基于人臉識(shí)別的智慧課堂

羅甜，羅福龍，丁朝陽，許行虎，范堃

（1.武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

縱觀國內(nèi)外的教育發(fā)展態(tài)勢，現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展已經(jīng)在一定程度上改變了以往傳統(tǒng)的教學(xué)形式。在學(xué)生的主體地位、學(xué)校教師的主導(dǎo)地位不變的情況下，教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”在觀念及形式上均已發(fā)生了極大的改變。教師的“教”已不再是簡單的知識(shí)輸出，而是需要根據(jù)實(shí)際學(xué)情進(jìn)行有針對(duì)性的“教”，而學(xué)生的“學(xué)”也不再是簡單的接收知識(shí)，而是根據(jù)知識(shí)的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行理解與運(yùn)用。而以上的“教”與“學(xué)”均離不開教育的信息化，只有實(shí)現(xiàn)了教育的信息化才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)教育的現(xiàn)代化和教育質(zhì)量的提升。從教育發(fā)展史中不難看出，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)教育的變革有著深遠(yuǎn)的影響，新的科技會(huì)融入和不斷促進(jìn)教育體系的革新?，F(xiàn)如今以人工智能為核心的科技革命正在引領(lǐng)第四次工業(yè)革命，其將對(duì)教育現(xiàn)代化變革產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響[1]。

1 課堂管理現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)考勤費(fèi)時(shí)費(fèi)力

在課堂教學(xué)過程中，考勤是第一步也是重要的一步，學(xué)生的出勤率會(huì)直接影響教學(xué)工作的正常開展以及學(xué)校的學(xué)風(fēng)建設(shè)。在日常教學(xué)工作中，考勤工作會(huì)受到課堂環(huán)境、參與人數(shù)等因素的影響，因此具有一定的特殊性[2]。目前大多數(shù)學(xué)校的考勤依然采用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行，如手工考勤，近年來還出現(xiàn)了一卡通考勤、指紋考勤等方式，但是以上考勤方式均存在一定的弊端：

（1）手工考勤：最傳統(tǒng)也是應(yīng)用最為廣泛的一種考勤方式，由教師根據(jù)各班點(diǎn)名冊進(jìn)行口頭點(diǎn)名并做記錄。這種考勤方式的優(yōu)點(diǎn)是較為簡單，不需要借助外部設(shè)備進(jìn)行考勤。但是其缺點(diǎn)是時(shí)間成本較高，容易受外部環(huán)境的影響，且存在較高的人工統(tǒng)計(jì)失誤的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）一卡通考勤：即利用學(xué)校統(tǒng)一設(shè)置的一卡通設(shè)備進(jìn)行刷卡識(shí)別并記錄的一種考勤方式。這種考勤方式的優(yōu)點(diǎn)是速度快，效率比較高，考勤數(shù)據(jù)可以直接上傳到后臺(tái)考勤系統(tǒng)中，便于后期考勤數(shù)據(jù)的整體統(tǒng)計(jì)分析。但是其缺點(diǎn)是對(duì)于考勤作弊的現(xiàn)象無法進(jìn)行有效防范[3]。

（3）指紋考勤：即借助外部生物指紋識(shí)別設(shè)備，對(duì)每個(gè)人獨(dú)有的生物指紋進(jìn)行識(shí)別并記錄的考勤方式。這種考勤方式的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)橹讣y的唯一性，能有效避免考勤作弊的現(xiàn)象。但是指紋考勤是直接接觸式識(shí)別，考勤方式不友好，特別是在疫情情況下，這種考勤方式存在較高的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 學(xué)生課堂行為無法量化，學(xué)習(xí)效果難以保證

課堂是教學(xué)活動(dòng)的主要場所，是學(xué)生獲取知識(shí)的主要陣地。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中，教師很難量化地掌握所有學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，更多的是根據(jù)目光所及的范圍和印象來評(píng)估當(dāng)下的教學(xué)工作。這種寬泛式的評(píng)估方式無法做到對(duì)學(xué)生學(xué)情的客觀統(tǒng)計(jì)及評(píng)價(jià)，也就無法根據(jù)學(xué)生學(xué)情及時(shí)調(diào)整教學(xué)，繼而無法保證整體教學(xué)質(zhì)量[4]。

1.3 教師行為管理松懈，課堂教學(xué)難以評(píng)估

如上所述，課堂是學(xué)生獲取知識(shí)的重要場所，同時(shí)也是教師進(jìn)行專業(yè)知識(shí)技能傳播的重要陣地。學(xué)校要想保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也需要規(guī)范教師的言行及舉止，特別是在學(xué)習(xí)氛圍較為寬松，且沒什么升學(xué)壓力的高校中，會(huì)出現(xiàn)一些教師遲到、早退，甚至讓別人代課或讓學(xué)生自習(xí)的現(xiàn)象。

2 智慧課堂系統(tǒng)分析

我國教育部部長陳寶生曾指出：“這個(gè)時(shí)代是信息化時(shí)代、全球化時(shí)代、新的科技革命時(shí)代，這一段時(shí)間，人工智能異軍突起，引起各方面的高度關(guān)注。這就要求我們對(duì)人才培養(yǎng)的模式進(jìn)行改革和創(chuàng)新。努力讓每個(gè)學(xué)生都能享有公平而有質(zhì)量的教育。”為了更好響應(yīng)教育部關(guān)于人工智能助力教育升級(jí)的精神，目前市場上涌現(xiàn)出了很多關(guān)于智慧課堂的綜合解決方案及落地項(xiàng)目，其主要功能有智能考勤、課堂行為分析、綜合教學(xué)管理等[5]。

2.1 基于人臉識(shí)別的智能考勤

為解決手工考勤、一卡通考勤、指紋考勤等方式中存在的缺點(diǎn)，目前市場上已推出了基于人臉識(shí)別的考勤管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過前端攝像機(jī)無感知地采集學(xué)生人臉信息進(jìn)行考勤，與以上較為傳統(tǒng)的考勤方式相比，這種基于人臉識(shí)別的考勤方式不需要學(xué)生主動(dòng)配合，能做到無接觸式、無感知的自動(dòng)考勤。此外，隨著通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等的不斷成熟，這種考勤方式的實(shí)時(shí)性較好，準(zhǔn)確率較高，且采集到的圖片及后臺(tái)分析數(shù)據(jù)可用于后期的時(shí)間溯源，給學(xué)生考勤管理提供了有力支撐[6]。

2.2 基于人體行為分析的學(xué)情統(tǒng)計(jì)與反饋

在正常課堂教學(xué)中，系統(tǒng)通過前端部署的攝像機(jī)對(duì)學(xué)生的表情及行為舉止進(jìn)行捕捉，再通過計(jì)算機(jī)視覺分析技術(shù)分析出學(xué)生目前的表情（高興、驚訝、困惑、難過、憤怒、害怕等）、行為（趴桌子、玩手機(jī)、舉手、講話、站立、書寫等），以便及時(shí)反映真實(shí)的課堂情況與學(xué)情，幫助教師根據(jù)數(shù)字化行為及學(xué)情信息進(jìn)行及時(shí)的教學(xué)調(diào)整。該系統(tǒng)還可以根據(jù)學(xué)生目前的表情及行為舉止對(duì)其心理及行為進(jìn)行預(yù)測并制定學(xué)生行為及情緒檔案，以便對(duì)學(xué)生進(jìn)行客觀的全面評(píng)價(jià)，此外系統(tǒng)可以根據(jù)課堂總體情況生成課堂教學(xué)畫像、課堂分析報(bào)告和學(xué)生個(gè)人行為情緒分析報(bào)告，以幫助輔導(dǎo)員及教師及時(shí)了解課堂及學(xué)生情緒變化，適時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的個(gè)性化輔導(dǎo)[7]。

2.3 基于人臉及行為數(shù)字化的教學(xué)綜合管理與評(píng)估

以上基于人臉識(shí)別的智能考勤和基于人體行為分析的統(tǒng)計(jì)與反饋除了可應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中的學(xué)生外，還可應(yīng)用于課堂教學(xué)中的教師。教師是教學(xué)活動(dòng)中的重要一員，其行為舉止將深深影響著學(xué)生對(duì)客觀世界的認(rèn)知。因此，可對(duì)教師的教學(xué)行為進(jìn)行一定范圍的約束，如對(duì)遲到、早退、無報(bào)備代課、體罰侮辱學(xué)生等不符合教學(xué)規(guī)范的現(xiàn)象進(jìn)行約束。如同學(xué)?？梢罁?jù)系統(tǒng)考勤和課堂表現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估一樣，學(xué)校也可參考系統(tǒng)平臺(tái)中的教師課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)其日常教學(xué)進(jìn)行合理評(píng)估[8]。

3 結(jié)語

基于“深度學(xué)習(xí)”和“計(jì)算機(jī)視覺”等IT技術(shù)的人臉識(shí)別技術(shù)，有著較好的發(fā)展及應(yīng)用前景，其利用人獨(dú)有的面部特征進(jìn)行身份辨識(shí)，是目前所有生物識(shí)別技術(shù)中對(duì)使用者影響最小的技術(shù)。人臉是區(qū)分個(gè)人的最重要的特征，較之于其他的生物識(shí)別方法，人臉面部特征具有唯一性和穩(wěn)定性，并且具有“攜帶”便利的特點(diǎn)?；谌四樧R(shí)別的智慧課堂系統(tǒng)通過智能考勤能在考勤上幫助教師和管理者節(jié)省大量的時(shí)間成本與人力成本；通過人臉及行為分析，能幫助教師實(shí)時(shí)掌握學(xué)情及課堂動(dòng)態(tài)，以便及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略以提高教學(xué)質(zhì)量；通過對(duì)人的行為及表情進(jìn)行分析與預(yù)測，可對(duì)異常情況及時(shí)提醒和預(yù)警，以便幫助教師及管理者快速關(guān)注到異常人員，做到及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；數(shù)字化的行為數(shù)據(jù)，能給學(xué)校管理者提供管理和決策依據(jù)，做到心里有數(shù)、決策有據(jù)。