基于注意力機制的短視頻助力導論類課程教學改革研究

摘? 要：以人工智能導論為代表的導論類課程具有課時少、知識點多、算法難、學生基礎(chǔ)差異大等特點，給教學帶來諸多難點，如難以平衡深度和廣度，難以持續(xù)吸引注意力等。利用短視頻的多形式表達、多通道傳輸、高密度信息等優(yōu)點可以解決導論類課程教學難題。該文在剖析課堂注意力特點和短視頻吸引注意力機制的基礎(chǔ)上，運行注意分配的認知理論，提出一套基于注意力機制的短視頻助力導論類課程的教學方法，可為導論類教學工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：短視頻；注意力機制；導論類課程；雙加工理論；教學改革

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0006-04

Abstract： Introduction courses， represented by Artificial Intelligence Introduction， are characterized by few class hours， numerous knowledge points， challenging algorithms， and significant student background differences. This poses various teaching difficulties， such as the challenge of balancing depth and breadth， and sustaining attention. Leveraging the advantages of short videos， including diverse forms of expression， multi-channel transmission， and high-density information， can address teaching challenges in introductory courses. This paper， based on analyzing classroom attention characteristics and the mechanism of attracting attention through short videos， applies cognitive theories related to attention allocation. It proposes a set of teaching methods for introductory courses based on attention mechanisms in short videos， providing guidance for educators in introductory teaching.

Keywords： short videos; attention mechanism; introductory courses; dual-processes theory; teaching reform

導論類課程通常是對某一學科基本原理、技術(shù)方法、發(fā)展歷程和主要領(lǐng)域的介紹和闡述，它們旨在用較短的時間為學生構(gòu)建起學科的基本知識體系和思維框架，引發(fā)學生繼續(xù)深入學習和探究的興趣。

2018年4月，教育部發(fā)布了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，指出推動人工智能重要方向的課程建設(shè)，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式[1]。為此，人工智能導論正在成為眾多專業(yè)開展“人工智能+X”復合專業(yè)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)課程[2]。

北京交通大學機械與電子控制工程學院將人工智能導論作為全院本科生的基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)人工智能與多個學科交叉的復合型專業(yè)人才。然而，人工智能技術(shù)種類繁多、新技術(shù)層出不窮，如何在有限課時內(nèi)面向多個專業(yè)學生構(gòu)建知識體系具有一定挑戰(zhàn)。

短視頻信息密度高、吸引力強，已經(jīng)成為人們的主要信息獲取方式，這種視聽信息傳播形式為課堂帶來了新的教學改革機遇。當今網(wǎng)絡(luò)短視頻平臺擁有大量學習資源，為課程準備提供了充足的素材。網(wǎng)絡(luò)短視頻中對特定知識點透徹講解的優(yōu)勢和知識碎片化的劣勢與大學課堂體系化、知識點覆蓋廣泛的特點能夠形成較好的互補作用。

本文以提升導論課學習效果、激發(fā)學生興趣、吸引學生課堂注意力為目標，通過分析導論類課程的特點、學生課堂注意力的特點和短視頻吸引力機制，在人工智能導論課程的教學實踐過程中，形成了一套基于短視頻助力的導論類課程教學方法和備課做法，為導論類課程教學和備課提供了參考方法。

一? 導論類課程的特點與教學難點

不同類型的課程具有不同的教學特點和難點，為了對導論類課程進行教學方法的設(shè)計，以人工智能導論為例，分析了導論類課程的特點和教學難點。

（一）? 導論類課程的特點

導論類課程在某一學科領(lǐng)域中為學生提供基礎(chǔ)知識和整體框架，具有廣泛性、基礎(chǔ)性、前沿性和跨學科的特點。例如，在本課程組講授的人工智能導論課程中，內(nèi)容涵蓋了人工智能領(lǐng)域的基本概念、算法和應(yīng)用，包括知識圖譜、搜索技術(shù)、群智能算法、機器學習、深度學習、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、機器視覺和智能機器人等關(guān)鍵概念，涉及內(nèi)容基礎(chǔ)而廣泛。

人工智能領(lǐng)域發(fā)展迅速，不斷涌現(xiàn)新的理論和技術(shù)，需要及時更新內(nèi)容，引入最新的研究進展和應(yīng)用案例，如AlphaGo和ChatGPT，使學生能夠了解該領(lǐng)域的最新前沿動態(tài)。

人工智能涉及計算機、數(shù)學、工程學等多個學科領(lǐng)域[3]。學生來自機械、測控、動力和材料等不同專業(yè)背景。因此，該導論課程會跨足多個學科。

（二）? 導論類課程的教學難點

導論類課程的難點主要包括以下幾個方面。

1）少量課時內(nèi)傳授大量知識點和前沿技術(shù)。導論課程通常被分配的課時較少，而課程內(nèi)容的廣泛性體現(xiàn)在大量知識點。例如，人工智能導論課堂上僅兩個課時內(nèi)需要講授機器學習的框架，包括監(jiān)督學習的K-近鄰算法、決策樹，無監(jiān)督學習的聚類、自編碼器等。

2）平衡知識的深度和廣度。教師需要在有限的時間內(nèi)從深入講解某一知識點和廣泛覆蓋該領(lǐng)域內(nèi)容之間尋求平衡。人工智能導論課程中包含了大量具有理解難度的算法，詳細講解單個知識點就難以有足夠時間覆蓋整體內(nèi)容，講授過于簡單學生又很難留下印象。

3）吸引學生聽課興趣。導論課程知識點眾多，在課堂講授中短時間內(nèi)需要切換知識點，而且導論課程通常面向廣大學生，他們可能來自不同的專業(yè)和興趣領(lǐng)域。如果教師不能設(shè)計出足夠吸引學生注意力的講授方式，學生可能會在知識點的淺顯敘述和切換中降低聽課興趣，喪失聽課注意力，降低教學效果。

二? 短視頻吸引課堂注意力的機制

課堂教學效果很大程度上依賴于能否抓住學生的注意力。本文闡釋了短視頻吸引注意力的機制和心理學理論依據(jù)，開展了基于短視頻的課堂注意力吸引機制設(shè)計。

（一）? 學生課堂注意力的特點

教師和教學研究者們普遍觀察到學生們的課堂注意力很難長時間持續(xù)保持專注。掌握學生注意力的特點和影響因素是進行有效教學設(shè)計的前提。

研究者們通過觀察、視頻和應(yīng)答器等多種手段記錄學生的注意力程度[4-5]，以獲得學生注意力的特點和規(guī)律。不同課堂上學生注意力特性有所差異，但注意力隨講課時間推進而快速下降的趨勢曲線得到了眾多研究者的認可[6]，如圖1所示，前5分鐘是講授者抓住聽眾注意力的關(guān)鍵，之后5～10分鐘注意力達到高峰，10分鐘之后注意力會快速下降，在中間長時間處于低谷，大約只有最初水平的10%～20%，結(jié)束前5分鐘總結(jié)階段，聽眾期望有收獲而注意力回升[3]。

有研究者們還發(fā)現(xiàn)學生們的注意力存在往復式漂移，注意力漂移每3～4分鐘發(fā)生一次[4]。學生注意力的影響因素是多方面的，它不只具有時間依賴性，還受到傳遞信息方式、主講人、陪伴人、學生個體差異性、外部環(huán)境干擾和情緒狀態(tài)等[7]方面影響。教學者只有經(jīng)過反復測試研究才能獲取具有受眾個性特點、較為精確的專有課堂注意力曲線。

改變活動類型被認為是有效的提高學生注意力的方式，例如引入應(yīng)答器、演示、分組工作或快速的體力活動等[8]，提高音量和語調(diào)、開展參與問答等也是試圖改變枯燥的形式提高注意力。

（二）? 短視頻吸引注意力的機制

網(wǎng)絡(luò)短視頻為教學中吸引學生注意力提供了工具與素材。有研究表明，短視頻具有吸引力的原因在于其大量感性化、直觀化且“碎而微”的密集信息形態(tài)，對大腦信息加工過程高度契合，效率非常高[9]。

短視頻吸引力機制研究表明，短視頻能夠抓住人的注意力主要在于精準的個性化推薦算法、多通道式的感官喚醒與豐富內(nèi)容、即時滿足感的高收益交互和高控制感的沉浸式用戶體驗四個方面。推薦算法能夠立于用戶搜索基礎(chǔ)，降低信息獲取成本。幾十秒到幾分鐘的快節(jié)奏中呈現(xiàn)的豐富內(nèi)容、醒目文字、怦然音效、罕見動畫等，利用多個通道的感官喚醒信息獲取與情緒體驗。單指滑動的低成本投入和高可及性的高刺激收益，形成了強吸引力的用戶交互過程。大腦有關(guān)區(qū)域被控制進入高意識喚醒、高控制感和注意力集中的沉浸式體驗[10]。

從心理學理論層面剖析，雙加工理論認為，個體的認知與決策是在自動化加工系統(tǒng)和控制化加工系統(tǒng)調(diào)節(jié)中實現(xiàn)的[10]。自動化加工系統(tǒng)依賴于環(huán)境和情境自動運行，具有聯(lián)想性和自動性；控制化加工系統(tǒng)是去情景化的，需要有強自主意識參與。自動化加工系統(tǒng)強化、控制化加工系統(tǒng)弱化時，大腦進入不自覺的巡航狀態(tài)。觀看個性化推薦的短視頻過程中，注意資源被高度集中于視聽信息處理，注意力調(diào)節(jié)出現(xiàn)困難，處于自動化加工系統(tǒng)增強階段，控制化加工系統(tǒng)被弱化，在沒有其他強刺激下，觀眾難以主動決策去開啟另一行為。

（三）? 短視頻吸引課堂注意力的機制設(shè)計

自動化加工系統(tǒng)和控制化加工系統(tǒng)通常交替運行，看短視頻時傾向于情景化的認知和感性理解，自動化加工系統(tǒng)增強，學習者結(jié)合以往熟悉情景，多通道感官參與其中，無需深層次有意識的認知努力。自動化加工系統(tǒng)具有效率高、適合于熟悉任務(wù)和直覺理解的優(yōu)勢，然而卻更傾向于淺層理解，可能導致信息誤解，尤其是涉及認知場景遷移和抽象概念。因此，長時間或是連續(xù)觀看視頻很難獲得知識的深層理解和長期記憶。控制化加工系統(tǒng)可以達到深度理解，具有良好的認知適應(yīng)性，但是占用認知資源較高，容易產(chǎn)生疲勞和壓力。

結(jié)合學生課堂注意力的特點，短視頻吸引注意力的機制可以被教師用于主動調(diào)節(jié)課堂中學生的注意力。教師可以設(shè)計出雙加工系統(tǒng)交替強化的授課過程，快速吸引注意力之后喚醒自主性認知。

當學生注意力下降時，利用短視頻的強刺激性視聽將學生的注意力迅速拉回主題，使學生輕松進入情景化學習，自動化加工系統(tǒng)被增強，學生被視頻牽引注意力，進行情景化學習狀態(tài)，將以往情景和經(jīng)驗與當前感覺和情感相結(jié)合進行認知。為了實現(xiàn)主動認知和深度理解，播放短視頻后緊隨問答環(huán)節(jié)或使用應(yīng)答器回答問題，強化控制化加工系統(tǒng)、弱化自動化加工系統(tǒng)，喚醒學生自主意識解決問題，主動調(diào)動認知資源，形成能夠分析、推理和演化的深度理解。然而，長時間處于控制化加工過程之中容易疲勞、有壓力而導致注意力渙散。在課堂中交替應(yīng)用短視頻和互動環(huán)節(jié)，既能隨時吸引學生注意力，進入自動化加工系統(tǒng)強化下的情景化學習，又能喚醒學生進入控制化加工系統(tǒng)強化狀態(tài)，實現(xiàn)深層認知。

三? 短視頻助力導論類課程改革的方法

（一）? 短視頻的來源、選擇與剪輯

短視頻素材通常來源于網(wǎng)絡(luò)平臺或是獨立制作。獨立拍攝剪輯利于實驗演示類課程，動畫方式便于導論類課程講解概念和原理。高質(zhì)量的短視頻制作需要投入高成本，工作量和難度巨大。廣泛搜索并利用已有的網(wǎng)絡(luò)短視頻，可以大量減輕教師工作量。當今短視頻平臺眾多，包括抖音、嗶哩嗶哩、好看視頻和知乎等，適合導論類課程的短視頻集中于知識類平臺，例如在人工智能導論課程準備時，我們主要采用秒懂百科、嗶哩嗶哩上的短視頻。

短視頻的選擇與剪輯需要以切題、精短、易懂和強吸引為目標。短視頻主題要圍繞課堂中難懂、難表述的知識點設(shè)置。單個視頻時長盡可能控制在1～2分鐘，不宜超過5分鐘，視頻時間過長會影響到課堂講授主線和學生注意力聚焦效果。

（二）? 短視頻嵌入課堂的方法

短視頻嵌入課堂過程中需要統(tǒng)籌考慮嵌入數(shù)量、嵌入的時間節(jié)點和內(nèi)容位置、嵌入前后的輔助操作等。

在每個50分鐘的課堂中，嵌入短視頻的數(shù)量以3～5個為宜，學生長時間觀看容易進入無意識的自動化加工認知過程，難以有意識主動關(guān)注授課主線，頻繁的視頻切換也會導致學生對視頻刺激的頓感。

短視頻嵌入的時間節(jié)點及其在整體內(nèi)容中的位置是應(yīng)用短視頻的關(guān)鍵所在。依據(jù)學生在課堂中的注意力曲線合理選擇嵌入的時間節(jié)點能夠起到提升全程注意力的作用。如圖2所示，短視頻嵌入的時間點應(yīng)選擇在注意力開始迅速下降時，多個短視頻應(yīng)分布在較低水平的注意力區(qū)間，以達到拽回學生注意力的目的。短視頻適合設(shè)置在難以用口頭直接表述、概念抽象有難度或需用實際案例演示等位置。例如在人工智能導論課的機器學習一節(jié)中，K-近鄰算法、決策樹和支持向量機等多個算法概念如果都采用口頭講述，很容易導致學生對多個算法產(chǎn)生倦怠感。

在播放視頻前后，分別設(shè)計啟發(fā)性問題和互動回答環(huán)節(jié)等輔助操作進一步提升注意力。提出啟發(fā)性問題能夠促使學生在觀看視頻時調(diào)動主觀意識去思考，以自動化加工過程引入后觸發(fā)控制化加工過程。在互動回答環(huán)節(jié)中設(shè)計原理描述或判斷等問題，對視頻中知識點再鞏固，以起到深入內(nèi)化知識點的作用。

（三）? 短視頻教學的作業(yè)與考核調(diào)整

通過短視頻傳授知識點需要對常規(guī)課后作業(yè)和考核方式進行調(diào)整，短視頻中口語化表達和短時間內(nèi)閃過大量情景化信息，不利于學生對概念或定義的記憶。因此，在課堂測試題、課后作業(yè)題和考試題中需要平衡題目種類和考察知識點的對應(yīng)關(guān)系，通過短視頻講解的知識點，在考察中更適合設(shè)置為理解簡答和判斷類題目。個別重要概念或定義的考察，可以通過教師PPT展示和課后作業(yè)題目進行鞏固，以彌補短視頻演示的不足。

利用短視頻可以改變作業(yè)形式，讓學生在課后對課堂中難以覆蓋的知識點進行觀看、搜集、制作和分享短視頻，提高學生的學習興趣、擴展知識廣度和深度。

四? 短視頻使用版權(quán)問題探討

一些教師對教學中使用網(wǎng)絡(luò)短視頻是否合乎著作權(quán)法以及如何獲取版權(quán)存有疑問。我們查閱了《中華人民共和國著作權(quán)法》，其中第四節(jié)第二十四條提到，為學校課堂教學或者科學研究，翻譯、改編、匯編、播放或者少量復制已經(jīng)發(fā)表的作品，供教學或者科研人員使用，可以不經(jīng)著作權(quán)人許可，不向其支付報酬，但應(yīng)當指明作者姓名或者名稱、作品名稱。因此，從法條和相關(guān)注解來看，在大學課堂上使用部分網(wǎng)絡(luò)短視頻進行教學活動屬于合法行為。也有少量著作權(quán)人和法學研究者對此提出了不同解釋。最為穩(wěn)妥的做法是直接聯(lián)系短視頻創(chuàng)作者講明用途并請求授權(quán)，各大網(wǎng)絡(luò)短視頻平臺上聯(lián)系創(chuàng)作者是易于操作的，例如嗶哩嗶哩上可直接私信作者，并且有部分作者直接發(fā)布了作品許可說明，給予使用者極大便利。提高版權(quán)意識，關(guān)注短視頻版權(quán)要求，可以規(guī)避教師在不同場合下開展教學活動的侵權(quán)風險。

五? 結(jié)束語

短視頻的高信息密度、強視聽感受和沉浸式體驗?zāi)軌蜓杆僮プ∪藗兊淖⒁饬?，根?jù)對導論類課程特點、課堂注意力特點和短視頻吸引注意力機制分析，我們發(fā)現(xiàn)可以利用短視頻信息密度高和吸引力強的特點，去解決導論類課程中知識點多、注意力易漂移等教學難題。為此，我們提出了基于注意力機制的短視頻助力導論類課程的教學方法，以學生課堂注意力曲線為基準，進行短視頻吸引課堂注意力的機制設(shè)計，給出了短視頻嵌入課堂的時間節(jié)點及嵌入點前后的輔助操作方法。本文還闡述了短視頻來源、選擇和剪輯、作業(yè)與考核調(diào)整方法及使用版權(quán)問題等。所提出方法在人工智能導論課上得到了應(yīng)用，受到了學生的喜愛，激發(fā)了學生學習興趣，學生的課堂注意力得到明顯改善，受到了學生和教學督導組的一致好評。該方法可以為導論類教學工作者提供借鑒。

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基金項目：2023年國家自然科學基金青年科學基金項目“混合動力系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)與變激勵耦合扭振分頻協(xié)調(diào)控制研究”（52305050）；2021年國家科技部國家重點研發(fā)計劃課題“多核異構(gòu)汽車電控單元軟硬件集成測試與標定工具”（2021YFB2501303）

作者簡介：張寶迪（1988-），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，博士，講師，碩士研究生導師。研究方向為車輛混合動力系統(tǒng)智能化控制的教學與科研。