高職項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂中學(xué)生注意力狀態(tài)識(shí)別研究

傅幼萍

關(guān)鍵詞：高職教育；項(xiàng)目化；開(kāi)放式課堂；注意力；智能技術(shù)

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的日新月異，智能技術(shù)將使每位學(xué)生在個(gè)性化教育中受益，既能增強(qiáng)高職學(xué)生的智力水平，又能提升他們?cè)陧?xiàng)目化課堂中的技能水平。

注意力是一切智力活動(dòng)的基礎(chǔ)。課堂注意力的研究論文可追溯到20世紀(jì)70年代末[1]，專(zhuān)注與注意力投入對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，這關(guān)系到教學(xué)與學(xué)習(xí)活動(dòng)的成敗與效率。因此，如何實(shí)時(shí)、有效地知道學(xué)生課堂注意力情況顯得尤為重要。以往觀(guān)察和測(cè)量學(xué)生課堂注意力的方法，通常為教師觀(guān)察學(xué)生的姿態(tài)語(yǔ)言，這種方法在大教室是不切實(shí)際的，同時(shí)還會(huì)分散教師的講課精力。

隨著科技的進(jìn)步，注意力跟蹤方面的研究開(kāi)始出現(xiàn)，主要聚焦在自動(dòng)測(cè)量學(xué)生注意力與檢測(cè)分心的方法上。其中以臉部狀態(tài)與眼動(dòng)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(yùn)動(dòng)、心理狀態(tài)等方法[2-5]。近年來(lái)，在眼動(dòng)跟蹤研究方面出現(xiàn)了多種可以借助的傳感器、多傳感器協(xié)同系統(tǒng)與相應(yīng)的工程軟件[6-7]。

要想綜合識(shí)別和測(cè)量學(xué)生課堂注意力與投入情況，頭部、臉部狀態(tài)及上身姿勢(shì)識(shí)別技術(shù)必不可少。人臉識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、三維深度照相機(jī)等技術(shù)的普及和應(yīng)用[4，8-9]，可以更快更好地捕捉學(xué)生課堂上與注意力相關(guān)的行為。同時(shí)基于視頻數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)的課堂注意力研究也應(yīng)運(yùn)而生[10-14]。

上述研究主要針對(duì)傳統(tǒng)課堂注意力識(shí)別。未來(lái)，個(gè)性化學(xué)習(xí)與開(kāi)放式課堂將成為主要發(fā)展模式。近年來(lái)開(kāi)放式課堂逐步成為主流。開(kāi)放式課堂有自主學(xué)習(xí)、合作探究、自由發(fā)揮學(xué)習(xí)等特點(diǎn)[15]，從中小學(xué)到高職院校都在不斷嘗試開(kāi)放式課堂。由于開(kāi)放式課堂的靈活多樣性，還有環(huán)境的自組織開(kāi)放性，缺少了傳統(tǒng)課堂中學(xué)生統(tǒng)一面朝黑板的約束，使得智能視覺(jué)等技術(shù)在識(shí)別學(xué)生課堂注意力上變得非常困難[16]。文章將探索高職院校學(xué)生在項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂下的注意力識(shí)別技術(shù)，并給出可行的新方法。

1 項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

1.1 高職教育下開(kāi)放式課堂的初衷

開(kāi)放式課堂的初衷是以學(xué)生發(fā)展為本，以學(xué)生“學(xué)”為中心代替以教師“教”為中心，旨在激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生課堂注意力。

開(kāi)放式課堂緣起于20世紀(jì)60年代。1967年發(fā)表的普洛登報(bào)告充分肯定了“寬松課堂氣氛可以提升孩子們的學(xué)習(xí)效果”，氛圍寬松的課堂里，學(xué)生氣氛活躍，會(huì)主動(dòng)多問(wèn)問(wèn)題、腦洞大開(kāi)，善于用發(fā)散性思維來(lái)解決問(wèn)題，有利于創(chuàng)新性思維培養(yǎng)[17-22]。

那么，開(kāi)放式課堂有沒(méi)有準(zhǔn)確嚴(yán)格的定義？目前很難給出很準(zhǔn)確的嚴(yán)格定義，但其特點(diǎn)和目標(biāo)與世界各地的認(rèn)知基本一致。正因?yàn)闆](méi)有給出準(zhǔn)確的定義，使得開(kāi)放式課堂具有了更大的靈活性，這一點(diǎn)恰恰是開(kāi)放式課堂最顯著的特點(diǎn)。開(kāi)放式課堂的目標(biāo)十分明確，更適合高職院校學(xué)生項(xiàng)目化的實(shí)施，即把關(guān)注重心放在學(xué)生的發(fā)展和成長(zhǎng)上。故與傳統(tǒng)課堂的最大區(qū)別為教學(xué)方式、教學(xué)空間、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)課程、教學(xué)資源等更加靈活多變，且因人而異，更加關(guān)注個(gè)性化發(fā)展和因地制宜的多樣性方式。

1.2 開(kāi)放式課堂的特點(diǎn)

開(kāi)放式課堂有三大顯著特點(diǎn)：1） 自主性比較強(qiáng)；2） 學(xué)生自由學(xué)習(xí)、自主發(fā)揮的空間大；3） 充分體現(xiàn)了“以人為本”的宗旨。

這種強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主、探究、發(fā)現(xiàn)以及合作學(xué)習(xí)的能力做法，使得開(kāi)放式課堂與目前推行的基于目標(biāo)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)遙相呼應(yīng)。

1.3 項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂的優(yōu)勢(shì)

項(xiàng)目化下的開(kāi)放式課堂更加符合開(kāi)放式課堂的目的與特點(diǎn)。由于項(xiàng)目化本身具有目標(biāo)與任務(wù)，使得學(xué)生可以自由組隊(duì)、合作探索，同時(shí)自組織地按照興趣與能力分工。學(xué)生完全可以選擇自己感興趣的方式和創(chuàng)造有利于項(xiàng)目的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，以學(xué)生自己喜歡的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究，在與團(tuán)隊(duì)合作交流中達(dá)到互相學(xué)習(xí)完成目標(biāo)的目的。

1.4 項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂的案例

以學(xué)生“飛行器原理”項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂為例說(shuō)明項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂。學(xué)生可以自由組隊(duì)，并選擇自己喜歡的主題。學(xué)生自由組合分成三組，其中第一組研究旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)，第二組研究無(wú)人機(jī)飛行理論，第三組研究與旋翼無(wú)人機(jī)密切相關(guān)的螺旋槳原理。每組學(xué)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(jī)器材等。學(xué)生自己搜集資料完成學(xué)習(xí)任務(wù)，并完成自己設(shè)定的目標(biāo)任務(wù)（如圖1） 。

在項(xiàng)目化實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生成為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)者、執(zhí)行者、參與者、合作者與演講者。項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂的優(yōu)勢(shì)不言而喻，解決了非項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂的一個(gè)最大難題，即教師必須為開(kāi)放式課堂進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，因?yàn)榻處熓俏ㄒ坏脑O(shè)計(jì)者。在項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂中，由于是目標(biāo)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目引領(lǐng)，學(xué)生會(huì)圍繞目標(biāo)與項(xiàng)目自組織展開(kāi)研究、探索、討論、學(xué)習(xí)，在邊做邊學(xué)、邊學(xué)邊做中成長(zhǎng)。每個(gè)小組學(xué)生都自組織地成為設(shè)計(jì)者與參與者，使得項(xiàng)目的完成有了保障。

2 現(xiàn)有注意力識(shí)別方法與趨勢(shì)

2.1 注意力識(shí)別方法

在人工智能時(shí)代，智能視覺(jué)方法引入課堂注意力識(shí)別已成為趨勢(shì)，其中包括多模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用[7]，如眼睛注視、面部運(yùn)動(dòng)、表情、身體運(yùn)動(dòng)、腦電、心理狀態(tài)等方法的綜合集成。其中眼球追蹤器有多種模式和產(chǎn)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(dòng)智能設(shè)備的眼球追蹤器等，也可以是智能設(shè)備上基于攝像頭開(kāi)發(fā)的軟件識(shí)別等。這些均是追蹤眼睛的注意方向，缺點(diǎn)是距離太近。目前趨勢(shì)是攝像頭結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，這樣距離可以覆蓋一般階梯教室。以飛行器原理課堂教學(xué)為例，給出了傳統(tǒng)教室的課堂布局示意圖（如圖2） 。

一般傳統(tǒng)課堂注意力識(shí)別模式（如圖3a） ，其中綠框表示學(xué)生此時(shí)注意力在教師講課方向，紅框表示學(xué)生分心看向黑板的反方向，均被智能算法依據(jù)面部朝向、眼睛凝視點(diǎn)等信息完成識(shí)別。另外，給出個(gè)人學(xué)習(xí)或遠(yuǎn)程網(wǎng)課環(huán)境下的注意力識(shí)別模式（如圖3b） ，先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭或智能攝像頭，采集人眼位置、眼動(dòng)、人臉表情等，再通過(guò)智能分析系統(tǒng)或開(kāi)源軟件如YO?LOv5等分析注意力和學(xué)生專(zhuān)注程度等。具體包括：1） 學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析；2） 學(xué)生情感識(shí)別。其特點(diǎn)是每個(gè)個(gè)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(wǎng)課的額外視頻攝像頭等）。

從圖3中可以看出，無(wú)論何種智能識(shí)別技術(shù)，均離不開(kāi)傳感器。主要傳感器為攝像頭、3D攝像頭，或內(nèi)置攝像頭的Kinect、Vicon等運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[4，23-24]。這些傳感器主要獲取學(xué)生面部與身體姿勢(shì)狀態(tài)，包括凝視點(diǎn)等，后臺(tái)服務(wù)器則通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練識(shí)別注意力的智能模型。其特點(diǎn)是傳統(tǒng)課堂前安放圖像、視頻采集系統(tǒng)，通過(guò)采集學(xué)生面部、身體圖像等實(shí)現(xiàn)課堂注意力識(shí)別；或是上網(wǎng)課時(shí)，在電腦前放置攝像頭，實(shí)時(shí)分析人眼注意力和人臉表情等來(lái)判斷學(xué)生注意力。這種方式對(duì)靈活多樣的項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂顯然不適用。

2.2 創(chuàng)新教學(xué)注意力識(shí)別的趨勢(shì)

未來(lái)創(chuàng)新教學(xué)注意力識(shí)別的趨勢(shì)有三點(diǎn)：首先，傳感器采集要適應(yīng)動(dòng)態(tài)與復(fù)雜的教學(xué)安排；其次，學(xué)習(xí)環(huán)境的改造與加強(qiáng)，以支持學(xué)生的差異與協(xié)作；最后，教學(xué)實(shí)踐更依賴(lài)于高度復(fù)雜的、互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境，個(gè)性化、智能化要求更高。所以，目前的智能視覺(jué)課堂注意力識(shí)別技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)的要求。

3 項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂注意力識(shí)別的技術(shù)研究

3.1 技術(shù)研究的必要性

由于課堂注意力的重要性，很難相信無(wú)視教學(xué)的學(xué)生會(huì)從教學(xué)中受益。即使在項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂中，學(xué)生注意力依然是學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要指標(biāo)。在有別于傳統(tǒng)課堂中，如何利用智能技術(shù)識(shí)別學(xué)生的課堂注意力與積極參與程度，尤為重要。

結(jié)合項(xiàng)目化的開(kāi)放式課堂作為未來(lái)的一種主流教學(xué)模式，同樣離不開(kāi)課堂注意力的智能識(shí)別技術(shù)。注意力識(shí)別離不開(kāi)傳感器的數(shù)據(jù)采集與智能算法的分析識(shí)別。開(kāi)放式課堂與傳統(tǒng)課堂的區(qū)別在于環(huán)境更復(fù)雜、學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)更自由。如何實(shí)時(shí)追蹤每一位學(xué)生的注意力與參與程度，將成為選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法的關(guān)鍵。

3.2 技術(shù)研究的可行性及開(kāi)發(fā)思路

研究表明，未來(lái)了解學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)和復(fù)雜性的主要障礙之一是數(shù)據(jù)收集、同步和挖掘識(shí)別。為此必須開(kāi)發(fā)新的人工智能解決方案和工具，以解決和促進(jìn)開(kāi)放式課堂中的個(gè)性化和智能學(xué)習(xí)。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(gè)體可穿戴注意力智能識(shí)別系統(tǒng)呢？

具體設(shè)想是通過(guò)佩戴第一視角雙攝像頭智能眼鏡來(lái)打破環(huán)境約束?？梢栽O(shè)計(jì)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(guān)察外界環(huán)境，后置攝像頭可以用來(lái)追蹤眼球，確定學(xué)生凝視點(diǎn)。這樣可以解決靈活多樣的項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂中學(xué)生注意力采集問(wèn)題。

該眼鏡本身還配置了藍(lán)牙等通信模塊，可以與后臺(tái)服務(wù)器連接，將采集的圖像信息上傳到服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)學(xué)生注意力判斷。同樣，以飛行器原理課堂教學(xué)為例，給出“螺旋槳組”在項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂中智能眼鏡學(xué)生注意力識(shí)別示意圖（如圖5） 。5名學(xué)生圍成一桌，佩戴智能眼鏡觀(guān)察和討論螺旋槳原理。后臺(tái)服務(wù)器電腦顯示了學(xué)生在第一視角下的觀(guān)察注意力方向。其中，甲乙戊三名學(xué)生聚精會(huì)神凝視研究對(duì)象，丙丁兩名學(xué)生走神凝視其他地方，機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練后即可確定小組成員在開(kāi)放式課堂的注意力情況。該解決方案完美地滿(mǎn)足了項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂中學(xué)生個(gè)性化、智能化學(xué)習(xí)過(guò)程中注意力識(shí)別的雙重要求。

4 結(jié)論

綜上所述，開(kāi)放式課堂是未來(lái)教學(xué)的趨勢(shì)，而結(jié)合項(xiàng)目的開(kāi)放式課堂更具優(yōu)勢(shì)。學(xué)生課堂注意力是學(xué)習(xí)效果優(yōu)劣永遠(yuǎn)無(wú)法回避的問(wèn)題。文章在介紹了課堂注意力重要性和傳統(tǒng)課堂注意力智能視覺(jué)識(shí)別基礎(chǔ)上，對(duì)項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂注意力識(shí)別進(jìn)行了探索研究。同時(shí)，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(kāi)放、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)教學(xué)環(huán)境下的注意力采集與識(shí)別問(wèn)題，并滿(mǎn)足了學(xué)生個(gè)性化差異、協(xié)作與智能學(xué)習(xí)需求。結(jié)合新一代人工智能技術(shù)，將更好地服務(wù)未來(lái)項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂的多樣性、靈活性、自主性、創(chuàng)新性教學(xué)，使學(xué)生不但成為項(xiàng)目化開(kāi)放式課堂的參與者，也成為設(shè)計(jì)者和合作者，為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)提供新的智能工具。