基于視頻分析的課堂教學(xué)效果自動評價系統(tǒng)

文楷　田生偉　王琨　祁青山　王政山

摘要 為了更合理地培養(yǎng)高校人才，更合理全面地管理學(xué)生，對學(xué)生進行更全面、科學(xué)的綜合評價，運用先進的機器學(xué)習(xí)技術(shù)，開發(fā)基于視頻分析的課堂教學(xué)效果自動評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)由考勤檢測、學(xué)習(xí)狀態(tài)分析、學(xué)習(xí)情況自動評價、定期信息發(fā)送等幾大模塊組成，實現(xiàn)課堂教學(xué)效果的自動評價。

關(guān)鍵詞 視頻分析；教學(xué)效果自動評價系統(tǒng)；教學(xué)管理系統(tǒng)

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0050-03

1 前言

課堂是教育教學(xué)實施的主要陣地，是教師專業(yè)技能發(fā)揮的重要場所，也是教師評價一個學(xué)生的重要途徑。但是現(xiàn)在的大學(xué)都是大合堂上課，上課人數(shù)少則六七十人，多則上百人，這為學(xué)校評價一個學(xué)生的課堂表現(xiàn)造成巨大的困難。傳統(tǒng)的課堂評價機制在新時代的背景下對滿足全面評價學(xué)生的需要已漸漸疲軟，更在充分提升學(xué)生素質(zhì)的重任上顯得乏力，它的缺陷如下。

1）現(xiàn)在的學(xué)生尤其是大學(xué)生上課遲到、曠課現(xiàn)象時有發(fā)生，為了保證教學(xué)質(zhì)量，教師上課點名成為必須做的事情。如果教師每節(jié)課都點名，既浪費上課時間，又消耗教師的精力，并且若有人代答到，還得不到真實的考勤情況，嚴重降低考勤的意義和效率。

2）傳統(tǒng)的對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的總結(jié)往往存在依據(jù)單一、依據(jù)不實的情況，從而無法全面客觀評價一個學(xué)生，而且也無法客觀評價一個教師的教學(xué)質(zhì)量。學(xué)校最重要的對學(xué)生的考評就是對學(xué)生上課情況的考察，但是教師的責(zé)任是傳授知識，這就使得對學(xué)生上課狀況的考察有所缺失，從而造成對學(xué)生評價的不全面。傳統(tǒng)的考察方式只能通過考試來側(cè)面反映學(xué)生的上課情況，而無法全面對一個學(xué)生的綜合素質(zhì)做出科學(xué)的評價。

3）傳統(tǒng)教學(xué)評價機制無法做到及時且長期地和學(xué)生進行交互。學(xué)生，尤其是大學(xué)生，往往到了期末才能對自己一個學(xué)期的學(xué)習(xí)情況有一個大概的了解，特別是對于學(xué)習(xí)成績不是特別優(yōu)秀的學(xué)生而言。要想及時將學(xué)生每天乃至每堂課的表現(xiàn)反饋給學(xué)生自己讓他們反思，傳統(tǒng)的教學(xué)評價機制只能望塵莫及。但這些反饋工作對學(xué)生的成長又是極其重要的。

基于上述傳統(tǒng)教學(xué)管理系統(tǒng)的諸多不足，有必要開發(fā)新一代教學(xué)效果自動評價系統(tǒng)，用以輔助對課堂教學(xué)效果的評價。

2 系統(tǒng)簡介

基于視頻分析的課堂教學(xué)效果自動評價系統(tǒng)（以下簡稱“自動評價系統(tǒng)”）是一個基于機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人臉識別，涉及教學(xué)管理多個環(huán)節(jié)的綜合評價系統(tǒng)。它主要包括自動考勤、課堂學(xué)習(xí)狀況監(jiān)測、學(xué)習(xí)情況自動評價、定期發(fā)送學(xué)習(xí)情況等多個功能。多個模塊相互協(xié)調(diào)，全方位、多層次地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，讓教師更加輕松地了解和評價一個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。并且，該系統(tǒng)具有自我完善的能力，它可以根據(jù)平時運行時收集到的數(shù)據(jù)自動更新自己的數(shù)據(jù)庫，從而提高識別的正確率以及評判的公平性和準確性。同時，該系統(tǒng)還是一個高度可擴展的系統(tǒng)，既可以與現(xiàn)行的高校管理系統(tǒng)進行對接，直接導(dǎo)入高校管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，也為將來系統(tǒng)中的算法升級、功能添加預(yù)留了大量的可擴展空間。更重要的，國內(nèi)外將機器學(xué)習(xí)中的人臉識別、行為識別運用到課堂教學(xué)、學(xué)生評價的事例屈指可數(shù)，因此，該系統(tǒng)可作為人臉識別和行為識別在課堂教學(xué)中應(yīng)用的先行實驗。

3 系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)主要由初始化模塊、綜合處理模塊、考勤模塊、上課狀態(tài)模塊、學(xué)習(xí)情況分析模塊、信息發(fā)送模塊、更新模塊等七大模塊組成。系統(tǒng)整體運行意圖如圖1所示。以下是系統(tǒng)整個運行流程簡介。

初始化整個系統(tǒng) 初始化模塊從學(xué)校數(shù)據(jù)庫取得學(xué)生的基本數(shù)據(jù)和課程安排時間表，系統(tǒng)自動設(shè)定監(jiān)控時間。其中最重要的數(shù)據(jù)是學(xué)生的人臉圖像數(shù)據(jù)以及學(xué)生的個人信息（如姓名、班級等）。初始化模塊負責(zé)初始化系統(tǒng)各個部分的初始化參數(shù)，為系統(tǒng)正常啟動和運行做準備。

自動考勤 根據(jù)初始化模塊錄入的課程安排時間表，到達上課時間，系統(tǒng)自動啟動攝像頭，并開始拍攝取樣。通過分析在課堂開始前的一小段時間內(nèi)（可以自行設(shè)定）拍攝的視頻或者得到的圖片，提取出其中的人臉，與初始化模塊從學(xué)生數(shù)據(jù)庫中讀出的人臉數(shù)據(jù)進行比對，從而實現(xiàn)考勤。為了使考勤更加準確，系統(tǒng)還會自動監(jiān)測教室出入口的人員進出情況。并且為了提高考勤的準確率，系統(tǒng)還會在上課過程中自動隨機選擇某個時間點對學(xué)生進行再次考勤。最后，一節(jié)課結(jié)束后自動分別給出缺勤和遲到人數(shù)，缺勤和遲到學(xué)生的姓名等學(xué)生的基本信息展示在前臺界面并寫入數(shù)據(jù)庫。

自動監(jiān)測學(xué)生上課狀況 考勤結(jié)束，教師開始正式上課后，上課狀態(tài)模塊會每隔一段時間自動錄制一小段視頻或者拍攝一組圖片進行取樣分析，間隔的時間可自行設(shè)定，也可隨機產(chǎn)生，然后提取出圖片中的人體行為數(shù)據(jù)，并和初始化模塊讀取的數(shù)據(jù)進行比對分析，從而預(yù)測分析學(xué)生的上課狀態(tài)。最后，上課狀態(tài)分析模塊將分析得到的信息顯示在前臺界面并保存到數(shù)據(jù)庫中。

自動分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀況 學(xué)習(xí)情況分析模塊將根據(jù)上述對學(xué)生考勤和上課狀況的記錄，經(jīng)過一系列的加權(quán)計算自動分析出某段時間內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，給出一個數(shù)值。若某個學(xué)生表現(xiàn)低于某個數(shù)值n次時（n可以由管理員自己設(shè)定），系統(tǒng)會對該學(xué)生發(fā)出“警告”，提示教師要特別關(guān)注該學(xué)生，并且將該信息交付給綜合處理模塊。其中分析學(xué)習(xí)情況的時間長度可自由設(shè)定，可以是一節(jié)課后，也可以是一周后、一個月后，甚至是整個學(xué)期的匯總報告。

發(fā)送學(xué)生學(xué)習(xí)情況 信息發(fā)送模塊可根據(jù)學(xué)習(xí)情況分析模塊的信息，自動生成“個人近期學(xué)習(xí)情況分析通知書”，通過QQ、微信、短信等方式自動發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生能及時了解自己的學(xué)習(xí)狀況，分析近期自己在哪些方面做得不足以及時改正，激發(fā)學(xué)生的潛能。同時，該模塊還可以將學(xué)生的“個人近期學(xué)習(xí)情況分析通知書”發(fā)送給其監(jiān)護人（該功能由管理員自行設(shè)定是否啟用）?！皞€人近期學(xué)習(xí)情況分析通知書”同時支持教師根據(jù)系統(tǒng)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的分析及個人意見自行編輯或者添加評語。

定期更新數(shù)據(jù)庫識別數(shù)據(jù) 系統(tǒng)在監(jiān)測學(xué)生，同時也在自我學(xué)習(xí)，更新模塊將根據(jù)系統(tǒng)平時運行時收集到的數(shù)據(jù)自動對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行定時的更新，從而保證系統(tǒng)中的學(xué)生信息為最新信息。并且此舉可以明顯提高考勤和上課狀態(tài)模塊的識別正確率。

綜合處理模塊協(xié)調(diào)各個模塊 該模塊主要起到橋梁作用，使系統(tǒng)能夠高效有序地運行。如該模塊將調(diào)用自動考勤模塊以及上課狀態(tài)模塊中得到的數(shù)據(jù)，交給自動分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀況模塊，使之自動分析，并得到其數(shù)據(jù)交付給信息發(fā)送模塊，再由信息發(fā)送模塊做出處理。

4 系統(tǒng)的擴展

自動評價系統(tǒng)不僅是一個高效的學(xué)生上課情況評價管理系統(tǒng)，還是一個高度可擴展的系統(tǒng)，可以嫁接高?，F(xiàn)行的大多數(shù)學(xué)生管理系統(tǒng)的模塊，實現(xiàn)無縫連接，可將學(xué)生信息直接導(dǎo)入該系統(tǒng)，同時為未來系統(tǒng)的更新擴展預(yù)留了大量的空間。例如：今后可以在該系統(tǒng)上擴展學(xué)生心理健康分析系統(tǒng)，通過對比學(xué)生近期學(xué)習(xí)情況，利用表情識別技術(shù)，實現(xiàn)對學(xué)生心理健康的分析；還可以將學(xué)生的作業(yè)考核納入該系統(tǒng)，并根據(jù)學(xué)生的作業(yè)情況分析學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。并且，該系統(tǒng)還為更高效準確的機器學(xué)習(xí)算法預(yù)留了大量可擴展空間，對現(xiàn)行的機器學(xué)習(xí)算法也能靈活更換或者更新。

5 系統(tǒng)運行測試

圖2所示為隨機選取的由系統(tǒng)截取的課堂圖片。目前系統(tǒng)的考勤正確率最高可達95.3%，隨著系統(tǒng)的運行，正確率還可以再提高。對于學(xué)生的簡單行動已經(jīng)可以進行識別，并給出簡單的評價。如圖2中中間第三排自右向左第二個學(xué)生趴在桌子上的動作已經(jīng)可以識別出。但準確率目前較低，后期通過算法的升級和系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，準確率會得到很大提升。

6 結(jié)束語

高效率的考勤，精確的上課狀態(tài)檢測，及時的信息反饋，不僅有利于高校對人才的培養(yǎng)，更有利于學(xué)生對自身的嚴格要求。該系統(tǒng)能夠有效解決大學(xué)生遲到、曠課嚴重的情況，讓學(xué)校對學(xué)生的管理和評價更加科學(xué)，學(xué)生也能從該系統(tǒng)中及時了解到自己的學(xué)習(xí)狀況。不僅是提高高校人才素質(zhì)的一種手段，更推進了高校教學(xué)管理的自動化進程。同時，國內(nèi)各大軟件公司對這方面鮮有涉足，因此，該系統(tǒng)也有極好的市場應(yīng)用前景。