高职项目化开放式课堂中学生注意力状态识别研究

2024-04-03 05:24傅幼萍
电脑知识与技术 2024年1期
关键词:开放式课堂项目化智能技术

傅幼萍

关键词:高职教育;项目化;开放式课堂;注意力;智能技术

0 引言

随着人工智能技术的日新月异,智能技术将使每位学生在个性化教育中受益,既能增强高职学生的智力水平,又能提升他们在项目化课堂中的技能水平。

注意力是一切智力活动的基础。课堂注意力的研究论文可追溯到20世纪70年代末[1],专注与注意力投入对学生的学习至关重要,这关系到教学与学习活动的成败与效率。因此,如何实时、有效地知道学生课堂注意力情况显得尤为重要。以往观察和测量学生课堂注意力的方法,通常为教师观察学生的姿态语言,这种方法在大教室是不切实际的,同时还会分散教师的讲课精力。

随着科技的进步,注意力跟踪方面的研究开始出现,主要聚焦在自动测量学生注意力与检测分心的方法上。其中以脸部状态与眼动跟踪等身体行为特征为主,还有借助其他生理传感器的手段,诸如脑电、心电、身体运动、心理状态等方法[2-5]。近年来,在眼动跟踪研究方面出现了多种可以借助的传感器、多传感器协同系统与相应的工程软件[6-7]。

要想综合识别和测量学生课堂注意力与投入情况,头部、脸部状态及上身姿势识别技术必不可少。人脸识别、深度学习、三维深度照相机等技术的普及和应用[4,8-9],可以更快更好地捕捉学生课堂上与注意力相关的行为。同时基于视频数据及深度学习的课堂注意力研究也应运而生[10-14]。

上述研究主要针对传统课堂注意力识别。未来,个性化学习与开放式课堂将成为主要发展模式。近年来开放式课堂逐步成为主流。开放式课堂有自主学习、合作探究、自由发挥学习等特点[15],从中小学到高职院校都在不断尝试开放式课堂。由于开放式课堂的灵活多样性,还有环境的自组织开放性,缺少了传统课堂中学生统一面朝黑板的约束,使得智能视觉等技术在识别学生课堂注意力上变得非常困难[16]。文章将探索高职院校学生在项目化开放式课堂下的注意力识别技术,并给出可行的新方法。

1 项目化开放式课堂优势与特点

1.1 高职教育下开放式课堂的初衷

开放式课堂的初衷是以学生发展为本,以学生“学”为中心代替以教师“教”为中心,旨在激起学生的学习兴趣,提升学生课堂注意力。

开放式课堂缘起于20世纪60年代。1967年发表的普洛登报告充分肯定了“宽松课堂气氛可以提升孩子们的学习效果”,氛围宽松的课堂里,学生气氛活跃,会主动多问问题、脑洞大开,善于用发散性思维来解决问题,有利于创新性思维培养[17-22]。

那么,开放式课堂有没有准确严格的定义?目前很难给出很准确的严格定义,但其特点和目标与世界各地的认知基本一致。正因为没有给出准确的定义,使得开放式课堂具有了更大的灵活性,这一点恰恰是开放式课堂最显著的特点。开放式课堂的目标十分明确,更适合高职院校学生项目化的实施,即把关注重心放在学生的发展和成长上。故与传统课堂的最大区别为教学方式、教学空间、教学环境、教学课程、教学资源等更加灵活多变,且因人而异,更加关注个性化发展和因地制宜的多样性方式。

1.2 开放式课堂的特点

开放式课堂有三大显著特点:1) 自主性比较强;2) 学生自由学习、自主发挥的空间大;3) 充分体现了“以人为本”的宗旨。

这种强调学生自主、探究、发现以及合作学习的能力做法,使得开放式课堂与目前推行的基于目标项目化学习遥相呼应。

1.3 项目化开放式课堂的优势

项目化下的开放式课堂更加符合开放式课堂的目的与特点。由于项目化本身具有目标与任务,使得学生可以自由组队、合作探索,同时自组织地按照兴趣与能力分工。学生完全可以选择自己感兴趣的方式和创造有利于项目的自主学习环境,以学生自己喜欢的方式进行学习、研究,在与团队合作交流中达到互相学习完成目标的目的。

1.4 项目化开放式课堂的案例

以学生“飞行器原理”项目化开放式课堂为例说明项目化开放式课堂。学生可以自由组队,并选择自己喜欢的主题。学生自由组合分成三组,其中第一组研究旋翼无人机结构,第二组研究无人机飞行理论,第三组研究与旋翼无人机密切相关的螺旋桨原理。每组学生各自围坐在一起讨论、切磋,教师仅提供大的主题方向与样机器材等。学生自己搜集资料完成学习任务,并完成自己设定的目标任务(如图1) 。

在项目化实施过程中,学生成为项目的设计者、执行者、参与者、合作者与演讲者。项目化开放式课堂的优势不言而喻,解决了非项目化开放式课堂的一个最大难题,即教师必须为开放式课堂进行教学设计,因为教师是唯一的设计者。在项目化开放式课堂中,由于是目标驱动项目引领,学生会围绕目标与项目自组织展开研究、探索、讨论、学习,在边做边学、边学边做中成长。每个小组学生都自组织地成为设计者与参与者,使得项目的完成有了保障。

2 现有注意力识别方法与趋势

2.1 注意力识别方法

在人工智能时代,智能视觉方法引入课堂注意力识别已成为趋势,其中包括多模态生物识别技术的应用[7],如眼睛注视、面部运动、表情、身体运动、脑电、心理状态等方法的综合集成。其中眼球追踪器有多种模式和产品,如眼科常用的塔式眼球追踪器,另外还有屏幕、头盔、可穿戴、移动智能设备的眼球追踪器等,也可以是智能设备上基于摄像头开发的软件识别等。这些均是追踪眼睛的注意方向,缺点是距离太近。目前趋势是摄像头结合机器视觉技术,这样距离可以覆盖一般阶梯教室。以飞行器原理课堂教学为例,给出了传统教室的课堂布局示意图(如图2) 。

一般传统课堂注意力识别模式(如图3a) ,其中綠框表示学生此时注意力在教师讲课方向,红框表示学生分心看向黑板的反方向,均被智能算法依据面部朝向、眼睛凝视点等信息完成识别。另外,给出个人学习或远程网课环境下的注意力识别模式(如图3b) ,先通过网络摄像头或智能摄像头,采集人眼位置、眼动、人脸表情等,再通过智能分析系统或开源软件如YO?LOv5等分析注意力和学生专注程度等。具体包括:1) 学生学习行为分析;2) 学生情感识别。其特点是每个个体前放置摄像头(可以是笔记本电脑的前置摄像头,也可以是上网课的额外视频摄像头等)。

从图3中可以看出,无论何种智能识别技术,均离不开传感器。主要传感器为摄像头、3D摄像头,或内置摄像头的Kinect、Vicon等运动捕捉系统[4,23-24]。这些传感器主要获取学生面部与身体姿势状态,包括凝视点等,后台服务器则通过机器学习来训练识别注意力的智能模型。其特点是传统课堂前安放图像、视频采集系统,通过采集学生面部、身体图像等实现课堂注意力识别;或是上网课时,在电脑前放置摄像头,实时分析人眼注意力和人脸表情等来判断学生注意力。这种方式对灵活多样的项目化开放式课堂显然不适用。

2.2 创新教学注意力识别的趋势

未来创新教学注意力识别的趋势有三点:首先,传感器采集要适应动态与复杂的教学安排;其次,学习环境的改造与加强,以支持学生的差异与协作;最后,教学实践更依赖于高度复杂的、互动的教学环境,个性化、智能化要求更高。所以,目前的智能视觉课堂注意力识别技术已无法满足未来的要求。

3 项目化开放式课堂注意力識别的技术研究

3.1 技术研究的必要性

由于课堂注意力的重要性,很难相信无视教学的学生会从教学中受益。即使在项目化开放式课堂中,学生注意力依然是学生学习效果的重要指标。在有别于传统课堂中,如何利用智能技术识别学生的课堂注意力与积极参与程度,尤为重要。

结合项目化的开放式课堂作为未来的一种主流教学模式,同样离不开课堂注意力的智能识别技术。注意力识别离不开传感器的数据采集与智能算法的分析识别。开放式课堂与传统课堂的区别在于环境更复杂、学生学习活动更自由。如何实时追踪每一位学生的注意力与参与程度,将成为选择技术实现方法的关键。

3.2 技术研究的可行性及开发思路

研究表明,未来了解学生学习动态和复杂性的主要障碍之一是数据收集、同步和挖掘识别。为此必须开发新的人工智能解决方案和工具,以解决和促进开放式课堂中的个性化和智能学习。是否可以将图3b 中的摄像头集成到眼镜上,变成更加灵活的个体可穿戴注意力智能识别系统呢?

具体设想是通过佩戴第一视角双摄像头智能眼镜来打破环境约束。可以设计一款带双摄像头的智能眼镜(如图4) 。该眼镜前置摄像头以第一视角观察外界环境,后置摄像头可以用来追踪眼球,确定学生凝视点。这样可以解决灵活多样的项目化开放式课堂中学生注意力采集问题。

该眼镜本身还配置了蓝牙等通信模块,可以与后台服务器连接,将采集的图像信息上传到服务器,服务器通过机器学习算法来训练模型,实现学生注意力判断。同样,以飞行器原理课堂教学为例,给出“螺旋桨组”在项目化开放式课堂中智能眼镜学生注意力识别示意图(如图5) 。5名学生围成一桌,佩戴智能眼镜观察和讨论螺旋桨原理。后台服务器电脑显示了学生在第一视角下的观察注意力方向。其中,甲乙戊三名学生聚精会神凝视研究对象,丙丁两名学生走神凝视其他地方,机器学习训练后即可确定小组成员在开放式课堂的注意力情况。该解决方案完美地满足了项目化开放式课堂中学生个性化、智能化学习过程中注意力识别的双重要求。

4 结论

综上所述,开放式课堂是未来教学的趋势,而结合项目的开放式课堂更具优势。学生课堂注意力是学习效果优劣永远无法回避的问题。文章在介绍了课堂注意力重要性和传统课堂注意力智能视觉识别基础上,对项目化开放式课堂注意力识别进行了探索研究。同时,给出了基于第一视角下的双摄像头智能眼镜方案。该方案较好地解决了更加开放、复杂、动态教学环境下的注意力采集与识别问题,并满足了学生个性化差异、协作与智能学习需求。结合新一代人工智能技术,将更好地服务未来项目化开放式课堂的多样性、灵活性、自主性、创新性教学,使学生不但成为项目化开放式课堂的参与者,也成为设计者和合作者,为创新性人才培养提供新的智能工具。

猜你喜欢
开放式课堂项目化智能技术
试谈如何构建开放式高中语文课堂
智能技术在电力系统自动化中的运用研究
电气自动化控制中的人工智能技术探究
构建数学开放式课堂的有效策略
小学数学教学中开放式课堂的构建
家居空间设计项目化教学模式改革的国际比较研究
浅谈如何提高小学语文的课堂效率
浅谈项目化教学对中职学生技能水平提升的影响
基于市场营销应用型人才培养的项目化教学模式研究
关于烟草设备自动化系统浅析