基于小學(xué)課堂音頻與S-T分析法的教學(xué)性格自動(dòng)判別

羅光華

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?基于判定教學(xué)性格的S-T分析法，使用小學(xué)課堂音頻特征進(jìn)行ST行為的自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)實(shí)證對(duì)比得出自動(dòng)判別與人工判別結(jié)果基本一致。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?課堂音頻;ST行為;自動(dòng)識(shí)別

[中圖分類號(hào)] ?G434 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2018）27-0110-01

S-T教學(xué)分析法是針對(duì)教學(xué)過(guò)程大致判定教學(xué)性格的一種常用的定量教學(xué)分析法，操作時(shí)需要安排專人進(jìn)行實(shí)時(shí)S-T行為記錄或根據(jù)課堂教學(xué)音視頻時(shí)間軸進(jìn)行采樣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但S-T分析法只是一種簡(jiǎn)單的教學(xué)行為定量處理[1]，人工采樣的模糊性造成的評(píng)判誤差一般不會(huì)對(duì)教學(xué)性格判定產(chǎn)生影響，可見(jiàn)S-T分析法對(duì)ST行為判定精度要求不高。

在小學(xué)課堂上，師生是課堂主要聲源并且語(yǔ)音特征差別較明顯，因此可以使用課堂教學(xué)音頻進(jìn)行基于ST行為自動(dòng)識(shí)別的小學(xué)課堂教學(xué)性格判別。同時(shí)只利用課堂音頻，需要處理的數(shù)據(jù)大幅減少，提高了分析效率。

一、音頻的S-T分析

S-T分析法指按照一定時(shí)間間隔對(duì)師生課堂行為進(jìn)行采樣，分別以S和T符號(hào)記錄，形成ST序列。教師視覺(jué)的、聽(tīng)覺(jué)的信息傳遞行為記T，包括教師講話、提問(wèn)、評(píng)價(jià)、板演（常伴有教師解說(shuō)）等，除了教師行為之外的所有行為記S，如學(xué)生思考、發(fā)言、練習(xí)、沉默等，所以音頻中靜音與低音量段都被歸為S行為。

利用ST行為序列計(jì)算教學(xué)中的T行為占有率Rt與ST行為轉(zhuǎn)化率Ch。Rt=NT/N，Ch=（g-1）/N，其中N為采樣總數(shù)，NT為T(mén)行為總數(shù)，g為行為序列中相同行為的連續(xù)段數(shù)，g-1即ST行為轉(zhuǎn)換的次數(shù)。依據(jù)Rt-Ch值將教學(xué)性格分為四種：練習(xí)型（Rt≤0.3）、講授型（Rt≥0.7）、對(duì)話型（Ch≥0.4）、混合型（0.3

二、課堂音頻特征提取

音頻特征分為時(shí)域特征和頻域特征。時(shí)域特征包括響度、短時(shí)平均能量、短時(shí)平均過(guò)零率等，頻域特征包括頻譜、子帶能量比、Mel頻率倒譜系數(shù)（MFCC）等。先對(duì)音頻按照固定頻率采樣量化與預(yù)加重，再分割出一定時(shí)長(zhǎng)的音頻片段，對(duì)片段加窗函數(shù)形成幀，最后計(jì)算各幀的時(shí)域與頻域特征[3]。

通常在錄制課堂影音時(shí)教師借助擴(kuò)音器發(fā)聲明顯，而學(xué)生發(fā)聲、靜音與環(huán)境噪音表現(xiàn)較弱，因此時(shí)域特征選擇響度、短時(shí)平均能量與短時(shí)平均過(guò)零率，頻域特征則使用頻譜質(zhì)心均值、MFCC及其一階差分。研究使用“python+librosa”音頻工具包提取各項(xiàng)音頻特征并分別提取某段T行為與S行為音頻特征作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練基于CART算法的決策樹(shù)，最后將生成的分類器用于約40分鐘課堂的ST行為識(shí)別。

三、實(shí)證研究

研究使用了福建漳州藍(lán)田經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)高寶霞老師提供在國(guó)家教育資源公共服務(wù)平臺(tái)的《分?jǐn)?shù)的初步認(rèn)識(shí)》一課相應(yīng)音頻，采樣率22.05kHz，精度16bit，每間隔30秒分割出1秒片段，對(duì)每個(gè)片段加窗長(zhǎng)1024（約46毫秒）漢明窗形成幀，相鄰幀重疊512點(diǎn)，使用“l(fā)ibrosa”提取響度、短時(shí)平均能量、短時(shí)平均過(guò)零率、頻譜質(zhì)心均值和13維MFCC及其13維一階差分并分別對(duì)MFCC及其一階差分作PCA降維，最后將81個(gè)采樣點(diǎn)輸入訓(xùn)練好的決策樹(shù)進(jìn)行ST行為自動(dòng)識(shí)別，形成S-T分析報(bào)告，其結(jié)果與人工采樣S-T分析報(bào)告對(duì)比如圖。

可以看出二者ST時(shí)序列基本相同（圖1），Rt-Ch值相當(dāng)接

近（圖2），二者一致判定該課教學(xué)性格為對(duì)話型。

參考文獻(xiàn)：

[1]李菁.S-T分析法在教學(xué)效果診斷中的有限性分析[J].科教導(dǎo)刊，2015（7）：57-58.

[2]傅德榮，章慧敏，劉清堂.教育信息處理[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[3]韓紀(jì)慶，張磊，鄭鐵然.語(yǔ)言信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.