大數(shù)據(jù)與人工智能的師生同享同樂(lè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

蘇州科技大學(xué)天平學(xué)院 姚 洪

由于目前信息技術(shù)的迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到教務(wù)教學(xué)中來(lái)，智能化的教育是教育發(fā)展的方向，是信息化發(fā)展的必然趨勢(shì)，如何利用現(xiàn)有大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)筑建適合當(dāng)下師生需要的平臺(tái)，是現(xiàn)在教育信息化的一個(gè)重要課題。本文從師生同享同樂(lè)的角度出發(fā)，利用現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)智能化平臺(tái)。

2016年6月中國(guó)教育部就教育信息化給出指導(dǎo)性規(guī)劃——《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，在這個(gè)規(guī)劃中就明確指出大至意為：全方面地提升教育信息的能力，著力于管理方面，以管理帶動(dòng)教育治理，進(jìn)而服務(wù)教育。2018年4月我國(guó)教育部就教育信息化又進(jìn)一步給出行動(dòng)計(jì)劃——《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，該行動(dòng)計(jì)劃表明我國(guó)教育信息化質(zhì)的飛躍從輔助性到主導(dǎo)性轉(zhuǎn)變；從提升學(xué)生信息技術(shù)應(yīng)用能力、向提升信息技術(shù)素養(yǎng)轉(zhuǎn)變；從應(yīng)用融合發(fā)展，向創(chuàng)新融合發(fā)展轉(zhuǎn)變。

1 現(xiàn)狀

學(xué)校的主要功能是教與學(xué)，教學(xué)質(zhì)量的好壞關(guān)系到學(xué)校未來(lái)的發(fā)展，關(guān)系到學(xué)生的發(fā)展，教學(xué)質(zhì)量一方面體現(xiàn)老師的教學(xué)能力水平，另一方面，是學(xué)生吸收掌撐知識(shí)的效率。不同的老師間，由于學(xué)歷水平、知識(shí)結(jié)構(gòu)、歷史經(jīng)驗(yàn)之間存在巨大的差異，會(huì)導(dǎo)致其教學(xué)能力水平有高低之分；不同的學(xué)生間，由于天賦秉性、理解能力不同，知識(shí)轉(zhuǎn)化吸收的效率也不盡相同。由于缺乏量化的分析手段，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)“教”與“學(xué)”過(guò)程中存在的問(wèn)題，也就無(wú)法在這些問(wèn)題點(diǎn)/弱項(xiàng)上進(jìn)行改進(jìn)提升，提高教學(xué)質(zhì)量也就變成鏡中水月，不了了之。使用新技術(shù)，利用最新的大數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別、行為分析等技術(shù)主導(dǎo)或輔助教學(xué)設(shè)計(jì)是提高教學(xué)水平、量化教學(xué)水平的一個(gè)新方向。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體目標(biāo)

以課堂為載體，以師生為核心，利用最新的大數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別、行為分析等與教學(xué)的深度融合。實(shí)現(xiàn)師生考勤、教學(xué)錄播、教學(xué)分析、課后智能分析等，方便對(duì)師生的簽到、答到、考勤管理，利用人臉識(shí)別方便智能化巡課督導(dǎo)，利用大數(shù)據(jù)分析方便課堂分析，利用統(tǒng)一通信方便消息互通，進(jìn)一步滿足教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、家長(zhǎng)參與和管理者管理等多角色的需求。

2.2 總體架構(gòu)

整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)在業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的針對(duì)用戶角色分為：學(xué)生角色、老師角色、家長(zhǎng)角色和管理者角色，以課堂為載體，以師生為核心場(chǎng)景，運(yùn)用最新的大數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別、行為分析等與教學(xué)的深度融合，構(gòu)建“教”、“學(xué)”和“管”為一體的師生同享同樂(lè)平臺(tái)，總體架構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明如下：

AI+課堂系統(tǒng)：由教師攝像機(jī)、學(xué)生攝像機(jī)、2個(gè)拾音器和一個(gè)智能錄播主機(jī)組成，系統(tǒng)簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單，一套系統(tǒng)就可以支持學(xué)生課堂、教師課堂行為分析等多種功能。

6種應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)師生考勤、教學(xué)錄播、教學(xué)分析、課后智能分析等，方便對(duì)師生的簽到、答到、考勤管理，利用人臉識(shí)別方便智能化巡課督導(dǎo)，利用大數(shù)據(jù)分析方便課堂分析，利用統(tǒng)一通信方便消息互通，進(jìn)一步滿足教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)、家長(zhǎng)參與和管理者管理等多角色的需求。

4類用戶：學(xué)校是以課堂為載體，以師生為核心構(gòu)建“教”、“學(xué)”和“管”為一體的師生同享同樂(lè)生態(tài)系統(tǒng)，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為立足點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)各類知識(shí)。加強(qiáng)老師、學(xué)生和校內(nèi)管理者之間的互動(dòng)，完善校園的運(yùn)行要素，建立與家長(zhǎng)勾通的信息通道，及時(shí)推送學(xué)生在校的生活、學(xué)習(xí)等相關(guān)信息。

圖1 傳統(tǒng)課堂

圖2 AI+課堂

圖3 AI分析維度

3 課堂應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)課堂

傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教育教學(xué)的時(shí)間長(zhǎng)河里，承擔(dān)重要的作用，但也基本沒(méi)有變化，模式相對(duì)單一，教師在課堂上針對(duì)一個(gè)話題或論點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一化講解，學(xué)生坐在下面認(rèn)真聽(tīng)講。這樣每天6到8h坐班制式，讓所有的學(xué)生讀著同樣的課本，解答同樣的問(wèn)題，背誦同樣的課文，如圖1所示。這種模式下存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題：

學(xué)習(xí)效率低：每個(gè)學(xué)生的思維方式不一樣，學(xué)習(xí)能力和進(jìn)度不一樣，教師往往“照本宣科”，難以顧及每一個(gè)學(xué)生，學(xué)習(xí)的效率其實(shí)是很低的；

被動(dòng)式教育：傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的邏輯思考和分析問(wèn)題的能力，被動(dòng)接受各種信息。但是很多科學(xué)研究表明，學(xué)生更喜歡尋找自己適合的，利用自己天性喜歡的方式來(lái)學(xué)習(xí)，這種學(xué)習(xí)效果更好、更快，知識(shí)在大腦中留下的記憶更深刻；

無(wú)法及時(shí)反饋：任課老師無(wú)法兼顧到每一個(gè)學(xué)生，對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的進(jìn)度無(wú)法及時(shí)了解，由于性格等原因，學(xué)生也很少向老師反饋學(xué)習(xí)疑惑。

3.2 AI+課堂

隨著人臉識(shí)別、行為分析、視頻結(jié)構(gòu)化等技術(shù)的快速發(fā)展，利用這些技術(shù)進(jìn)行課堂數(shù)據(jù)的“伴隨式”和“即時(shí)式”采集越來(lái)越成為一種趨勢(shì)，如圖2所示。這種AI+課堂教學(xué)模式存在如下優(yōu)點(diǎn)：

可量化：針對(duì)師生的課堂表現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)師生的課上行為，精準(zhǔn)地展示課堂中發(fā)生的各種活動(dòng)，讓不可量化的“主觀感受”變?yōu)椤翱陀^數(shù)據(jù)”成為可能；

易管理：通過(guò)將師生行為和情緒量化為數(shù)據(jù)，可以清晰地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題學(xué)生（學(xué)習(xí)效率低、表情消極等），及時(shí)地進(jìn)行干預(yù)和引導(dǎo)；

精細(xì)化：以前由于教師精力有限難以深度了解每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，現(xiàn)在有了這些可以量化的報(bào)表就可以比較精確地、針對(duì)性地教學(xué)。

3.3 AI分析維度

現(xiàn)有的技術(shù)條件，主要聚焦課堂行為分析和課堂專注度分析兩大類，如圖3所示。

課堂行為分析包括：班級(jí)行為統(tǒng)計(jì)分析；班級(jí)行為對(duì)比分析；班級(jí)行為趨勢(shì)分析；全校行為統(tǒng)計(jì)分析；

課堂專注度分析包括：學(xué)生專注度對(duì)比分析；班級(jí)專注度對(duì)比分析；班級(jí)專注度趨勢(shì)分析；考試成績(jī)&專注度碰撞分析；課堂行為分析。

總結(jié)：本文從簡(jiǎn)單的教學(xué)環(huán)境出發(fā)，以智慧教室的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境為載體，構(gòu)建一個(gè)師生同享同樂(lè)平臺(tái)，用于服務(wù)師生，建設(shè)符合學(xué)校自身?xiàng)l件的辦學(xué)環(huán)境和實(shí)際需要的智慧教室，充分發(fā)揮師生的能動(dòng)性，為智慧化教育教學(xué)提供一方案方法。