基于注意力分析的主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程改進(jìn)實踐

張引 趙玉麗 朱志良

[摘 要] 主動學(xué)習(xí)幫助學(xué)生保持注意力并提升課堂參與度，從而提升教學(xué)效果。教師在實踐主動學(xué)習(xí)教學(xué)時面臨的一個主要的問題是如何評價主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動是否保持了學(xué)生的注意力，從而改進(jìn)主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程。針對該問題，“離散數(shù)學(xué)”課程組開發(fā)了面向主動學(xué)習(xí)的注意力分析系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程改進(jìn)實踐。通過將主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程注意力分析與記錄系統(tǒng)與課堂隨訪相結(jié)合，課程組有針對性地改進(jìn)了教學(xué)過程，提升了教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 主動學(xué)習(xí);注意力分析;教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.42? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）03-0001-04? ?[收稿日期] 2019-12-15

一、引言

在以傳統(tǒng)講授式授課為主的課堂上，教師面臨的一個突出問題是學(xué)生在長時間地聆聽授課后容易注意力不集中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果下降。Wilson等的研究表明，在單項教學(xué)活動中，學(xué)生只能將注意力保持15～20分鐘[1]。在此段時間之后，學(xué)生的注意力則會快速地分散。然而，高等學(xué)校的一節(jié)課通常要持續(xù)50分鐘，這意味著在單純采用講授式授課的課堂上，學(xué)生在絕大多數(shù)時間里都將注意力集中在了教學(xué)活動上，課堂參與度低，從而限制了教學(xué)效果。

主動學(xué)習(xí)（Active Learning）被認(rèn)為是保持學(xué)生的注意力從而提升教學(xué)效果的一種有效的教學(xué)方法[2]。主動學(xué)習(xí)提供了數(shù)百種不同的教學(xué)活動[3]，并根據(jù)學(xué)生的注意力曲線，每隔15～20分鐘切換不同的教學(xué)活動，幫助學(xué)生保持注意力并提升課堂參與度，從而提升教學(xué)效果。主動學(xué)習(xí)已經(jīng)在國外高校獲得廣泛的采用，并逐漸獲得國內(nèi)高校的大量關(guān)注。目前已有大量課程開始嘗試引入主動學(xué)習(xí)方法改善教學(xué)質(zhì)量[4]。

在從傳統(tǒng)的講授式授課向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變的過程中，困擾一線教師的一個重要問題是如何評價教學(xué)活動是否有效地保持了學(xué)生的注意力。一方面，我國的多數(shù)一線教師在學(xué)生時代就成長在傳統(tǒng)的講授式授課環(huán)境中，在日常教學(xué)工作中也主要采用講授式授課，缺乏把握主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動節(jié)奏的經(jīng)驗。另一方面，我國的多數(shù)學(xué)生只接觸過傳統(tǒng)的講授式授課，缺乏參與主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動的經(jīng)歷。這些因素不僅導(dǎo)致學(xué)生比較“靦腆”，對教學(xué)活動的反應(yīng)不如教師預(yù)期的強(qiáng)烈，使得教師無法確定學(xué)生是否能保持注意力，而且導(dǎo)致教師不確定應(yīng)該在何時切換到教學(xué)活動，并且難以把握不同教學(xué)活動的實施效果，無法充分反思進(jìn)步[5]。

在傳統(tǒng)的講授式授課環(huán)境下，為了分析并判斷學(xué)生的注意力情況并改進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)，已有大量研究提出了多種類型的注意力分析系統(tǒng)[6，7]。由于講授式授課的教學(xué)活動比較簡單，教學(xué)互動比較單一，只需要利用姿態(tài)檢測、面部檢測、視線檢測等檢測技術(shù)來判斷學(xué)生是否將注意力集中在教師、屏幕或黑板上。然而，采用主動學(xué)習(xí)的課堂通常要使用2～3種教學(xué)活動，并且每個教學(xué)活動還包括多個階段，這為注意力的有效檢測帶來了挑戰(zhàn)。

針對上述問題，東北大學(xué)軟件學(xué)院“離散數(shù)學(xué)”課程組研發(fā)了一套“主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程注意力分析與記錄系統(tǒng)”，并將其用于主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程的改進(jìn)。該系統(tǒng)針對多樣化的主動學(xué)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，綜合運用多種檢測技術(shù)判斷學(xué)生的注意力。通過分析并記錄學(xué)生在不同教學(xué)活動中的注意力情況，課程組分析了不同教學(xué)活動保持學(xué)生注意力的效果，積累了教學(xué)活動切換時機(jī)的經(jīng)驗?；谶@些經(jīng)驗，課程組改進(jìn)了主動學(xué)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)及其切換時機(jī)，有效提升了教學(xué)質(zhì)量。

二、面向主動學(xué)習(xí)的注意力分析系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的講授式授課中，學(xué)生要做的主要事情是聆聽和記錄。在這種環(huán)境下，注意力分析系統(tǒng)只需要利用姿態(tài)檢測等檢測技術(shù)判斷學(xué)生是否將注意力集中在教師、屏幕或黑板上。然而，采用主動學(xué)習(xí)的課堂通常要使用2～3種教學(xué)活動，并且每個教學(xué)活動還包括多個階段。例如，“討論—匯報”教學(xué)活動就包括小組討論、小組匯報兩個階段。其中，小組討論階段要求學(xué)生針對教師布置的話題展開資料查找和組內(nèi)討論，從而形成結(jié)論;小組匯報階段則要求學(xué)生面向課堂介紹討論結(jié)果，同時要求其他同學(xué)聆聽并針對討論結(jié)果提出質(zhì)疑。

在主動學(xué)習(xí)的不同教學(xué)活動階段，學(xué)生的注意力會表現(xiàn)為不同的形式。例如，在“討論—匯報”教學(xué)活動的小組討論階段，學(xué)生的注意力表現(xiàn)為認(rèn)真查找相關(guān)資料并積極參與小組討論;在小組匯報階段，學(xué)生的注意力則表現(xiàn)為認(rèn)真聆聽報告并提出質(zhì)疑。因此，要想在主動學(xué)習(xí)課堂上檢測學(xué)生的注意力，就需要首先確定教學(xué)活動的階段，再利用多種檢測技術(shù)判斷學(xué)生的注意力。為此，“離散數(shù)學(xué)”課程組開發(fā)了一套面向主動學(xué)習(xí)的教學(xué)過程注意力分析與記錄系統(tǒng)，如下圖所示。

上圖所示的注意力分析系統(tǒng)包含一組預(yù)設(shè)的教學(xué)活動階段圖標(biāo)。教師在主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動開始時，利用屏幕或掛圖等手段展示教學(xué)活動階段圖標(biāo)。此時，教學(xué)活動階段識別模塊會識別教學(xué)活動階段圖標(biāo)，從而確定當(dāng)前的教學(xué)階段。在教學(xué)活動過程中，學(xué)生行為捕獲模塊拍攝學(xué)生行為的立體影像，并利用學(xué)生行為識別模塊識別身體姿態(tài)、面部朝向、是否在說話、是否在使用手機(jī)等多種行為特征。最后，注意力計算模塊調(diào)用與教學(xué)過程階段對應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，根據(jù)學(xué)生的行為特征計算學(xué)生的注意力?；谶@一系統(tǒng)，“離散數(shù)學(xué)”課程組記錄了學(xué)生在主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動中的注意力變化情況，進(jìn)而實現(xiàn)了主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程的改進(jìn)。

三、主動學(xué)習(xí)教學(xué)過程的改進(jìn)

（一）“離散數(shù)學(xué)”與主動學(xué)習(xí)

“離散數(shù)學(xué)”是軟件工程及相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課。同時，“離散數(shù)學(xué)”也是各類數(shù)學(xué)課中與軟件工程專業(yè)結(jié)合較為直接與緊密的一門課程，其被大量地應(yīng)用于日常軟件工程的實踐中，對軟件工程專業(yè)學(xué)生的職業(yè)發(fā)展具有重要的意義與價值。然而，從整體來看，數(shù)學(xué)類課程的理論性都比較強(qiáng)，如果單純采用講授式授課，長時間單調(diào)地理論灌輸會導(dǎo)致學(xué)生快速失去注意力，降低學(xué)習(xí)效率。同時，學(xué)生也由于缺少將理論知識與軟件工程實踐相結(jié)合的實踐經(jīng)歷，導(dǎo)致難以將知識轉(zhuǎn)化為能力與競爭力，限制了學(xué)生能力的培養(yǎng)。

為了提升學(xué)生的注意力并培養(yǎng)學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐能力，“離散數(shù)學(xué)”課程組設(shè)計了一系列主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動，并與傳統(tǒng)講授式教學(xué)穿插進(jìn)行，既幫助學(xué)生維持注意力，又通過主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動的實際操作培養(yǎng)學(xué)生的知識轉(zhuǎn)化能力。然而，在實際的教學(xué)實踐中，由于師生缺少主動學(xué)習(xí)活動經(jīng)驗，導(dǎo)致了主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動選擇不合理、教學(xué)活動切換時機(jī)不準(zhǔn)確，以及學(xué)生不能很好地投入教學(xué)活動等問題。

針對這些問題，“離散數(shù)學(xué)”課程組應(yīng)用面向主動學(xué)習(xí)的注意力分析系統(tǒng)分析了學(xué)生在講授式授課以及主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動中的注意力情況，并結(jié)合課堂隨訪明確學(xué)生注意力無法有效集中的原因。結(jié)果表明，盡管切換教學(xué)活動有助于保持學(xué)生的注意力，但學(xué)生在主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動中的注意力還會受到主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的熟練程度、教學(xué)活動問題的復(fù)雜程度、教學(xué)活動種類的豐富程度、教學(xué)活動的競爭性等因素的影響。其中，學(xué)生對主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的熟練程度與其他因素之間存在比較明顯的相關(guān)性。

一是當(dāng)學(xué)生對主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的熟練程度比較低時，學(xué)生期望參與復(fù)雜度較低、競爭性較弱的教學(xué)活動。此時，教學(xué)活動的種類可以相對較少，便于學(xué)生熟悉主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式。

二是當(dāng)學(xué)生逐漸熟悉主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式時，學(xué)生開始期望參與更復(fù)雜的教學(xué)活動。此時，提升教學(xué)活動的競爭性并增加教學(xué)活動的種類有助于激勵學(xué)生投入教學(xué)活動中。

三是在學(xué)生熟悉主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式后，復(fù)雜、新穎且富有競爭性的教學(xué)活動能夠更好地保持學(xué)生的注意力。

基于上述觀察，“離散數(shù)學(xué)”課程組依據(jù)學(xué)生對主動學(xué)習(xí)教學(xué)模式的熟練程度，將教學(xué)過程劃分為起步、熟悉、熟練三個階段，并分別設(shè)計了主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動，從而提升主動學(xué)習(xí)的教學(xué)效果。

（二）主動學(xué)習(xí)起步階段

在主動學(xué)習(xí)的起步階段，學(xué)生對于主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動較為陌生。此時，應(yīng)用復(fù)雜度比較低、時間比較短、易于上手的主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動有助于學(xué)生邁出向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變的第一步。同時，競爭性較弱的教學(xué)活動也有助于學(xué)生產(chǎn)生安全感，避免學(xué)生產(chǎn)生挫敗、尷尬等情緒，有助于學(xué)生適應(yīng)主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動。同時，這一階段也是課程內(nèi)容的起步階段，授課內(nèi)容比較簡單，便于學(xué)生產(chǎn)生成就感，從而提升教學(xué)活動的參與度。

針對這些觀察，“離散數(shù)學(xué)”課程組在主動學(xué)習(xí)起步階段主要選擇“討論—海報”“掃碼投票”等教學(xué)活動。這類教學(xué)活動與傳統(tǒng)的講授式授課的區(qū)別不大，學(xué)生可以直接在座位上完成，“侵入性”比較小，方便適應(yīng)了講授式授課的學(xué)生轉(zhuǎn)換思維。這類教學(xué)活動的結(jié)果也不區(qū)分對錯或勝負(fù)，給學(xué)生比較大的安全感，有助于提升學(xué)生的參與度。以“討論—海報”為例，學(xué)生需要完成的教學(xué)活動如下：以小組為單位，將其熟悉的程序員的“?！?，用命題邏輯和謂詞邏輯的形式表述出來，并制作成海報貼在黑板上。例如：軟件工程專業(yè)的學(xué)生都學(xué)習(xí)過Java語言，Java語言能new對象，因此軟件工程專業(yè)的學(xué)生都有“對象”。

（三）主動學(xué)習(xí)熟悉階段

在主動學(xué)習(xí)的熟悉階段，學(xué)生已經(jīng)逐步了解了主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動，知道參與主動學(xué)習(xí)的樂趣。此時，可以適當(dāng)提升教學(xué)活動的復(fù)雜度，延長主動學(xué)習(xí)活動的時間，讓學(xué)生在解決更復(fù)雜的問題的過程中獲得更多的樂趣。同時，教師可以利用競爭作為工具，創(chuàng)造良性的競爭條件，促使學(xué)生進(jìn)一步融入主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動中。由于學(xué)生已經(jīng)熟悉了已有的主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動，因此需要引入新形式的教學(xué)活動，確保學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性。通常來講，這一階段的教學(xué)內(nèi)容也開始逐漸深入，為提升主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動的復(fù)雜性創(chuàng)造了條件。

針對這一階段，“離散數(shù)學(xué)”課程組主要選擇“競坐”“討論—報告—投票”等要求學(xué)生站出來并參與競爭的主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動。以“競坐”為例，學(xué)生需要完成如下的教學(xué)活動：給定一組開放、含糊的功能需求，其中某些功能需求只能在其他功能需求實現(xiàn)之后才能實現(xiàn);要求使用偏序關(guān)系對功能需求進(jìn)行建模，并確定功能需求的實現(xiàn)順序;需要注意針對含糊的功能需求，應(yīng)該列出所有的可能性。學(xué)生進(jìn)行分組討論，討論時間結(jié)束后，每組隨機(jī)選擇一名組員起立，并在教師的組織下針對題目的解題過程開展搶答，先搶到并且答對的學(xué)生可以坐下，對于給出精彩答案的學(xué)生，可以自行選擇一位同學(xué)一同坐下。

（四）主動學(xué)習(xí)的熟練階段

處于主動學(xué)習(xí)熟練階段的學(xué)生已經(jīng)較多地參與過主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動，熟悉主動學(xué)習(xí)的理念和準(zhǔn)則，能夠比較主動地參與到教學(xué)活動中。此時，教師可以使用需要較長時間才能完成的教學(xué)活動，讓學(xué)生解決高度開放性的問題，并允許學(xué)生直接開展正面競爭，讓學(xué)生逐漸成為學(xué)習(xí)活動的核心，教師則逐漸從教學(xué)過程的主控者轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)者。同時，此階段的教學(xué)內(nèi)容通常已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)碾y度，為構(gòu)建復(fù)雜的教學(xué)活動問題提供了有利的條件。

在此階段，“離散數(shù)學(xué)”課程組主要選擇“即時反饋測試”“角色扮演”等問題復(fù)雜、需要較多時間才能完成、競爭性較為激烈的主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動。以“即時反饋測試”為例，學(xué)生需要完成如下教學(xué)活動：程序員之間存在很多條“自我認(rèn)同鏈”，例如，C語言工程師的自我認(rèn)同高于C++工程師、C++工程師的自我認(rèn)同高于Java和C#工程師、Java和C#工程師則“互不對付”?，F(xiàn)在，請使用圖模型和著色來為給定的幾個團(tuán)隊規(guī)劃一層辦公區(qū)域，確保他們的自我認(rèn)同之間不會產(chǎn)生沖突。完成設(shè)計之后，請在“即時反饋測試”答題卡上答題。每道題都是選擇題，每個答案上都有一個“刮刮樂”區(qū)域，刮開選項之后會立刻得知答案是否正確。刮開一個選項就正確的，該題得4分;每多刮開一個選項，扣1分;得分最高的組獲勝。

四、結(jié)語

主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動可有效保持學(xué)生的注意力，有助于教師更有效地應(yīng)用主動學(xué)習(xí)教學(xué)方法提升教學(xué)質(zhì)量。本文應(yīng)用面向主動學(xué)習(xí)的注意力分析系統(tǒng)，分析并改進(jìn)了在“離散數(shù)學(xué)”教學(xué)過程中的主動學(xué)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過在主動學(xué)習(xí)的起步、熟悉、熟練三個階段，有針對性地設(shè)計了具有不同復(fù)雜度、競爭性，以及豐富性的主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動，有效地幫助學(xué)生參與到主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動中，從而保持注意力，提升學(xué)習(xí)效果。此方法不僅有助于教師運用多種主動學(xué)習(xí)教學(xué)活動提升教學(xué)效果，也為引入其他類型的教學(xué)方法提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[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]趙玉麗，張引，張斌，等.主動學(xué)習(xí)在《可視化程序設(shè)計》課程中的實踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（50）：160-161.

[5]甘宜濤.主動學(xué)習(xí)課堂視角下教育者角色的重新認(rèn)識[J].揚州大學(xué)學(xué)報（高教研究版），2020，24（4）：37-42.

[6]駱祖瑩，張丹慧.課堂教學(xué)自動評價及其初步研究成果[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2018，28（8）：38-44.

[7]陳雯，許鴻文，江立華.高校思想政治理論課堂注意力與教學(xué)模式改革的有效性研究——基于圖像識別跟蹤技術(shù)的Cox回歸生存分析[J].思想理論教育導(dǎo)刊，2018（9）：84-89.