課堂教學(xué)效果的深度評估及分析

趙佰亭 賈曉芬

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 淮南 232001)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)伴隨著網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達被逐步推廣[1-2],任何新事物的產(chǎn)生都是社會發(fā)展、時代進步的必然產(chǎn)物。但無論何時,課堂教學(xué)都是在教師的有效引導(dǎo)下,完成教師傳授和學(xué)生學(xué)習(xí)的主戰(zhàn)場。MOOC、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等現(xiàn)代教學(xué)手段伴隨著網(wǎng)絡(luò)時代應(yīng)運而生,都是為了輔助課堂教學(xué),以期達到最好的教學(xué)效果。

在“教”與“學(xué)”的過程中,任意一種教學(xué)手段都是為了更好地呈現(xiàn)知識點,手段再高明、再先進,也只能體現(xiàn)出“教”。當然,高明、先進的手段和方法能讓“學(xué)”達到事半功倍的效果,但此效果的衡量必須以具有相同學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)主動性的學(xué)生的“學(xué)”為前提。學(xué)生的成績、學(xué)習(xí)的能力及學(xué)生對兩者的兼得是教學(xué)效果體現(xiàn)的三個方面[3]。教學(xué)的基本要求是提高學(xué)生成績,最高要求則是提升學(xué)生學(xué)習(xí)的能力及自主分析、解決問題的能力[4]。學(xué)習(xí)能力提高了,必然能設(shè)計更好的學(xué)習(xí)方法,借助媒體、現(xiàn)代教學(xué)資源、自主學(xué)習(xí)等實現(xiàn)的創(chuàng)新型學(xué)習(xí)方法,能最大程度體現(xiàn)學(xué)習(xí)主體的能動性[5]。

教學(xué)效果是教師,尤其是教學(xué)管理者和教育系統(tǒng)管理者非常關(guān)注的問題。但是,教學(xué)效果的衡量并沒有一個統(tǒng)一的標準,各位學(xué)者對評價方法、評價指標眾說紛紜,并提出了不同的方法,包括基于模糊數(shù)學(xué)的方法[6]、基于學(xué)生面部表情的方法[7-8]、基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的方法[9]等。教學(xué)效果的評價包含眾多因素[10],且不乏與情緒、身體狀態(tài)、心理狀態(tài)等相關(guān)的主觀因素?，F(xiàn)有的教學(xué)效果評價方法多采用客觀評價指標設(shè)計評價體系,難以全面、準確地衡量某一堂課的教學(xué)效果。深究“教”與“學(xué)”關(guān)系,學(xué)生“學(xué)”的多少才是衡量教學(xué)效果的最根本因素。學(xué)生“學(xué)”的多少,與學(xué)生自身的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)自主性關(guān)系密切,對每一個學(xué)生個體而言,前兩種因素都是固定的,而學(xué)習(xí)方法在很大程度上取決于學(xué)習(xí)自主性,只有在自主學(xué)習(xí)的過程中,才能結(jié)合已有經(jīng)驗,更好地靈活應(yīng)用各種學(xué)習(xí)方法?？梢?學(xué)習(xí)自主性是影響教學(xué)效果的重要因素。

學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性很大程度反映在聽課狀態(tài)上,肢體動作和面部表情能最直接地反映聽課狀態(tài)。Hinton[11]在2006年提出了深度學(xué)習(xí),被用于模式識別、機器視覺等領(lǐng)域。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks, CNN)[12-13]屬于典型的深度學(xué)習(xí)模型,主要用于處理圖像,比如圖像分類、圖像去噪等。CNN通過模擬人類視覺系統(tǒng)的感知方法,自適應(yīng)地學(xué)習(xí)特征,實現(xiàn)對圖像特征的抽象化處理。CNN通過逐層提取輸入圖像中的特征,建立輸入到輸出之間的非線性映射,建立圖像特征與分類器的聯(lián)系,實現(xiàn)圖像分類。學(xué)生在課堂上的聽課時間、聽課過程中伴隨的記錄和思考,是反映學(xué)生學(xué)習(xí)自主性的最直接的評價指標。肢體動作和面部表情都能體現(xiàn)在上課的視頻圖像中,利用CNN能夠提取學(xué)生在不同時刻的動作、表情等特征。本文利用深度學(xué)習(xí)設(shè)計人員狀態(tài)的評估、識別模型,利用統(tǒng)計法建立評價模型完成教學(xué)效果評估分析。

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

網(wǎng)絡(luò)的便利性促使很多學(xué)校在教室安裝了攝像頭,這樣能夠遠程實時監(jiān)測學(xué)生的上課情況。本文設(shè)計的評價方法具有很大的普適性,適用于能拍攝到學(xué)生上課全程的任何學(xué)校和班級。以安徽理工大學(xué)為例,教學(xué)樓的所有教室中都多角度安裝了攝像頭,將面向?qū)W生拍攝的視頻,等時間間隔地提取圖像,建立圖像序列,通過研究圖像序列中每一位學(xué)生的聽課狀態(tài),評估課堂教學(xué)學(xué)習(xí)主體的狀態(tài),作為衡量教學(xué)效果的優(yōu)劣的重要指標。

1.2 教學(xué)效果的衡量因素

1)影響教學(xué)效果的關(guān)鍵因素

唐代韓愈的《師說》云“古之學(xué)者必有師,師者,所以傳道受業(yè)解惑也?！鼻〉胶锰幍闹赋鼋處煹穆氊熓莻鞑サ览?傳授學(xué)業(yè),解疑答難。由此可見,在“教”與“學(xué)”的關(guān)系中,學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體,教師是學(xué)習(xí)的客體。教學(xué)效果的優(yōu)劣,在很大程度上依賴于主體與客體的關(guān)系及各自的影響因素,具體關(guān)系如圖1所示。教師的教學(xué)方法、個人素質(zhì)(能力)及教學(xué)基本功都會影響課堂效果的呈現(xiàn),學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)能力,尤其是學(xué)習(xí)自主性則決定了學(xué)習(xí)的效果?？腕w對主體起到輔助、引導(dǎo)的作用,主體的課堂表現(xiàn)又能激勵客體的情緒,促使客體以飽滿的情緒傳達知識,兩者相輔相成,相互促進。

圖1 教學(xué)效果影響因素

日常教學(xué)中,一門課程一般由同一位教師承擔授課任務(wù),也就意味著教師的個人能力、教學(xué)基本功及課堂上采用的教學(xué)方法不變,雖然學(xué)生在課堂上的積極反應(yīng)能促使教師擴散思維,更好呈現(xiàn)所授知識,但課堂呈現(xiàn)的效果相差不會太大。但是,同一位教師講授的同一節(jié)課上,不同學(xué)生的接受程度相差甚大。同一班級學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相差無幾,比如大一新生,入學(xué)成績基本在分數(shù)線以上50分內(nèi)波動,他們具有基本相同的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)方法。可見,學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性才是決定教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。

2)學(xué)生狀態(tài)的衡量因素

課堂上能表征學(xué)生認真聽課、思考等的任何特征均可說明學(xué)生在主動學(xué)習(xí),均能體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。學(xué)生低頭時,可能在主動學(xué)習(xí),比如看書、記筆記,也有可能被動學(xué)習(xí),僅僅坐在教室應(yīng)付教師的考勤,一直處于低頭看手機或者俯身在桌上看手機的狀態(tài)。學(xué)生抬頭時,可能在關(guān)注教師并認真聽教師講課,也有可能閉眼思考問題或者睡覺,還有可能處于神游的走神狀態(tài)。學(xué)生轉(zhuǎn)頭時的學(xué)習(xí)狀態(tài),需要配合肢體動作才能給出準確判斷,轉(zhuǎn)頭可能在和鄰桌的同學(xué)討論問題,也有可能在交頭接耳或者打鬧,如果在轉(zhuǎn)頭的同時轉(zhuǎn)身或者是有肢體互動,則說明是后一種情況?？梢?從學(xué)生的面部表情和肢體動作兩個方面衡量學(xué)生的狀態(tài)有助于準確判斷學(xué)生是否在主動學(xué)習(xí)。

根據(jù)以上分析,從面部和肢體兩個方面給出了如圖2所示的人員狀態(tài)衡量因素及量化關(guān)系。面部從低頭、抬頭和轉(zhuǎn)頭三個狀態(tài)衡量,肢體從俯身、正身和轉(zhuǎn)身三個狀態(tài)衡量,面部和肢體共同決定看書、看手機、記筆記等8個衡量因素。

圖2 人員狀態(tài)的衡量因素及量化

1.3 教學(xué)效果分析方法

利用深度學(xué)習(xí)模型識別人臉,分割出學(xué)生的面部和肢體,并進行8個衡量因素的提取和識別,最后建立教學(xué)效果評價模型,以8個衡量因素作為輸入量,基于統(tǒng)計的思想完成教學(xué)效果評估,具體分析流程如圖3所示,主要包含四步,具體為:

圖3 教學(xué)效果分析流程

1)人臉識別;

對課堂上的每一位同學(xué)做出標記,記為Si,i=1,…,m,統(tǒng)計出課堂上出勤的人數(shù)m,得到出勤率Ad,Ad∈[0,1]。

2)人員狀態(tài)識別;

識別圖2的8個衡量因素,并進行二進制量化,其結(jié)果如表1所示,其中,看書、記筆記、關(guān)注教師和討論四項是自主學(xué)習(xí)、認真聽課的表征因素;看手機、走神和交頭接耳是被動學(xué)習(xí)的表征因素;閉眼可能對應(yīng)睡覺和思考,需根據(jù)連續(xù)閉眼的時間進一步判斷,才能決定是在自主學(xué)習(xí)還是被動學(xué)習(xí)。

表1 人員狀態(tài)的衡量因素量化

3)等間隔記錄人員狀態(tài);

等間隔提取上課視頻中的n幅圖像,統(tǒng)計每一時刻Ti,j=1,…,n,對應(yīng)圖像中的每一位學(xué)生的聽課狀態(tài),學(xué)生Si在Tj時刻的狀態(tài)記為Xij,i=1,…,m,j=1,…,n,其可能取值為表1中的任意一個量化結(jié)果。統(tǒng)計出上課班級中出勤的m位學(xué)生在每一時刻的聽課狀態(tài),如表2所示。

表2 人員狀態(tài)信息表

4)建立評價模型。

表2的一行代表課堂上的一位學(xué)生在n個時刻Tj的聽課狀態(tài),基于統(tǒng)計思想設(shè)計單個學(xué)生Si的聽課效果評價模型,

(1)

由式(1)可得全班學(xué)生聽課效果E的評價模型,

(2)

由班級出勤率和式(2)設(shè)計教學(xué)效果Te的評價模型,

Te=αE+βAd

(3)

其中,α,β分別是聽課效果和出勤率的權(quán)重,滿足α+β=1。

2 課堂教學(xué)效果評估分析

如圖4所示,是實現(xiàn)教學(xué)效果評估的流程,按照10 s對課堂視頻進行等間隔提取,通過Mask R-CNN模型對圖像序列進行人員檢測、分割后,送入VGG19模型實現(xiàn)人員臉部和肢體狀態(tài)識別,提取教學(xué)效果的8個衡量因素,量化后送入評價模型,完成課堂效果評估。

圖4 衡量因素提取及教學(xué)效果評估流程

2.1 衡量因素提取

1)人員檢測、提取

針對課堂教學(xué)評價的特點,需要對監(jiān)控視頻中的學(xué)生進行檢測,并對檢測到的學(xué)生進行分割,即進行實例分割。實例分割的難點在于:需要同時檢測出目標的位置并對目標進行分割,這就需要融合目標檢測(框出目標的位置)和語義分割(對像素進行分類,分割出目標)。He[14]等于2017年提出的Mask R-CNN模型,在基于Faster R-CNN的基礎(chǔ)上增加了一個分支,完成了分類和坐標回歸任務(wù),同時還能夠利用Mask R-CNN模型對課堂教學(xué)中的圖像序列進行目標檢測和分割。這種方法不僅實現(xiàn)了了目標檢測,還能夠進行實例分割,取得了非常出色的效果。如圖5所示,無論是學(xué)生較為稀疏還是稠密的情況下,均能準確檢測出人員。

圖5 人員檢測及分割結(jié)果

對圖像序列中的學(xué)生進行檢測并分割后,采用VGG19[15]網(wǎng)絡(luò)模型分別對人員的臉部或肢體進行狀態(tài)識別,即對狀態(tài)進行8分類,識別出每一位學(xué)生在每一時刻對應(yīng)的狀態(tài),也就是確定當前的狀態(tài)屬于8個衡量因素的哪一種。

2)人員狀態(tài)識別

需要先自制訓(xùn)練集,訓(xùn)練VGG19后才能進行人員狀態(tài)識別。先對Mask R-CNN模型分割的人員狀態(tài)進行手動標注,得到包含課堂中各種人員狀態(tài)的2400幅圖像。再對標注的圖像進行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)隨機角度等操作,實現(xiàn)數(shù)據(jù)增強,增強后得到數(shù)據(jù)樣本集包含二百余萬幅帶標簽的圖像樣本庫。將圖像樣本分成兩個部分,分別用作訓(xùn)練集和測試集。使用訓(xùn)練集對VGG19網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練,由于數(shù)據(jù)集較大,訓(xùn)練時間超過200個小時。最后使用測試數(shù)據(jù)集對訓(xùn)練得到的分類模型進行狀態(tài)分類,識別精度和損失函數(shù)變化曲線如圖6所示,由圖6(a)可見,VGG19對人員狀態(tài)的實際識別精度約為87%,能滿足課堂教學(xué)效果評價。

(a)訓(xùn)練和驗證精度

(b)訓(xùn)練和驗證損失圖6 Acc/Los曲線

2.2 教學(xué)效果評估及結(jié)果分析

1)教學(xué)效果評估分析

利用人員狀態(tài)識別獲得的8個衡量因素,作為教學(xué)效果評價模型的輸入,即可得到評價結(jié)果。以某42人班級,45 min的一節(jié)課為例進行測試實驗,10 s的間隔能提取270幅圖像序列。圖像序列經(jīng)Mask R-CNN模型識別出41人出勤,完成人員識別、分割后,送入VGG19分類模型進行狀態(tài)的分類識別,對識別結(jié)果進行二進制量化后得到表3的識別結(jié)果,篇幅所限,僅僅給出了一位學(xué)生的部分識別結(jié)果。

表3 識別結(jié)果

在此實驗中,相鄰圖像的時間間隔Δt=10 s,一節(jié)課中的采樣次數(shù)n=270、時間總長T=2700 s。按照表3的量化結(jié)果分別統(tǒng)計出8種衡量因素的發(fā)生次數(shù),利用公式(1)可以得到單個學(xué)生的聽課效果。分別計算出勤的41位學(xué)生的聽課效果后,利用公式(2)得到全班的聽課效果E=0.952,再利用公式(3)得到教學(xué)效果Te=αE+βAd≈0.956,其中,聽課效果和出勤率的權(quán)重α,β分別取值0.85和0.15,在實際應(yīng)用時可以根據(jù)學(xué)生的出勤情況做適當調(diào)整。

2)結(jié)果分析

統(tǒng)計表3中每個衡量因素的發(fā)生次數(shù),結(jié)果見表4,全班總?cè)藬?shù)M=42,出勤人數(shù)m=41。將統(tǒng)計結(jié)果輸入評價模型即可得到課堂教學(xué)效果的衡量結(jié)果Te,它的取值范圍介于0到1之間,值越大說明教學(xué)效果越好,反之越差。Te體現(xiàn)了學(xué)生的出勤率和學(xué)生課堂上的聽課狀態(tài),兩者的權(quán)重可以根據(jù)實際情況調(diào)整。

表4 識別結(jié)果

3 啟示及建議

3.1 自主學(xué)習(xí)是衡量課堂教學(xué)效果的重要因素

確保課程目標實現(xiàn)的依據(jù)之一是對課堂教學(xué)效果的測量和評價。教學(xué)效果的影響因素很多,總體可分屬于兩方面:教師(客體)和學(xué)生(主體)。在“教”與“學(xué)”的關(guān)系中,學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體,教師是學(xué)習(xí)的客體。教師在教學(xué)過程中體現(xiàn)的教學(xué)熱情、清晰性、啟發(fā)性、引導(dǎo)性、結(jié)構(gòu)性、興趣激發(fā)性、師生互動和知識廣度等教學(xué)技巧,會根據(jù)教學(xué)能力的強弱有所不同。教學(xué)技巧會對教學(xué)效果產(chǎn)生一定的影響,能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)自主性。學(xué)習(xí)興趣能很好地激發(fā)求知欲和學(xué)生對知識的關(guān)注度,讓學(xué)生體驗到學(xué)習(xí)帶來的愉悅和滿足,更好地建立自信。俗話說“師傅領(lǐng)進門,修行在個人”,很好地體現(xiàn)了教師和學(xué)生的關(guān)系,再好的教師,再好的方法,也只是學(xué)習(xí)的外因。同一個教師,相同的課程,教出的學(xué)生也會參差不齊,這就體現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要性?？梢?教學(xué)效果的評估必須以學(xué)生為根本,以自主學(xué)習(xí)為依據(jù),建立的評估模型才是更結(jié)合實際的。

3.2 提高課堂教學(xué)效果的對策

學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體,必須走進課堂,才有課堂教學(xué)效果可言,因此,提高課堂教學(xué)效果的第一要素是,讓學(xué)生走進教室,保證“出勤率”。第二要素是,依靠教師給走進教室的學(xué)生營造出良好的課堂氛圍,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生進入自主學(xué)習(xí)狀態(tài)。第三要素是,在課堂教學(xué)的過程中,重視學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài),及時調(diào)整教學(xué)方法,合理地安排教學(xué)內(nèi)容,幫助學(xué)生調(diào)整學(xué)習(xí)狀體,提高學(xué)習(xí)效率。第四要素是,學(xué)校要狠抓教師的自我養(yǎng)成,提高課堂教學(xué)組織能力,靈活運用教學(xué)方法,提高教學(xué)能力,及時給教師充電,以期教師以最好的狀態(tài)引導(dǎo)學(xué)生,學(xué)生以最佳的學(xué)習(xí)自主性反饋給教師,形成“教”與“學(xué)”的良好互動,獲得最佳的課堂教學(xué)效果。第五要素是,加強管理,提高課堂的“兩性一度”水平,激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生的好奇心、求知欲和挑戰(zhàn)自我的激情,加強對學(xué)生的自律性教育,激勵學(xué)生群體中多出現(xiàn)正激勵的同伴效應(yīng)。

3.3 提高課堂教學(xué)效果可信度的對策

8個衡量因素中的看書和看手機,在無法識別到手機的情況下可能造成誤判。交頭接耳的過程中如果伴隨肢體動作則能準確識別,否則也有可能和討論相混淆。走神需要捕捉面部的細微動作才能做出精確的判斷。以上幾個方面在后續(xù)工作中還可以進一步提升,提高人員狀態(tài)的識別進度,增強教學(xué)效果評估結(jié)果的可信度。還可以進一步進行心理狀態(tài)分析,從傾聽、理解、疑惑、抗拒和不屑等面部表情細化分析聽課狀態(tài)。

4 結(jié)語

經(jīng)深度學(xué)習(xí)和統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)計,形成了一個課堂教學(xué)效果的的評價模型,優(yōu)勢有二:①從學(xué)生的角度出發(fā),借助聽課效果和出勤率進行綜合判斷,能最大程度地反映學(xué)生的自主聽課狀態(tài);②應(yīng)用靈活,不僅能夠衡量一節(jié)課的總體聽課狀態(tài),也可以單獨評價每一位學(xué)生的聽課效果,還能通過設(shè)置視頻的開始和結(jié)束時刻,截取課堂上的部分時段,實現(xiàn)分時段的課堂效果評估。以便教師根據(jù)評估結(jié)果,安排教學(xué)內(nèi)容,將重點、難點內(nèi)容安排在教學(xué)效果最好的時段,實現(xiàn)教學(xué)與效果的閉環(huán)控制。

教師一定的情況下,影響課堂教學(xué)效果的主體是學(xué)生,學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性更是關(guān)鍵因素。同時,課堂教學(xué)效果與教師在教學(xué)中的主導(dǎo)性和引導(dǎo)性也是密不可分的,如果要在不同教師、不同課程之間進行教學(xué)效果的評估比較,需要加入體現(xiàn)教師教學(xué)能力的衡量因素,此問題值得在后續(xù)工作中探討。