基于學(xué)習(xí)注意力分析的計算機實驗教學(xué)評價

王薇，劉星，徐新

(武漢科技大學(xué)計算機學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

“十三五”期間我國高等教育發(fā)展日新月異；2020年印發(fā)的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標(biāo)的建議》中提出“普及高等教育”的新的挑戰(zhàn)。2021年不僅是“十四五”的起始點，更是2035年社會主義現(xiàn)代化強國之路的起始點，我國高等教育發(fā)展將迎接新的目標(biāo)與新的挑戰(zhàn)。

2018年，教育部提出關(guān)于高等教育教學(xué)改革中一流課程建設(shè)，旨在提高高等教育的課程質(zhì)量。中共中央國務(wù)院在《深化新時代教育評價改革總體方案》中提出，要構(gòu)建世界水平的中國特色的高等教育評價體系。實現(xiàn)這一目標(biāo)的實現(xiàn)得力于優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)，以課程評價反饋作為驅(qū)動改進課程設(shè)置與授課方法，從而穩(wěn)步提高課程質(zhì)量，打造一流課程與精品課程[1]。

圖1 實驗實踐教學(xué)流程圖

在精品課程和工程認證的要求下，完善計算機專業(yè)在實驗實踐教學(xué)的評價模型[2][3]，不僅有助于學(xué)生鞏固所學(xué)知識，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，更能根據(jù)發(fā)揮學(xué)生的實時反饋及時調(diào)整學(xué)習(xí)資源、課程內(nèi)容和教學(xué)方法，統(tǒng)計學(xué)生的實時反饋就需要對整個教學(xué)過程做跟蹤和檢測，其流程圖參考圖1。學(xué)生通過案例講演理解計算機理論及技術(shù)，再經(jīng)實驗實踐環(huán)節(jié)進行理論實踐與提煉，進而加深對計算機理論的認知水平[4]。

學(xué)習(xí)分析(Learning Analysis)是關(guān)于學(xué)習(xí)人員及其上下文的數(shù)據(jù)的測量、收集、分析和報告，目的是為了理解和優(yōu)化學(xué)習(xí)過程及其課堂發(fā)生過程。在課堂教學(xué)中，教師通過記錄學(xué)生的課堂行為與表現(xiàn)，并利用機器學(xué)習(xí)等新興算法對產(chǎn)生的教育數(shù)據(jù)進行分析，評估學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，并作為教學(xué)評價指標(biāo)。當(dāng)產(chǎn)生足量的長周期的學(xué)習(xí)行為記錄，則可用于預(yù)測課程建設(shè)的未來表現(xiàn)，并指出潛在的問題。

隨著信息化課堂的發(fā)展，有很多課堂多媒體交互設(shè)備捕獲的信息可用來分析傳統(tǒng)課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的課堂即時反應(yīng)。本文提出使用學(xué)習(xí)注意力分析作為學(xué)習(xí)體驗及教學(xué)效果的評價指標(biāo)，其不僅適用于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，更適用于新興的實驗實踐教學(xué)和多媒體交互教學(xué)如MOOC在線課程。時至今日，將學(xué)生的行為與內(nèi)容、教學(xué)特點進行結(jié)合分析的研究并不多。實驗實踐教學(xué)課程在傳統(tǒng)的教師課堂教授學(xué)習(xí)內(nèi)容外，還具有學(xué)生自發(fā)實踐環(huán)節(jié)，課程內(nèi)容更加多元化，隨之而來的學(xué)生注意力評價也更加復(fù)雜。

因此，在本文中我們關(guān)注的是實驗實踐課程中學(xué)生的注意力保持程度。本文中的注意力專注度指在規(guī)定的時間段內(nèi)，學(xué)生聆聽教師講解課程內(nèi)容和實踐課程內(nèi)容時學(xué)生保持反饋狀態(tài)的比例。本文建立了一種智能評估學(xué)生學(xué)習(xí)注意力的評價方法及算法，并給出其總體評價方法的實施流程。

1 面向教師講解時的學(xué)習(xí)注意力分析

在實驗室教學(xué)的教師講演中，本文使用盡可能少的拍攝設(shè)備捕捉所有學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。因此，當(dāng)教師進行課程內(nèi)容講解時，本文通過學(xué)生的視角范圍進行分析學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力[5-6]。其具體流程如圖2所示，在拍攝設(shè)備獲取的視頻幀中，本文首先進行人臉檢測得到學(xué)生當(dāng)前時刻的面部空間坐標(biāo)，經(jīng)連續(xù)幀的頭部空間位移來確定其頭部動作，最終據(jù)頭部動作判斷視角范圍，以評估學(xué)生學(xué)習(xí)的注意力集中程度。

圖2 面向教學(xué)授課的注意力評價實施流程圖

以下將對頭部動作估計及依據(jù)頭部動作的注意力判斷方法進行說明。學(xué)生專注于授課內(nèi)容時其頭部行為不會出現(xiàn)頻繁晃動，或視角點長期處于教師講演區(qū)之外；因此視角點與教師講演區(qū)的夾角可用于估計學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力；即使用學(xué)生頭部角度變化進行視角點估計[7]。當(dāng)對特征縮放后的頭部傾斜角度進行多元回歸擬合，可得到頭部動作擬合公式：

Ps=αxk+βyk+γzk+b

(1)

其中xk代表學(xué)生的俯仰角，yk代表學(xué)生的水平偏離角，zk代表學(xué)生的旋轉(zhuǎn)角。這三種角度構(gòu)成第k個學(xué)生在視頻的單幀中的頭部姿勢角度集合。

我們通過S型函數(shù)將Ps映射到0和1之間，構(gòu)成頭部動作分布概率集合。本映射公式為：

(2)

在訓(xùn)練過程中，我們將關(guān)注度高置為狀態(tài)1，關(guān)注度低置為狀態(tài)0，其判斷閾值th為0.5：

(3)

當(dāng)學(xué)生看向老師、幻燈片或黑板，我們認為他在集中注意力。如果學(xué)生上下交替地看則可推斷學(xué)生在做筆記。據(jù)此，以上模型對學(xué)生的當(dāng)前視角進行估計，從而判斷其對講演區(qū)的關(guān)注程度。

2 計算機實踐環(huán)節(jié)的注意力評價

在實踐實驗環(huán)節(jié)中，學(xué)生遵循一定邏輯而完成的實踐操作，其操作過程將形成其個體學(xué)習(xí)認知的連續(xù)模式，該模式信息的加工和處理能反映學(xué)生的學(xué)習(xí)認知過程[8]。雖然該模式信息不能保證精確性和個體的個性化，但它能全局地反映學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的個體注意力。計算機類的實驗平臺通常使用計算機作為實驗硬件終端，而學(xué)生的硬件操作通過鼠標(biāo)及鍵盤完成。因此，就計算機類專業(yè)實驗教學(xué)而言，學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)注意力評價可以通過教學(xué)終端的操作頻次在較為長期的時間段內(nèi)形成累計數(shù)據(jù)來實現(xiàn)[9]。

本文使用學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的鼠標(biāo)點擊頻率來判斷其是否進行使用操作；本鼠標(biāo)點擊頻率衡量學(xué)生獲取信息進行操作的頻率，并記錄在軟件日志中。較高的鼠標(biāo)點擊頻率代表學(xué)生使用終端進行操作，因此表示更高的注意力評價。反之，極低的點擊頻率表示學(xué)生走神。其具體實施流程如圖3所示。

圖3 面向?qū)嵺`環(huán)節(jié)的注意力評價實施流程圖

為消除學(xué)生個體的點擊快慢速率的影響并得到統(tǒng)一尺度，本文使用計算學(xué)生個體的平均點擊速率并對其連續(xù)模式進行標(biāo)準(zhǔn)化；高于零的值表示學(xué)生的點擊頻率高于其個體平均點擊頻率。低于零的值表示該學(xué)生的點擊頻率低于其平均點擊頻率。在單次實踐環(huán)節(jié)時間段內(nèi)，個體學(xué)生形成的學(xué)習(xí)連續(xù)模式可表示為：

(4)

其中g(shù)i為點擊內(nèi)容重要性參數(shù)，yi為該分鐘內(nèi)點擊次數(shù)評價。

據(jù)以上兩種注意力評價內(nèi)容及方法，可綜合得到實驗實踐課程的整體學(xué)習(xí)注意力評價公式為：

(5)

其中t為總課程時長分鐘數(shù)；γ為平衡系數(shù)，表征講演時段和實驗時段的長度比。

目前，相對于傳統(tǒng)教室的課堂教學(xué)，實驗室的交互多媒體硬件設(shè)備與講演-實踐教學(xué)方法能及時反饋學(xué)生的注意力評價，在成果導(dǎo)向(OBG)的教學(xué)方法中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在今后實施過程中，將通過收集大量實驗教學(xué)數(shù)據(jù)來優(yōu)化學(xué)習(xí)注意力評價模型[10]，來指導(dǎo)實驗實踐教學(xué)工作，具有針對性地進行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，從而提高教學(xué)質(zhì)量；并且提供連續(xù)且有效的學(xué)生教學(xué)反饋，為進一步的學(xué)科建設(shè)提供方向。

3 結(jié)語

針對一流課程和精品課程建設(shè)需求，培養(yǎng)計算機專業(yè)具有工程技術(shù)能力的學(xué)生離不開實驗實踐教學(xué)。本文探索了計算機實踐教學(xué)中的場景特點與學(xué)生表現(xiàn)，提出基于學(xué)習(xí)注意力分析的實踐課程反饋指標(biāo)，借此提取學(xué)生在實踐課程上的學(xué)習(xí)程度據(jù)此重構(gòu)結(jié)果導(dǎo)向的(OBD)的實驗實踐課程教學(xué)目標(biāo)；并構(gòu)建穩(wěn)定而持續(xù)的實驗實踐課程的反饋機制。