堂”前后，學(xué)生平時(shí)成績(jī)及期末考試成績(jī)情況對(duì)比如圖2所示。其中，圖中顯示的A班和B班作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)對(duì)象，兩個(gè)班級(jí)專業(yè)相同，人數(shù)基本相同(30人左右），A班未使用“雨課堂”，B班使用“雨課堂”，給出的平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)都是班級(jí)平均成績(jī)，期末成績(jī)?yōu)閷W(xué)生期末考試卷面成績(jī)。由圖2可見，雖然4個(gè)學(xué)期學(xué)生成績(jī)各不相同，且不同專業(yè)學(xué)生成績(jī)有明顯差異，但是對(duì)于每個(gè)學(xué)期相同專業(yè)的兄弟班級(jí)，引入“雨課堂”后，成績(jī)都有不同程度的提升。

智慧課堂“雨課堂”的使用，幫助老師和學(xué)生節(jié)省了一部分時(shí)間和精力，且有助于學(xué)生成績(jī)的提升，但在學(xué)生學(xué)習(xí)情況以及教學(xué)過程的融合上還是或多或少地存在一些問題[4]。例如，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性調(diào)動(dòng)問題。對(duì)于老師給學(xué)生推送的課外學(xué)習(xí)任務(wù)，想要達(dá)到預(yù)期的效果，必須要實(shí)現(xiàn)人人參與、時(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，而要達(dá)到這種狀態(tài)，還是有一定的難度的。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及參與學(xué)習(xí)的積極性，光靠學(xué)生的自覺很顯然是不夠的，而如何保證學(xué)生參與學(xué)習(xí)的真實(shí)性，必須要有相應(yīng)的學(xué)生多階段學(xué)習(xí)效果智能評(píng)價(jià)方法[5]。

圖2 “雨課堂”的教學(xué)效果

2 基于微信公眾號(hào)的AI技術(shù)加持策略

2.1 基于微信平臺(tái)的課堂管理公眾號(hào)

基于海量在線教育數(shù)據(jù)及師資資源，將視覺、語音、自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等多項(xiàng)人工智能技術(shù)相融合，從而輔助老師教學(xué)，可以有效激發(fā)學(xué)生的課堂興趣。

基于微信平臺(tái)設(shè)計(jì)課堂管理公眾號(hào)，融合AI技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)隨堂作業(yè)推送、自動(dòng)批改、點(diǎn)名簽到、通知發(fā)布、學(xué)生考核、報(bào)表生成等功能。例如，作業(yè)自動(dòng)批改，利用文本識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)；點(diǎn)名簽到，利用人臉檢測(cè)和識(shí)別功能來實(shí)現(xiàn)。與已有的智慧課堂不同，在此融合AI技術(shù)引入了個(gè)性化功能，如刷臉簽到、抬頭率統(tǒng)計(jì)等，整體融合方案見表1。以人臉檢測(cè)和識(shí)別功能為例，在此闡明基于微信公眾號(hào)的AI技術(shù)加持策略及學(xué)生多階段學(xué)習(xí)效果智能評(píng)價(jià)實(shí)施方案。

2.2 加持人臉識(shí)別技術(shù)的課堂管理

基于人臉檢測(cè)和人臉識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)刷臉簽到，其流程圖如圖3所示。進(jìn)入課堂管理公眾號(hào)后，教師可以通過創(chuàng)建課堂功能創(chuàng)建課堂，并進(jìn)入個(gè)人中心維護(hù)或完善個(gè)人基本信息。在個(gè)人中心，用戶可以設(shè)置信息等級(jí)，如教師可以公開自己的研究方向等信息，方便學(xué)生對(duì)老師進(jìn)行更深入的了解。進(jìn)入主頁(yè)后，教師可以查看自己創(chuàng)建的課堂并參與課堂教學(xué)。自己創(chuàng)建的課堂可以生成簽到碼，并隨時(shí)查看或打印簽到列表。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，要參與課堂需要簽到碼和“刷臉”雙重簽到才能成功進(jìn)入課堂。進(jìn)入課堂后，可以課堂留言互動(dòng)等。

表1 基于微信公眾號(hào)的AI技術(shù)融合方案

圖3 基于課堂管理微信公眾號(hào)的人臉識(shí)別技術(shù)融合流程圖

2.3 學(xué)生多階段學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)方法

引入人臉識(shí)別技術(shù)后，采集課程管理過程中生成的多元化數(shù)據(jù)，包括簽到表、音視頻、互動(dòng)文本信息、學(xué)生抬頭率、學(xué)生各階段學(xué)習(xí)成績(jī)等數(shù)據(jù)，采用多源數(shù)據(jù)聚類和分析方法給出可視化的教師上課質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析圖。針對(duì)每個(gè)教師，可生成個(gè)性化教學(xué)質(zhì)量報(bào)表；針對(duì)每個(gè)學(xué)生，可生成個(gè)性化課堂參與度和學(xué)生學(xué)習(xí)效果報(bào)表。

除此之外，應(yīng)用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)建模和分析方法，可以生成教師和學(xué)生的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，用于互動(dòng)情況分析[6]。參照人臉識(shí)別技術(shù)的引入方式，整合文本識(shí)別、視音頻處理、表情識(shí)別、人體行為識(shí)別、聚類等機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)AI加持的智慧課堂建設(shè)，完成多角度多階段的學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析。

3 結(jié) 語

“AI ＋教育”的趨勢(shì)正在全球蔓延，未來各個(gè)行業(yè)都將隨著人工智能而帶來產(chǎn)業(yè)升級(jí)和變革，人工智能也將對(duì)教育行業(yè)產(chǎn)生巨大影響[7]。針對(duì)在校大學(xué)生教育，展開基于微信公眾號(hào)的“AI+教育”智慧課堂的設(shè)計(jì)和研究，并對(duì)教師授課質(zhì)量和學(xué)生多階段學(xué)習(xí)效果智能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了探討?！癆I+教育”的智慧課堂必將增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，甚至能夠激發(fā)部分學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的熱情。未來的工作中，會(huì)繼續(xù)研發(fā)“AI ＋教育”智慧課堂，完善其功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程數(shù)據(jù)化、學(xué)習(xí)效果量化的最終目標(biāo)。