基于注意力分析的主动学习教学过程改进实践

张引 赵玉丽 朱志良

[摘 要] 主动学习帮助学生保持注意力并提升课堂参与度，从而提升教学效果。教师在实践主动学习教学时面临的一个主要的问题是如何评价主动学习教学活动是否保持了学生的注意力，从而改进主动学习教学过程。针对该问题，“离散数学”课程组开发了面向主动学习的注意力分析系统，并以此为基础进行了主动学习教学过程改进实践。通过将主动学习教学过程注意力分析与记录系统与课堂随访相结合，课程组有针对性地改进了教学过程，提升了教学质量。

[关键词] 主动学习;注意力分析;教学改革

[中图分类号] G642.42   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）03-0001-04   [收稿日期] 2019-12-15

一、引言

在以传统讲授式授课为主的课堂上，教师面临的一个突出问题是学生在长时间地聆听授课后容易注意力不集中，导致学习效果下降。Wilson等的研究表明，在单项教学活动中，学生只能将注意力保持15～20分钟[1]。在此段时间之后，学生的注意力则会快速地分散。然而，高等学校的一节课通常要持续50分钟，这意味着在单纯采用讲授式授课的课堂上，学生在绝大多数时间里都将注意力集中在了教学活动上，课堂参与度低，从而限制了教学效果。

主动学习（Active Learning）被认为是保持学生的注意力从而提升教学效果的一种有效的教学方法[2]。主动学习提供了数百种不同的教学活动[3]，并根据学生的注意力曲线，每隔15～20分钟切换不同的教学活动，帮助学生保持注意力并提升课堂参与度，从而提升教学效果。主动学习已经在国外高校获得广泛的采用，并逐渐获得国内高校的大量关注。目前已有大量课程开始尝试引入主动学习方法改善教学质量[4]。

在从传统的讲授式授课向主动学习转变的过程中，困扰一线教师的一个重要问题是如何评价教学活动是否有效地保持了学生的注意力。一方面，我国的多数一线教师在学生时代就成长在传统的讲授式授课环境中，在日常教学工作中也主要采用讲授式授课，缺乏把握主动学习教学活动节奏的经验。另一方面，我国的多数学生只接触过传统的讲授式授课，缺乏参与主动学习教学活动的经历。这些因素不仅导致学生比较“腼腆”，对教学活动的反应不如教师预期的强烈，使得教师无法确定学生是否能保持注意力，而且导致教师不确定应该在何时切换到教学活动，并且难以把握不同教学活动的实施效果，无法充分反思进步[5]。

在传统的讲授式授课环境下，为了分析并判断学生的注意力情况并改进教学环节，已有大量研究提出了多种类型的注意力分析系统[6，7]。由于讲授式授课的教学活动比較简单，教学互动比较单一，只需要利用姿态检测、面部检测、视线检测等检测技术来判断学生是否将注意力集中在教师、屏幕或黑板上。然而，采用主动学习的课堂通常要使用2～3种教学活动，并且每个教学活动还包括多个阶段，这为注意力的有效检测带来了挑战。

针对上述问题，东北大学软件学院“离散数学”课程组研发了一套“主动学习教学过程注意力分析与记录系统”，并将其用于主动学习教学过程的改进。该系统针对多样化的主动学习教学环节，综合运用多种检测技术判断学生的注意力。通过分析并记录学生在不同教学活动中的注意力情况，课程组分析了不同教学活动保持学生注意力的效果，积累了教学活动切换时机的经验。基于这些经验，课程组改进了主动学习教学环节及其切换时机，有效提升了教学质量。

二、面向主动学习的注意力分析系统

在传统的讲授式授课中，学生要做的主要事情是聆听和记录。在这种环境下，注意力分析系统只需要利用姿态检测等检测技术判断学生是否将注意力集中在教师、屏幕或黑板上。然而，采用主动学习的课堂通常要使用2～3种教学活动，并且每个教学活动还包括多个阶段。例如，“讨论—汇报”教学活动就包括小组讨论、小组汇报两个阶段。其中，小组讨论阶段要求学生针对教师布置的话题展开资料查找和组内讨论，从而形成结论;小组汇报阶段则要求学生面向课堂介绍讨论结果，同时要求其他同学聆听并针对讨论结果提出质疑。

在主动学习的不同教学活动阶段，学生的注意力会表现为不同的形式。例如，在“讨论—汇报”教学活动的小组讨论阶段，学生的注意力表现为认真查找相关资料并积极参与小组讨论;在小组汇报阶段，学生的注意力则表现为认真聆听报告并提出质疑。因此，要想在主动学习课堂上检测学生的注意力，就需要首先确定教学活动的阶段，再利用多种检测技术判断学生的注意力。为此，“离散数学”课程组开发了一套面向主动学习的教学过程注意力分析与记录系统，如下图所示。

上图所示的注意力分析系统包含一组预设的教学活动阶段图标。教师在主动学习教学活动开始时，利用屏幕或挂图等手段展示教学活动阶段图标。此时，教学活动阶段识别模块会识别教学活动阶段图标，从而确定当前的教学阶段。在教学活动过程中，学生行为捕获模块拍摄学生行为的立体影像，并利用学生行为识别模块识别身体姿态、面部朝向、是否在说话、是否在使用手机等多种行为特征。最后，注意力计算模块调用与教学过程阶段对应的机器学习模型，根据学生的行为特征计算学生的注意力。基于这一系统，“离散数学”课程组记录了学生在主动学习教学活动中的注意力变化情况，进而实现了主动学习教学过程的改进。

三、主动学习教学过程的改进

（一）“离散数学”与主动学习

“离散数学”是软件工程及相关专业的基础课。同时，“离散数学”也是各类数学课中与软件工程专业结合较为直接与紧密的一门课程，其被大量地应用于日常软件工程的实践中，对软件工程专业学生的职业发展具有重要的意义与价值。然而，从整体来看，数学类课程的理论性都比较强，如果单纯采用讲授式授课，长时间单调地理论灌输会导致学生快速失去注意力，降低学习效率。同时，学生也由于缺少将理论知识与软件工程实践相结合的实践经历，导致难以将知识转化为能力与竞争力，限制了学生能力的培养。

为了提升学生的注意力并培养学生将理论知识转化为实践能力，“离散数学”课程组设计了一系列主动学习教学活动，并与传统讲授式教学穿插进行，既帮助学生维持注意力，又通过主动学习教学活动的实际操作培养学生的知识转化能力。然而，在实际的教学实践中，由于师生缺少主动学习活动经验，导致了主动学习教学活动选择不合理、教学活动切换时机不准确，以及学生不能很好地投入教学活动等问题。

针对这些问题，“离散数学”课程组应用面向主动学习的注意力分析系统分析了学生在讲授式授课以及主动学习教学活动中的注意力情况，并结合课堂随访明确学生注意力无法有效集中的原因。结果表明，尽管切换教学活动有助于保持学生的注意力，但学生在主动学习教学活动中的注意力还会受到主动学习教学模式的熟练程度、教学活动问题的复杂程度、教学活动种类的丰富程度、教学活动的竞争性等因素的影响。其中，学生对主动学习教学模式的熟练程度与其他因素之间存在比较明显的相关性。

一是当学生对主动学习教学模式的熟练程度比较低时，学生期望参与复杂度较低、竞争性较弱的教学活动。此时，教学活动的种类可以相对较少，便于学生熟悉主动学习教学模式。

二是当学生逐渐熟悉主动学习教学模式时，学生开始期望参与更复杂的教学活动。此时，提升教学活动的竞争性并增加教学活动的种类有助于激励学生投入教学活动中。

三是在学生熟悉主动学习教学模式后，复杂、新颖且富有竞争性的教学活动能够更好地保持学生的注意力。

基于上述观察，“离散数学”课程组依据学生对主动学习教学模式的熟练程度，将教学过程划分为起步、熟悉、熟练三个阶段，并分别设计了主动学习教学活动，从而提升主动学习的教学效果。

（二）主动学习起步阶段

在主动学习的起步阶段，学生对于主动学习教学活动较为陌生。此时，应用复杂度比较低、时间比较短、易于上手的主动学习教学活动有助于学生迈出向主动学习转变的第一步。同时，竞争性较弱的教学活动也有助于学生产生安全感，避免学生产生挫败、尴尬等情绪，有助于学生适应主动学习教学活动。同时，这一阶段也是课程内容的起步阶段，授课内容比较简单，便于学生产生成就感，从而提升教学活动的参与度。

针对这些观察，“离散数学”课程组在主动学习起步阶段主要选择“讨论—海报”“扫码投票”等教学活动。这类教学活动与传统的讲授式授课的区别不大，学生可以直接在座位上完成，“侵入性”比较小，方便适应了讲授式授课的学生转换思维。这类教学活动的结果也不区分对错或胜负，给学生比较大的安全感，有助于提升学生的参与度。以“讨论—海报”为例，学生需要完成的教学活动如下：以小组为单位，将其熟悉的程序员的“梗”，用命题逻辑和谓词逻辑的形式表述出来，并制作成海报贴在黑板上。例如：软件工程专业的学生都学习过Java语言，Java语言能new对象，因此软件工程专业的学生都有“对象”。

（三）主动学习熟悉阶段

在主动学习的熟悉阶段，学生已经逐步了解了主动学习教学活动，知道参与主动学习的乐趣。此时，可以适当提升教学活动的复杂度，延长主动学习活动的时间，让学生在解决更复杂的问题的过程中获得更多的乐趣。同时，教师可以利用竞争作为工具，创造良性的竞争条件，促使学生进一步融入主动学习教学活动中。由于学生已经熟悉了已有的主动学习教学活动，因此需要引入新形式的教学活动，确保学生参与教学活动的积极性。通常来讲，这一阶段的教学内容也开始逐渐深入，为提升主动学习教学活动的复杂性创造了条件。

针对这一阶段，“离散数学”课程组主要选择“竞坐”“讨论—报告—投票”等要求学生站出来并参与竞争的主动学习教学活动。以“竞坐”为例，学生需要完成如下的教学活动：给定一组开放、含糊的功能需求，其中某些功能需求只能在其他功能需求实现之后才能实现;要求使用偏序关系对功能需求进行建模，并确定功能需求的实现顺序;需要注意针对含糊的功能需求，应该列出所有的可能性。学生进行分组讨论，讨论时间结束后，每组随机选择一名组员起立，并在教师的组织下针对题目的解题过程开展抢答，先抢到并且答对的学生可以坐下，对于给出精彩答案的学生，可以自行选择一位同学一同坐下。

（四）主动学习的熟练阶段

处于主动学习熟练阶段的学生已经较多地参与过主动学习教学活动，熟悉主动学习的理念和准则，能够比较主动地参与到教学活动中。此时，教师可以使用需要较长时间才能完成的教学活动，让学生解决高度开放性的问题，并允许学生直接开展正面竞争，让学生逐渐成为学习活动的核心，教师则逐渐从教学过程的主控者转变为指导者。同时，此阶段的教学内容通常已经具备相当的难度，为构建复杂的教学活动问题提供了有利的条件。

在此阶段，“离散数学”课程组主要选择“即时反馈测试”“角色扮演”等问题复杂、需要较多时间才能完成、竞争性较为激烈的主动学习教学活动。以“即时反馈测试”为例，学生需要完成如下教学活动：程序员之间存在很多条“自我认同链”，例如，C语言工程师的自我认同高于C++工程師、C++工程师的自我认同高于Java和C#工程师、Java和C#工程师则“互不对付”。现在，请使用图模型和着色来为给定的几个团队规划一层办公区域，确保他们的自我认同之间不会产生冲突。完成设计之后，请在“即时反馈测试”答题卡上答题。每道题都是选择题，每个答案上都有一个“刮刮乐”区域，刮开选项之后会立刻得知答案是否正确。刮开一个选项就正确的，该题得4分;每多刮开一个选项，扣1分;得分最高的组获胜。

四、结语

主动学习教学活动可有效保持学生的注意力，有助于教师更有效地应用主动学习教学方法提升教学质量。本文应用面向主动学习的注意力分析系统，分析并改进了在“离散数学”教学过程中的主动学习教学环节，通过在主动学习的起步、熟悉、熟练三个阶段，有针对性地设计了具有不同复杂度、竞争性，以及丰富性的主动学习教学活动，有效地帮助学生参与到主动学习教学活动中，从而保持注意力，提升学习效果。此方法不仅有助于教师运用多种主动学习教学活动提升教学效果，也为引入其他类型的教学方法提供了参考。

参考文献

[1]Wilson K， Korn J H. Attention during lectures： Beyond ten minutes[J].Teaching of Psychology， 2007， 34（2）： 85-89.

[2]Prince M. Does active learning work？ A review of the research[J].Journal of engineering education， 2004， 93（3）： 223-231.

[3]Bellanca J. 200+ Active Learning Strategies and Projects for Engaging Students Multiple Intelligences[M].Corwin Press， 2009.

[4]赵玉丽，张引，张斌，等.主动学习在《可视化程序设计》课程中的实践[J].教育教学论坛，2018（50）：160-161.

[5]甘宜涛.主动学习课堂视角下教育者角色的重新认识[J].扬州大学学报（高教研究版），2020，24（4）：37-42.

[6]骆祖莹，张丹慧.课堂教学自动评价及其初步研究成果[J].现代教育技术，2018，28（8）：38-44.

[7]陈雯，许鸿文，江立华.高校思想政治理论课堂注意力与教学模式改革的有效性研究——基于图像识别跟踪技术的Cox回归生存分析[J].思想理论教育导刊，2018（9）：84-89.