以人工智能技術(shù)輔助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的設(shè)想

黃永文

（重慶科技學(xué)院智能技術(shù)與工程學(xué)院，重慶 401331）

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)具有在實施操作上的時空靈活性、在課程設(shè)置上的內(nèi)容豐富性、在資源共享上的獲取便捷性等優(yōu)勢。推行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，還可以在一定程度上緩解因教育資源區(qū)域分布不均衡所造成的教育不公平問題[1]，可以打破“校門”壁壘，為“終身學(xué)習(xí)”與“全民學(xué)習(xí)”提供技術(shù)與資源保障。但是，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式也有其自身的局限性，雖然打破了傳統(tǒng)教學(xué)固有的地域與時間限制，但課堂管理工作難度加大，其教學(xué)效果還不盡如人意。

在新冠肺炎疫情防控期間，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)無法實施時，有條件的學(xué)校都選擇了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式進行授課。實踐中發(fā)現(xiàn)，開展實時網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教師可以與學(xué)生進行在線交流，但無法像線下課堂教學(xué)那樣做到一覽無余地觀察每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，不能根據(jù)學(xué)生實時表現(xiàn)及時對教學(xué)進程和教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，無法隨時通過提醒、提問、單獨交流等方式與學(xué)生進行互動，無法實時介入學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，無法對其學(xué)習(xí)狀況進行有效監(jiān)督。在線上學(xué)習(xí)時段，總是有學(xué)生在玩游戲，或者在看課外書，或者在睡覺。對自律性強的學(xué)生來說，因網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻可以回放，他們可以多次觀看，學(xué)習(xí)效果比在線下課堂還要好。但對那些自制力較差的學(xué)生來說，上網(wǎng)課就像一場“災(zāi)難”，他們聽課時不能集中注意力，也不能按時完成作業(yè)。有些學(xué)生在上網(wǎng)課時間，毫無顧忌地玩游戲、看動漫、刷直播。為了解決網(wǎng)絡(luò)教學(xué)期間學(xué)生的學(xué)業(yè)欠賬問題，部分中小學(xué)校在復(fù)學(xué)后只好通過線下課堂將在線上教學(xué)期間講過的內(nèi)容又重復(fù)一遍。

一、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下課堂教學(xué)的差異

線下傳統(tǒng)課堂教學(xué)和線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)各有所長，但也都有自己的局限性。

教育是一種育人活動，其最終目的是實現(xiàn)人的全面發(fā)展。在教學(xué)活動中教師要讓學(xué)生掌握有關(guān)知識點，而更重要的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)和思考，幫助每個學(xué)生挖掘潛能、發(fā)展個性和實現(xiàn)自身價值。因此，在教育教學(xué)過程中，教師需要著重了解和把握學(xué)生的認知、情感、興趣、動機、潛能等方面的發(fā)展，幫助每個學(xué)生發(fā)現(xiàn)適合自己的學(xué)習(xí)方法?！皩W(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的時代已經(jīng)過去，社會對人才的需求越來越多樣化。學(xué)生可以根據(jù)自己的個人特質(zhì)和興趣愛好加強學(xué)習(xí)的針對性、計劃性。教育教學(xué)過程中除了傳授知識和技能，教師還應(yīng)該重視與學(xué)生交流互動，了解學(xué)生的興趣所在，進而指導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)業(yè)及職業(yè)生涯規(guī)劃。

在傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)中，教師不僅需要準備適當?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，而且還要營造一種良好的學(xué)習(xí)環(huán)境與氛圍，保證身在其中的學(xué)生能夠通過多種方式展開他們的學(xué)習(xí)活動。這些活動不僅有對知識技能的學(xué)習(xí)，還有興趣愛好的培養(yǎng)、同學(xué)之間關(guān)系的處理、責任心的培養(yǎng)、團隊精神的形成等。這些都需要采取面對面的沉浸式教學(xué)方式。在傳統(tǒng)的線下教學(xué)環(huán)境中，從運動場到圖書館，從校園環(huán)境到教室空間，甚至是上課鈴聲、講臺、黑板、課桌等，都能對學(xué)生形成一種進入學(xué)習(xí)狀態(tài)的條件反射，從而直接或間接地幫助他們完成學(xué)習(xí)的信息加工，提升學(xué)習(xí)效率，達成教學(xué)目的。總之，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中，師生互動、情感交流、教室氛圍、校園環(huán)境及教師的言談舉止等都是達成教學(xué)效果的重要因素，而這些卻是線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)所缺乏的。

相較于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)存在一定的優(yōu)勢。借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，任何地方的學(xué)生在任何時間均可以獲取世界上最好的課程資源，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)具有相當大的時空靈活性與便捷性。更重要的是，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)從傳統(tǒng)的以教師講授為中心的教學(xué)模式轉(zhuǎn)換成以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心的教學(xué)模式，這種從按部就班的被動學(xué)習(xí)方式到自定目標的主動學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，可方便學(xué)生根據(jù)自身特點安排學(xué)習(xí)進度，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

逐步完善全民終身學(xué)習(xí)推進機制，構(gòu)建方式更加靈活、資源更加豐富、學(xué)習(xí)更加便捷的終身學(xué)習(xí)體系，這是我國打造學(xué)習(xí)型社會的努力方向。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不僅打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時空限制，也提高了教育資源的利用率，為推進全民教育、終身教育和構(gòu)建學(xué)習(xí)型社會奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)目前所采用的平臺主要有兩種類型：一類是直接為了網(wǎng)上教學(xué)而開發(fā)的專業(yè)性網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件，如超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等，能夠滿足教學(xué)過程中資料分享、過程考核、學(xué)情分析等教學(xué)活動需要。教師可根據(jù)學(xué)生觀看視頻的時間、習(xí)題作業(yè)完成的情況等數(shù)據(jù)記錄，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況作出評價。但這類網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件在視頻直播方面的功能還有一些不足。另一類是利用視頻網(wǎng)站、直播平臺等進行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，如利用斗魚直播、AcFun和BiliBili彈幕視頻網(wǎng)站，或利用即時通訊軟件如釘釘、騰訊QQ等開發(fā)的直播、會議室等進行線上授課。這種視頻直播的教學(xué)方式實時性很強，教師能夠快速響應(yīng)學(xué)生的請求，不會影響教學(xué)進度和師生的正常交流。這些軟件和平臺在新冠肺炎疫情防控期間，為保證“停課不停學(xué)”發(fā)揮了積極作用。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有“網(wǎng)上錄播/直播”和“網(wǎng)上資料”供查閱學(xué)習(xí)兩種模式。在這兩種教學(xué)模式中，教師都無法全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)。有些同學(xué)因沒有跟上教學(xué)進度，在聊天界面向教師咨詢相關(guān)問題，但教師的注意力主要在教學(xué)內(nèi)容展示與直播講課方面，不能及時查看聊天信息，學(xué)生的問題就不能及時得到解決。

與傳統(tǒng)課堂教學(xué)師生面對面的溝通相比，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中的師生在空間上是處于分離狀態(tài)，教師和學(xué)生同時面對的是一個冷冰冰的屏幕，教師的肢體語言和學(xué)生的學(xué)習(xí)反應(yīng)都被藏于屏幕之后。即便屏幕上可顯示學(xué)生的頭像，但面對只占據(jù)屏幕很小面積的幾十個小頭像，其中有同學(xué)出現(xiàn)走神現(xiàn)象，也無法立即引起教師對這些微表情的注意。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中已經(jīng)廣泛使用具有交互性質(zhì)的實時聊天、提問等技術(shù)手段，但還無法為教師提供全面細致觀察學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的機會，教學(xué)過程仍然存在師生交互的局限性[2]。為了充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢，彌補網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的不足，我們可以借助人工智能技術(shù)，讓教師可以便捷地觀察了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時判斷學(xué)生注意力集中程度，從而適時調(diào)整教學(xué)進度和教學(xué)方式。

二、人工智能技術(shù)輔助方案

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展、深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用，人工智能已經(jīng)在各行各業(yè)得到推廣應(yīng)用。利用人工智能相關(guān)技術(shù)輔助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，主要目的是讓教師能夠像在線下課堂一樣及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，促進教學(xué)過程中的師生互動，從而提升教學(xué)效果。為此，需要解決的問題主要是收集信息數(shù)據(jù)、分析處理信息數(shù)據(jù)和對信息數(shù)據(jù)的運用。

（一）收集信息數(shù)據(jù)

在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，可以運用人工智能技術(shù)采集以下4個方面的信息數(shù)據(jù)。

（1）聲音及視頻信息數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)設(shè)備中的攝像頭和麥克風，采集教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境的聲音及視頻數(shù)據(jù)，由此了解學(xué)生是否認真聽課、是否及時回答提問、學(xué)習(xí)環(huán)境是否良好等情況。

（2）按鍵和鼠標點擊、屏幕觸控數(shù)據(jù)。教學(xué)過程中，教師可以通過設(shè)置提問或問卷調(diào)查等交互活動，了解掌握學(xué)生學(xué)習(xí)基本情況，而學(xué)生通過鍵盤按鍵、鼠標點擊、屏幕觸控等行為進行反饋。收集相關(guān)信息，可得到不同學(xué)生與老師互動反饋需要的時間、不同學(xué)生回答問題的正確率等數(shù)據(jù)，方便教師根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

（3）傳感器數(shù)據(jù)。獲取設(shè)備中正在使用的應(yīng)用進程和在教學(xué)過程中不同進程的切換數(shù)據(jù)，再利用手機、平板等學(xué)習(xí)設(shè)備自帶的陀螺儀、重力和方向傳感器，收集學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)界面、設(shè)備的方向、設(shè)備移動情況的數(shù)據(jù)等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息，可以推斷學(xué)生是否離開課堂界面，是否切換到了與學(xué)習(xí)無關(guān)的其他界面。

（4）應(yīng)用進程數(shù)據(jù)。除了監(jiān)視常規(guī)的系統(tǒng)應(yīng)用進程，還要特別關(guān)注具有娛樂功能的應(yīng)用進程，如音視頻播放、直播、新聞、游戲、聊天等應(yīng)用在上課期間的使用數(shù)據(jù)，尤其是上課期間學(xué)生在不同應(yīng)用之間切換的頻率、不同應(yīng)用所占用的時間、教學(xué)軟件的占屏?xí)r間等數(shù)據(jù)。

（二）分析處理數(shù)據(jù)

處理網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中采集到的數(shù)據(jù)，主要有統(tǒng)計分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、聚類分析、分類和回歸分析等方法[3]。對采集到的不同類型的數(shù)據(jù)選用相應(yīng)的處理方法，構(gòu)建學(xué)習(xí)用戶畫像。

對教學(xué)過程中得到的大量交互反饋信息，使用統(tǒng)計分析方法進行處理，以確定學(xué)生聽課狀態(tài)。首先使用聚類方法，把數(shù)據(jù)聚類成3種類別，然后根據(jù)經(jīng)驗將這些數(shù)據(jù)分別標注為注意力集中、注意力相對集中、注意力不集中3類。以多次課程和考核效果，驗證這3種類別判斷的正確性。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中學(xué)生所處的學(xué)習(xí)環(huán)境會不一樣，比如有的學(xué)生可能在路上邊走邊聽課，有的學(xué)生可能置身于非常吵鬧的場所，有的學(xué)生所在地網(wǎng)絡(luò)信號不太好，有的學(xué)生是在家里上課而容易被別的因素干擾。通過收集設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)信號、音視頻數(shù)據(jù)等，可以分析學(xué)生的學(xué)習(xí)場景，據(jù)此調(diào)整反饋數(shù)據(jù)。如果學(xué)生是在戶外、學(xué)習(xí)環(huán)境不太好，就對數(shù)據(jù)采用回歸分析處理，適當修正交互時間數(shù)據(jù)，避免標注錯誤。

根據(jù)應(yīng)用進程數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)有學(xué)生的教學(xué)應(yīng)用進程不在最前端，出現(xiàn)游戲應(yīng)用進程、視頻播放進程或聊天進程，相關(guān)進程耗電多或在線時間過長，便可直接向老師發(fā)送警告信息。

以上數(shù)據(jù)處理挖掘的結(jié)果，主要用來確定學(xué)生當前的學(xué)習(xí)狀態(tài)、當前知識點的學(xué)習(xí)效果、認知水平和綜合評分[4]。教師可根據(jù)學(xué)生當前的學(xué)習(xí)狀態(tài)，確定是否需要對其進行提醒和幫助。同時，教師的及時反饋，也可以讓學(xué)生感受到被關(guān)注、被重視，從而更專注于學(xué)習(xí)。

（三）數(shù)據(jù)分析結(jié)果的運用

綜合分析收集到的信息數(shù)據(jù)后，構(gòu)建在線學(xué)生畫像，形成動態(tài)的視頻課堂影像。學(xué)生人數(shù)多，為方便教師觀察，可以用不同顏色和樣式的頭像來標示學(xué)生實時狀態(tài)。比如：黑色頭像，表示學(xué)生完全沒有進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，有開啟游戲進程、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用不在最前端等情況，或者在教學(xué)互動時根本沒有任何反應(yīng)，這時需要教師及時干預(yù)、糾正?；疑^像，表示學(xué)生已經(jīng)出現(xiàn)注意力不太集中的情況，對老師的提問不能及時加以反饋，處于有些疲憊的學(xué)習(xí)狀態(tài)。網(wǎng)狀格頭像，表示學(xué)生在舉手提問。老師可點擊該類學(xué)生圖標，顯示其所提出的問題，如果問題具有一定的代表性，就可以進行講解。白色頭像，表示學(xué)習(xí)注意力很集中，能夠跟得上老師的講解、快速領(lǐng)悟所學(xué)的知識技能，對老師的提問能夠做出快速反應(yīng)。

在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，老師的屏幕上不僅有教學(xué)課件內(nèi)容，還設(shè)置有如圖1所示的顯示學(xué)生畫像的視頻課堂。將教師和學(xué)生的數(shù)據(jù)，模仿教室座位的布局呈現(xiàn)，不同狀態(tài)的學(xué)生畫像平鋪展示，形成視頻課堂。這樣，教師可以如在線下課堂一樣，對學(xué)生狀態(tài)一覽無余，可以及時了解學(xué)生是否到堂、是否認真聽課、是否處于疲憊狀態(tài)等情況。

圖1 視頻課堂動態(tài)影像

三、輔助系統(tǒng)應(yīng)用框架及流程

（一）智能輔助應(yīng)用流程

利用手機、平板等教學(xué)設(shè)備所具有的攝像頭、麥克風、陀螺儀等傳感器，收集學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的動態(tài)信息數(shù)據(jù)，智能判斷學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，增加教學(xué)互動，激發(fā)和維持學(xué)生學(xué)習(xí)注意力，提升教學(xué)效果?？傮w流程如圖2所示。

圖2 總體流程圖

（二）智能獲取數(shù)據(jù)

在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)行為可形成多種數(shù)據(jù)。比如：學(xué)習(xí)頁面是否在屏幕最前面，是否有其他應(yīng)用（如游戲、聊天、看小說等進程）在干擾學(xué)習(xí)；在學(xué)習(xí)過程中，是否經(jīng)常切換不同進程。通過攝像頭獲取的學(xué)生視線信息，可判斷學(xué)生是否認真聽講；通過麥克風獲取的聲音信息，可推斷學(xué)習(xí)環(huán)境情況。通過陀螺儀、重力傳感器、方向傳感器，可獲取設(shè)備的水平、垂直狀態(tài)。根據(jù)鍵盤、鼠標和屏幕觸控情況，可獲取教學(xué)過程中學(xué)生與教師互動的數(shù)據(jù)。

（三）模型訓(xùn)練與優(yōu)化

數(shù)據(jù)的背后是規(guī)律，是一些模式，但并不是相同的數(shù)據(jù)就代表同樣的事實。這便需要采集大量的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，根據(jù)教學(xué)效果的反饋結(jié)果進行智能處理，再利用訓(xùn)練得到的模式進行實時處理，從而判斷學(xué)生在教學(xué)過程中是否存在娛樂、分心、疲憊等情況。最后把系統(tǒng)處理的結(jié)果呈現(xiàn)在視頻課堂之中，方便老師快速掌握學(xué)生的在線學(xué)習(xí)情況。

模型的精度需要迭代訓(xùn)練才會越來越符合實際應(yīng)用。視頻課堂學(xué)生畫像的準確性，需要結(jié)合老師、家長的反饋進行調(diào)整，降低一些不恰當?shù)臄?shù)據(jù)所造成的誤判。

在教學(xué)過程中如果發(fā)現(xiàn)分心的學(xué)生較多，系統(tǒng)通過閃爍、動畫、聲音等方式提醒授課教師，教師便可及時改變教學(xué)方式，比如進行有針對性的提問，或者聊聊學(xué)生關(guān)注的話題，或者宣布休息一會兒，進行娛樂互動、播放其他視頻等，緩解學(xué)生的疲憊狀態(tài)。

（四）教學(xué)反饋與系統(tǒng)完善

教學(xué)效果需要學(xué)生的反饋才能得到驗證。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)開展一段時間后，將收集到的每個學(xué)生每次學(xué)習(xí)的基本情況進行統(tǒng)計分析，幫助教師從客觀層面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)。同時，教師通過與學(xué)生和家長的交流溝通，把視頻課堂信息反饋給學(xué)生和家長。在個性化的教學(xué)中，不需要對所有同學(xué)提出千篇一律的要求。教師把學(xué)生的行為表現(xiàn)反饋給家長，讓家長參與網(wǎng)課教學(xué)管理，對視頻課堂中的學(xué)生畫像提出意見，也可幫助學(xué)生及時調(diào)整學(xué)習(xí)習(xí)慣。

由于不同學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣不同，系統(tǒng)根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到的數(shù)據(jù)不一定完全適合每一個學(xué)生。在經(jīng)過一段時間的迭代訓(xùn)練后，還需要繼續(xù)分析處理反饋得到的數(shù)據(jù)。針對具有普通性的問題，修改模型參數(shù)，對系統(tǒng)進行優(yōu)化處理。對個別學(xué)生獨特的行為習(xí)慣，可在系統(tǒng)中單獨進行標注。針對個性特色鮮明的學(xué)生，生成特定數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)對新獲取的數(shù)據(jù)進行比對，從而降低判斷失誤率。

四、結(jié)語

線下課堂有助于學(xué)生進入沉浸式學(xué)習(xí)狀態(tài)，有教師設(shè)計的情境式教學(xué)環(huán)節(jié)，師生之間面對面，教師的監(jiān)督、學(xué)生的反饋比較及時，同學(xué)之間可以協(xié)作互動，這些對學(xué)生的影響是綜合的和及時的。在線下課堂，教師能夠及時掌握教與學(xué)的效果，適時調(diào)整教學(xué)進度或教學(xué)方法，這些是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)無法比擬的優(yōu)點。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有不受時間、地域、資源等限制的優(yōu)勢，但在課堂管理方面卻存在一定的局限性。運用人工智能技術(shù)輔助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，通過獲取學(xué)生端設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析處理，對學(xué)生學(xué)習(xí)行為進行畫像，以視頻課堂形式及時呈現(xiàn)學(xué)生狀態(tài)，可方便老師全面掌握教學(xué)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，從而有效加強課堂管理，提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量。