人工智能視域下教學(xué)行為分析與評(píng)價(jià)研究

魯圓圓　劉陽　馮浩

關(guān)鍵詞：人工智能；教學(xué)行為；行為分析；教學(xué)評(píng)價(jià)；智慧課堂

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）02-0129-03

1 概述

人工智能是信息技術(shù)進(jìn)一步演進(jìn)的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略性技術(shù)方向，2020年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》提出，要加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化，利用人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)新教育評(píng)價(jià)工具，探索智能時(shí)代教學(xué)行為規(guī)律。課堂教學(xué)行為分析是進(jìn)行教師專業(yè)發(fā)展、學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析、教學(xué)質(zhì)量提升的基礎(chǔ)。課堂教學(xué)行為是包含課堂教學(xué)行為的主體、客體以及其相互關(guān)系的統(tǒng)一整體，是包含教學(xué)相關(guān)的教師行為、學(xué)生行為、師生交互等多種元素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)課堂教學(xué)行為分析

傳統(tǒng)課堂下的教學(xué)行為分析基于課堂分析理論，課堂行為數(shù)據(jù)的獲取形態(tài)以課堂量表為主，采用以訪談為代表的質(zhì)性研究、問卷調(diào)查法、課堂觀察法等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，其中課堂觀察法是最常見的傳統(tǒng)課堂行為分析方法，觀察者實(shí)際參與到課程中或不實(shí)際參與到課堂中而是以旁觀者的形式依據(jù)設(shè)定科學(xué)合理的觀察量表進(jìn)行課堂觀察[1]，對(duì)課堂行為進(jìn)行編碼，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。

量表的設(shè)立和編碼的形式是決定觀察數(shù)據(jù)形式的關(guān)鍵。弗蘭德斯的互動(dòng)分析方法（FIAS）是已有編碼體系中進(jìn)行課堂觀察時(shí)較為權(quán)威的課堂分析方法，該系統(tǒng)是弗蘭德斯在1970年提出，聚焦于師生之間的互動(dòng)交互，記錄課堂中教師語言、學(xué)生語言和沉寂混亂三大類共計(jì)十小類課堂行為。張露丹等[2]利用FIAS和課堂觀察與訪談相結(jié)合的方式，對(duì)信息技術(shù)課程中經(jīng)驗(yàn)豐富的教師進(jìn)行觀察并總結(jié)出專家型教師的授課特點(diǎn)。武小鵬等[3]利用弗蘭德斯互動(dòng)分析法對(duì)兩節(jié)觀摩課進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)兩位授課教師授課特點(diǎn)的不同以及存在的地區(qū)差異問題。

獲取編碼數(shù)據(jù)后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，S-T分析法是使用廣泛的課堂行為分析方法，將課堂行為劃分為教師行為和學(xué)生行為，以時(shí)間為序列，將課堂行為量化為具體行為數(shù)據(jù)并以S-T曲線和Rt-Ch圖等可視化圖表的形式呈現(xiàn)的分析方法。如劉立新等[4]將該方法改進(jìn)后用于觀察高中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課，Rt-Ch圖分析可以看出結(jié)果顯示教學(xué)模式均是混合型教學(xué)模式。程云等[5]將S-T分析方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于視頻的分析方式，并進(jìn)行應(yīng)用研究，證明了其有效性。

傳統(tǒng)課堂下大多數(shù)分析方式依舊是以人工參與為主要手段。這種方式使用頻率最高，但是一般會(huì)受分析者個(gè)人主觀影響，分析時(shí)間長(zhǎng)，效率較低，不利于海量數(shù)據(jù)的分析。

3 智慧課堂下教學(xué)行為分析

在教育信息化背景下智慧教育迅速普及興起，智慧課堂下的教學(xué)行為分析維度和方法發(fā)生了改變。智慧課堂環(huán)境因?yàn)橛屑夹g(shù)的加入，為數(shù)據(jù)的收集和處理創(chuàng)造了條件。智慧課堂環(huán)境有一套完整的錄播設(shè)備，可以進(jìn)行課堂實(shí)錄，對(duì)課堂教學(xué)實(shí)錄進(jìn)行分析，打破了教學(xué)時(shí)間的限制，對(duì)錄制的視頻進(jìn)行分析，讓數(shù)據(jù)的收集方式更加便捷。

在編碼方式上，弗蘭德斯的互動(dòng)分析方法（FIAS）具有一定的局限性，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些改進(jìn)，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了的基于信息技術(shù)的互動(dòng)分析方法。如顧小清等人[6]設(shè)計(jì)了在信息技術(shù)支持下，突出師生互動(dòng)的ITIAS編碼方式，來進(jìn)行教學(xué)行為互動(dòng)分析。方海光等[7]建立了適合于數(shù)字化課堂環(huán)境的iFIAS編碼體系，用于智慧課堂環(huán)境下的行為分析。穆肅等[8]在總結(jié)以往分析方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于教師活動(dòng)的教學(xué)行為分析系統(tǒng)（TBAS），互動(dòng)分析方法的改進(jìn)為基于智慧課堂的分析方式打下了基礎(chǔ)。

智慧課堂下教學(xué)行為分析會(huì)結(jié)合教師信息技術(shù)應(yīng)用能力，分析方法除了S-T分析法外，也增加了其他的分析方法。如彭林華等[9]對(duì)智慧課堂下教學(xué)行為進(jìn)行編碼，分為講解、操縱設(shè)備等六類，研究人員依據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)人工分析視頻得出結(jié)果，并利用滯后序列分析法（LSA）進(jìn)行分析，將教師使用技術(shù)的能力分為四個(gè)層級(jí)并提出了教學(xué)行為提升策略。一些學(xué)者利用智慧課堂環(huán)境下的實(shí)錄視頻，分析了智慧學(xué)習(xí)背景下的教學(xué)行為特征，如李美鳳等[10]利用授課視頻，人工分析了智慧課堂下的19節(jié)數(shù)學(xué)優(yōu)質(zhì)課中的練習(xí)反饋環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)智慧課堂環(huán)境下開展練習(xí)反饋的次數(shù)更多。蔣立兵等[11]利用自主開發(fā)的CTBAS教學(xué)行為分析框架對(duì)智慧課堂環(huán)境下的師生交互進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)智慧教室中的師生互動(dòng)更多，智慧教室的改革成效在文科課程和高級(jí)職稱教師中更加顯著。劉喆等[12]利用TBAS分析方式對(duì)智慧教室中的數(shù)學(xué)課堂行為進(jìn)行分析，利用Nvivo軟件進(jìn)行編碼，發(fā)現(xiàn)智慧教室下課堂行為的特點(diǎn)。

智慧課堂中可以獲取授課視頻，從而依據(jù)視頻分析可以提高傳統(tǒng)課堂分析的效率，但是分析的方式有的會(huì)結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)，但是結(jié)合程度較低，依舊是需要依賴于人工分析的形式進(jìn)行。

4 智能技術(shù)在教學(xué)行為分析中的應(yīng)用

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”形態(tài)下，智慧課堂環(huán)境的創(chuàng)建為教學(xué)行為分析提供了新的形式，人工智能技術(shù)在教學(xué)行為分析中得到了有效應(yīng)用，也使教學(xué)行為分析的方式發(fā)生了改進(jìn)。課堂行為分析中除了通過量表記錄行為信息外，也可以對(duì)課堂實(shí)錄中的文本、語音、表情、手勢(shì)等海量的教學(xué)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行量化采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多模態(tài)分析[13]。

基于人工智能的教師行為分析已經(jīng)有了一定的理論基礎(chǔ)，如楊曉哲和任友群[14]在人工智能與教育結(jié)合的未來發(fā)展中提到，利用人工智能的手段對(duì)課堂進(jìn)行分析是人工智能教育的主要發(fā)展方向，通過獲取多維度的教學(xué)數(shù)據(jù)從而建立一體化的教學(xué)分析系統(tǒng)。吳立寶等[15]建立了利用人工智能技術(shù)進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)的建構(gòu)體系，提出對(duì)師生的語音、姿態(tài)、表情和生理動(dòng)作進(jìn)行處理構(gòu)建課堂語言、行為和情感三位一體的課堂評(píng)價(jià)體系。張俍等[16]指出已有量表進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)受評(píng)價(jià)者主觀經(jīng)驗(yàn)的影響，設(shè)計(jì)了含有攝像機(jī)、眼動(dòng)儀、手環(huán)等多種數(shù)據(jù)采集裝置的多模態(tài)的智能化課堂分析系統(tǒng)。

多位學(xué)者利用人工智能技術(shù)進(jìn)行了課堂行為分析的實(shí)踐應(yīng)用。如趙剛等[17]基于深度學(xué)習(xí)理論和視頻分割技術(shù)，結(jié)合教學(xué)中多維度的教學(xué)行為信息，開發(fā)了一套智能化的教師課堂行為分析系統(tǒng)。王繼新等[18]致力于利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村學(xué)校教學(xué)質(zhì)量的提升，利用智能化推薦、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，建立了智能教與學(xué)的系統(tǒng)。劉清堂等[19]提出并使用了智慧課堂的智能分析模型，采集語音、圖像、生理和其他四類數(shù)據(jù)，構(gòu)建計(jì)算機(jī)行為模型，并服務(wù)于課堂的教學(xué)行為分析模塊。

人工智能技術(shù)應(yīng)用于教師行為分析中，為教學(xué)分析和評(píng)價(jià)注入了新的生機(jī)，基于人工智能的教學(xué)行為方式可以獲取數(shù)量更多、準(zhǔn)確度更高的師生行為數(shù)據(jù)，從而推進(jìn)師生行為分析的改革與前進(jìn)。

5 人工智能下課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的變革

人工智能技術(shù)的引入為課堂行為評(píng)價(jià)注入新的活力，引發(fā)了課堂教學(xué)評(píng)價(jià)的變革，促使評(píng)價(jià)主體更加多元化、評(píng)價(jià)內(nèi)容更加科學(xué)化、評(píng)價(jià)方法更加立體化、評(píng)價(jià)結(jié)果更加精準(zhǔn)化。

5.1 評(píng)價(jià)主體：多元化交互

評(píng)價(jià)主體是對(duì)課堂行為實(shí)施評(píng)價(jià)手段的人或物?！督逃畔⒒笆濉币?guī)劃》中指出，要利用信息化的手段實(shí)現(xiàn)政府部門、學(xué)校、家長(zhǎng)和社會(huì)等方面廣泛連接以及信息快速互通，從而推動(dòng)教育評(píng)價(jià)主體多元化[20]。課堂行為評(píng)價(jià)的對(duì)象是教師和學(xué)生，實(shí)施課堂評(píng)價(jià)的主體除包括教師自評(píng)和學(xué)生評(píng)價(jià)外，教學(xué)管理者、專家、同行教師等都可以作為評(píng)價(jià)主體。選取的評(píng)價(jià)主體不同，評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)有所差異，因而會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失去權(quán)威性。

與傳統(tǒng)的人工進(jìn)行評(píng)價(jià)方式下相比，人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了集合教師、學(xué)生、專家、管理者、機(jī)器評(píng)價(jià)主體多位一體的多元化評(píng)價(jià)方法，按照評(píng)價(jià)主體的不同可以分為教師自評(píng)、專家評(píng)價(jià)、管理者評(píng)價(jià)、機(jī)器評(píng)價(jià)等方式，不同的評(píng)價(jià)主體可以從多角度對(duì)教師進(jìn)行評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加公正客觀。劉清堂等[19]構(gòu)建了基于人工智能技術(shù)的課堂行為分析系統(tǒng)，對(duì)師生交互、教師和學(xué)生行為等各方面進(jìn)行分析，利用課堂錄像設(shè)備，評(píng)價(jià)主體可以利用智能技術(shù)對(duì)課堂錄像中的行為姿態(tài)、聲音進(jìn)行分析。

5.2 評(píng)價(jià)內(nèi)容：科學(xué)化模型

評(píng)價(jià)內(nèi)容不只包含簡(jiǎn)單的課堂教學(xué)，而是融合多種評(píng)價(jià)方法，對(duì)教師教學(xué)的整個(gè)過程進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。數(shù)字技術(shù)的融入使評(píng)估內(nèi)容更加個(gè)性化，使評(píng)價(jià)內(nèi)容可以精準(zhǔn)獲得師生的行為特征。使用人工智能技術(shù)可以捕捉到傳統(tǒng)評(píng)價(jià)中無法量化分析的行為數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)內(nèi)容涉及教師行為和學(xué)生行為。人工智能評(píng)價(jià)一方面注重對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，另一方面則注重多模態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果，利用多模態(tài)跟蹤課堂授課軌跡，收集課堂授課過程中的行為數(shù)據(jù)，如回答問題次數(shù)、師生面部表情變化、師生互動(dòng)信息等。

課堂評(píng)價(jià)的對(duì)象是教師和學(xué)生，依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的不同，評(píng)價(jià)內(nèi)容也有所差距。有學(xué)者將評(píng)價(jià)內(nèi)容集中在教師行為中，如基于視頻的教師專業(yè)發(fā)展可視化分析方法，融合教師話語分析技術(shù)，教師觀看智能化視頻分析結(jié)果進(jìn)行反思，研究發(fā)現(xiàn)參與教師具有更高的自我效能感和積極性。還有學(xué)者對(duì)學(xué)習(xí)者特征的分析數(shù)據(jù)，Matias等[21]使用智能化評(píng)估工具提出問題，通過學(xué)生對(duì)話記錄評(píng)估學(xué)生解決問題的能力。Oscar 等[22]提出了一種同伴評(píng)估方法，模擬學(xué)生的同伴進(jìn)行課堂評(píng)價(jià)，可以減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)。

5.3 評(píng)價(jià)方法：立體化分析

評(píng)價(jià)方法是評(píng)價(jià)過程中所采取的手段和技術(shù)，評(píng)價(jià)內(nèi)容不同，評(píng)價(jià)方法也會(huì)有所差異?；谌斯ぶ悄艿恼n堂評(píng)價(jià)方法是一種全新的、融合多維度的評(píng)價(jià)方法。依據(jù)課堂教學(xué)視頻進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用人工智能技術(shù)，利用攝像機(jī)以及智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，建立合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)視頻中反映出的教師情緒、聲音、身體姿態(tài)等各個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，人工智能技術(shù)可以利用語音識(shí)別技術(shù)、話語分析技術(shù)、情緒識(shí)別技術(shù)、人體姿態(tài)估計(jì)技術(shù)、輔助利用紅外光線、毫米波技術(shù)等，分析教師和學(xué)生的精準(zhǔn)行為數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)，從多維度對(duì)課堂進(jìn)行客觀分析和評(píng)價(jià)。

劉婷婷[23]利用課堂錄像設(shè)備獲取教學(xué)數(shù)據(jù)，依據(jù)視頻分析教師的情緒以及手勢(shì)動(dòng)作，從而對(duì)教師信譽(yù)度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，并建立了教師管理的系統(tǒng)，完全實(shí)現(xiàn)了教學(xué)評(píng)價(jià)的機(jī)器化，杜絕了問卷調(diào)查、課堂觀察等評(píng)價(jià)方法的主觀性干擾?；谡n堂錄像，對(duì)課堂中師生的面部表情，身體姿態(tài)等視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有研究者提出基于學(xué)生人臉進(jìn)行估計(jì)的模型來助力于自動(dòng)化課堂評(píng)估。

5.4 評(píng)價(jià)結(jié)果：精準(zhǔn)化反饋

評(píng)價(jià)結(jié)果是評(píng)價(jià)結(jié)束時(shí)獲取的分析結(jié)果，利用分析結(jié)果可以助力于課堂精準(zhǔn)化反饋。教育評(píng)價(jià)的作用是改進(jìn)教學(xué)，智能化評(píng)價(jià)可以設(shè)置個(gè)性化的評(píng)價(jià)目標(biāo)，依據(jù)目標(biāo)實(shí)施評(píng)價(jià)。相比于人工評(píng)價(jià)，智能化評(píng)價(jià)將從關(guān)注績(jī)效到關(guān)注教師發(fā)展上來，注重評(píng)價(jià)結(jié)果的反饋。發(fā)展性教師評(píng)價(jià)是指通過合理的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法，對(duì)教師專業(yè)成長(zhǎng)的過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，更加注重教師在評(píng)價(jià)中的主體地位，讓教師參與到評(píng)價(jià)過程中，注重評(píng)價(jià)結(jié)果的反饋，體現(xiàn)了以教師為中心的評(píng)價(jià)理念。

人工智能技術(shù)能將評(píng)價(jià)主體從繁雜的評(píng)價(jià)過程中解放出來，能大大提高評(píng)價(jià)的效率。相比人工評(píng)價(jià)，基于人工智能的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)分析結(jié)果準(zhǔn)確率更高、速度更快?？梢钥焖偕稍u(píng)價(jià)結(jié)果并能夠可視化展示，且評(píng)價(jià)結(jié)果與人工評(píng)價(jià)相比具有較高的一致性，實(shí)現(xiàn)課堂行為精準(zhǔn)化全面化地采集。

6 結(jié)束語

在我國(guó)教育改革不斷深入的時(shí)代背景下，教學(xué)行為研究已經(jīng)成為課堂教學(xué)研究的有效方法之一，得到了普遍的重視和應(yīng)用，特別是在教育信息化改革的推動(dòng)之下，大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能技術(shù)等信息技術(shù)為課堂教學(xué)行為數(shù)據(jù)的挖掘、分析和建模提供了便利。因此，推進(jìn)人工智能環(huán)境下的教師課堂教學(xué)行為分析研究既可以為教師提供反思與評(píng)價(jià)的可視化信息，促進(jìn)教師綜合能力提升，同時(shí)又可以幫助教學(xué)管理者動(dòng)態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)分析教師在教學(xué)過程存在的問題，生成評(píng)教結(jié)論，并以形象直觀的方式呈現(xiàn)評(píng)教數(shù)據(jù)，從而為建立和完善評(píng)教機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。