王薇，劉星，徐新

(武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

“十三五”期間我國(guó)高等教育發(fā)展日新月異；2020年印發(fā)的《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中提出“普及高等教育”的新的挑戰(zhàn)。2021年不僅是“十四五”的起始點(diǎn)，更是2035年社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)之路的起始點(diǎn)，我國(guó)高等教育發(fā)展將迎接新的目標(biāo)與新的挑戰(zhàn)。

2018年，教育部提出關(guān)于高等教育教學(xué)改革中一流課程建設(shè)，旨在提高高等教育的課程質(zhì)量。中共中央國(guó)務(wù)院在《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》中提出，要構(gòu)建世界水平的中國(guó)特色的高等教育評(píng)價(jià)體系。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)得力于優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)，以課程評(píng)價(jià)反饋?zhàn)鳛轵?qū)動(dòng)改進(jìn)課程設(shè)置與授課方法，從而穩(wěn)步提高課程質(zhì)量，打造一流課程與精品課程[1]。

圖1 實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)流程圖

在精品課程和工程認(rèn)證的要求下，完善計(jì)算機(jī)專業(yè)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的評(píng)價(jià)模型[2][3]，不僅有助于學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，更能根據(jù)發(fā)揮學(xué)生的實(shí)時(shí)反饋及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)資源、課程內(nèi)容和教學(xué)方法，統(tǒng)計(jì)學(xué)生的實(shí)時(shí)反饋就需要對(duì)整個(gè)教學(xué)過程做跟蹤和檢測(cè)，其流程圖參考圖1。學(xué)生通過案例講演理解計(jì)算機(jī)理論及技術(shù)，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行理論實(shí)踐與提煉，進(jìn)而加深對(duì)計(jì)算機(jī)理論的認(rèn)知水平[4]。

學(xué)習(xí)分析(Learning Analysis)是關(guān)于學(xué)習(xí)人員及其上下文的數(shù)據(jù)的測(cè)量、收集、分析和報(bào)告，目的是為了理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)過程及其課堂發(fā)生過程。在課堂教學(xué)中，教師通過記錄學(xué)生的課堂行為與表現(xiàn)，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)等新興算法對(duì)產(chǎn)生的教育數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，并作為教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)產(chǎn)生足量的長(zhǎng)周期的學(xué)習(xí)行為記錄，則可用于預(yù)測(cè)課程建設(shè)的未來表現(xiàn)，并指出潛在的問題。

隨著信息化課堂的發(fā)展，有很多課堂多媒體交互設(shè)備捕獲的信息可用來分析傳統(tǒng)課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的課堂即時(shí)反應(yīng)。本文提出使用學(xué)習(xí)注意力分析作為學(xué)習(xí)體驗(yàn)及教學(xué)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其不僅適用于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，更適用于新興的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)和多媒體交互教學(xué)如MOOC在線課程。時(shí)至今日，將學(xué)生的行為與內(nèi)容、教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合分析的研究并不多。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)課程在傳統(tǒng)的教師課堂教授學(xué)習(xí)內(nèi)容外，還具有學(xué)生自發(fā)實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程內(nèi)容更加多元化，隨之而來的學(xué)生注意力評(píng)價(jià)也更加復(fù)雜。

因此，在本文中我們關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程中學(xué)生的注意力保持程度。本文中的注意力專注度指在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，學(xué)生聆聽教師講解課程內(nèi)容和實(shí)踐課程內(nèi)容時(shí)學(xué)生保持反饋狀態(tài)的比例。本文建立了一種智能評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)注意力的評(píng)價(jià)方法及算法，并給出其總體評(píng)價(jià)方法的實(shí)施流程。

1 面向教師講解時(shí)的學(xué)習(xí)注意力分析

在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的教師講演中，本文使用盡可能少的拍攝設(shè)備捕捉所有學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。因此，當(dāng)教師進(jìn)行課程內(nèi)容講解時(shí)，本文通過學(xué)生的視角范圍進(jìn)行分析學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力[5-6]。其具體流程如圖2所示，在拍攝設(shè)備獲取的視頻幀中，本文首先進(jìn)行人臉檢測(cè)得到學(xué)生當(dāng)前時(shí)刻的面部空間坐標(biāo)，經(jīng)連續(xù)幀的頭部空間位移來確定其頭部動(dòng)作，最終據(jù)頭部動(dòng)作判斷視角范圍，以評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力集中程度。

圖2 面向教學(xué)授課的注意力評(píng)價(jià)實(shí)施流程圖

以下將對(duì)頭部動(dòng)作估計(jì)及依據(jù)頭部動(dòng)作的注意力判斷方法進(jìn)行說明。學(xué)生專注于授課內(nèi)容時(shí)其頭部行為不會(huì)出現(xiàn)頻繁晃動(dòng)，或視角點(diǎn)長(zhǎng)期處于教師講演區(qū)之外；因此視角點(diǎn)與教師講演區(qū)的夾角可用于估計(jì)學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力；即使用學(xué)生頭部角度變化進(jìn)行視角點(diǎn)估計(jì)[7]。當(dāng)對(duì)特征縮放后的頭部?jī)A斜角度進(jìn)行多元回歸擬合，可得到頭部動(dòng)作擬合公式：

Ps=αxk+βyk+γzk+b

(1)

其中xk代表學(xué)生的俯仰角，yk代表學(xué)生的水平偏離角，zk代表學(xué)生的旋轉(zhuǎn)角。這三種角度構(gòu)成第k個(gè)學(xué)生在視頻的單幀中的頭部姿勢(shì)角度集合。

我們通過S型函數(shù)將Ps映射到0和1之間，構(gòu)成頭部動(dòng)作分布概率集合。本映射公式為：

(2)

在訓(xùn)練過程中，我們將關(guān)注度高置為狀態(tài)1，關(guān)注度低置為狀態(tài)0，其判斷閾值th為0.5：

(3)

當(dāng)學(xué)生看向老師、幻燈片或黑板，我們認(rèn)為他在集中注意力。如果學(xué)生上下交替地看則可推斷學(xué)生在做筆記。據(jù)此，以上模型對(duì)學(xué)生的當(dāng)前視角進(jìn)行估計(jì)，從而判斷其對(duì)講演區(qū)的關(guān)注程度。

2 計(jì)算機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)的注意力評(píng)價(jià)

在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生遵循一定邏輯而完成的實(shí)踐操作，其操作過程將形成其個(gè)體學(xué)習(xí)認(rèn)知的連續(xù)模式，該模式信息的加工和處理能反映學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程[8]。雖然該模式信息不能保證精確性和個(gè)體的個(gè)性化，但它能全局地反映學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的個(gè)體注意力。計(jì)算機(jī)類的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常使用計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)硬件終端，而學(xué)生的硬件操作通過鼠標(biāo)及鍵盤完成。因此，就計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)注意力評(píng)價(jià)可以通過教學(xué)終端的操作頻次在較為長(zhǎng)期的時(shí)間段內(nèi)形成累計(jì)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)[9]。

本文使用學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的鼠標(biāo)點(diǎn)擊頻率來判斷其是否進(jìn)行使用操作；本鼠標(biāo)點(diǎn)擊頻率衡量學(xué)生獲取信息進(jìn)行操作的頻率，并記錄在軟件日志中。較高的鼠標(biāo)點(diǎn)擊頻率代表學(xué)生使用終端進(jìn)行操作，因此表示更高的注意力評(píng)價(jià)。反之，極低的點(diǎn)擊頻率表示學(xué)生走神。其具體實(shí)施流程如圖3所示。

圖3 面向?qū)嵺`環(huán)節(jié)的注意力評(píng)價(jià)實(shí)施流程圖

為消除學(xué)生個(gè)體的點(diǎn)擊快慢速率的影響并得到統(tǒng)一尺度，本文使用計(jì)算學(xué)生個(gè)體的平均點(diǎn)擊速率并對(duì)其連續(xù)模式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；高于零的值表示學(xué)生的點(diǎn)擊頻率高于其個(gè)體平均點(diǎn)擊頻率。低于零的值表示該學(xué)生的點(diǎn)擊頻率低于其平均點(diǎn)擊頻率。在單次實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)間段內(nèi)，個(gè)體學(xué)生形成的學(xué)習(xí)連續(xù)模式可表示為：

(4)

其中g(shù)i為點(diǎn)擊內(nèi)容重要性參數(shù)，yi為該分鐘內(nèi)點(diǎn)擊次數(shù)評(píng)價(jià)。

據(jù)以上兩種注意力評(píng)價(jià)內(nèi)容及方法，可綜合得到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的整體學(xué)習(xí)注意力評(píng)價(jià)公式為：

(5)

其中t為總課程時(shí)長(zhǎng)分鐘數(shù)；γ為平衡系數(shù)，表征講演時(shí)段和實(shí)驗(yàn)時(shí)段的長(zhǎng)度比。

目前，相對(duì)于傳統(tǒng)教室的課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室的交互多媒體硬件設(shè)備與講演-實(shí)踐教學(xué)方法能及時(shí)反饋學(xué)生的注意力評(píng)價(jià)，在成果導(dǎo)向(OBG)的教學(xué)方法中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。在今后實(shí)施過程中，將通過收集大量實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)來優(yōu)化學(xué)習(xí)注意力評(píng)價(jià)模型[10]，來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)工作，具有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，從而提高教學(xué)質(zhì)量；并且提供連續(xù)且有效的學(xué)生教學(xué)反饋，為進(jìn)一步的學(xué)科建設(shè)提供方向。

3 結(jié)語

針對(duì)一流課程和精品課程建設(shè)需求，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)具有工程技術(shù)能力的學(xué)生離不開實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。本文探索了計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的場(chǎng)景特點(diǎn)與學(xué)生表現(xiàn)，提出基于學(xué)習(xí)注意力分析的實(shí)踐課程反饋指標(biāo)，借此提取學(xué)生在實(shí)踐課程上的學(xué)習(xí)程度據(jù)此重構(gòu)結(jié)果導(dǎo)向的(OBD)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)目標(biāo)；并構(gòu)建穩(wěn)定而持續(xù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程的反饋機(jī)制。