基于視頻分析的課堂教學(xué)效果自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

文楷　田生偉　王琨　祁青山　王政山

摘要 為了更合理地培養(yǎng)高校人才，更合理全面地管理學(xué)生，對(duì)學(xué)生進(jìn)行更全面、科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，開發(fā)基于視頻分析的課堂教學(xué)效果自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由考勤檢測(cè)、學(xué)習(xí)狀態(tài)分析、學(xué)習(xí)情況自動(dòng)評(píng)價(jià)、定期信息發(fā)送等幾大模塊組成，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)效果的自動(dòng)評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞 視頻分析；教學(xué)效果自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)；教學(xué)管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）08-0050-03

1 前言

課堂是教育教學(xué)實(shí)施的主要陣地，是教師專業(yè)技能發(fā)揮的重要場(chǎng)所，也是教師評(píng)價(jià)一個(gè)學(xué)生的重要途徑。但是現(xiàn)在的大學(xué)都是大合堂上課，上課人數(shù)少則六七十人，多則上百人，這為學(xué)校評(píng)價(jià)一個(gè)學(xué)生的課堂表現(xiàn)造成巨大的困難。傳統(tǒng)的課堂評(píng)價(jià)機(jī)制在新時(shí)代的背景下對(duì)滿足全面評(píng)價(jià)學(xué)生的需要已漸漸疲軟，更在充分提升學(xué)生素質(zhì)的重任上顯得乏力，它的缺陷如下。

1）現(xiàn)在的學(xué)生尤其是大學(xué)生上課遲到、曠課現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為了保證教學(xué)質(zhì)量，教師上課點(diǎn)名成為必須做的事情。如果教師每節(jié)課都點(diǎn)名，既浪費(fèi)上課時(shí)間，又消耗教師的精力，并且若有人代答到，還得不到真實(shí)的考勤情況，嚴(yán)重降低考勤的意義和效率。

2）傳統(tǒng)的對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的總結(jié)往往存在依據(jù)單一、依據(jù)不實(shí)的情況，從而無法全面客觀評(píng)價(jià)一個(gè)學(xué)生，而且也無法客觀評(píng)價(jià)一個(gè)教師的教學(xué)質(zhì)量。學(xué)校最重要的對(duì)學(xué)生的考評(píng)就是對(duì)學(xué)生上課情況的考察，但是教師的責(zé)任是傳授知識(shí)，這就使得對(duì)學(xué)生上課狀況的考察有所缺失，從而造成對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)的不全面。傳統(tǒng)的考察方式只能通過考試來側(cè)面反映學(xué)生的上課情況，而無法全面對(duì)一個(gè)學(xué)生的綜合素質(zhì)做出科學(xué)的評(píng)價(jià)。

3）傳統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制無法做到及時(shí)且長(zhǎng)期地和學(xué)生進(jìn)行交互。學(xué)生，尤其是大學(xué)生，往往到了期末才能對(duì)自己一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)情況有一個(gè)大概的了解，特別是對(duì)于學(xué)習(xí)成績(jī)不是特別優(yōu)秀的學(xué)生而言。要想及時(shí)將學(xué)生每天乃至每堂課的表現(xiàn)反饋給學(xué)生自己讓他們反思，傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制只能望塵莫及。但這些反饋工作對(duì)學(xué)生的成長(zhǎng)又是極其重要的。

基于上述傳統(tǒng)教學(xué)管理系統(tǒng)的諸多不足，有必要開發(fā)新一代教學(xué)效果自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，用以輔助對(duì)課堂教學(xué)效果的評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于視頻分析的課堂教學(xué)效果自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”）是一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人臉識(shí)別，涉及教學(xué)管理多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。它主要包括自動(dòng)考勤、課堂學(xué)習(xí)狀況監(jiān)測(cè)、學(xué)習(xí)情況自動(dòng)評(píng)價(jià)、定期發(fā)送學(xué)習(xí)情況等多個(gè)功能。多個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)，全方位、多層次地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，讓教師更加輕松地了解和評(píng)價(jià)一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。并且，該系統(tǒng)具有自我完善的能力，它可以根據(jù)平時(shí)運(yùn)行時(shí)收集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)更新自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而提高識(shí)別的正確率以及評(píng)判的公平性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，該系統(tǒng)還是一個(gè)高度可擴(kuò)展的系統(tǒng)，既可以與現(xiàn)行的高校管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，直接導(dǎo)入高校管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，也為將來系統(tǒng)中的算法升級(jí)、功能添加預(yù)留了大量的可擴(kuò)展空間。更重要的，國(guó)內(nèi)外將機(jī)器學(xué)習(xí)中的人臉識(shí)別、行為識(shí)別運(yùn)用到課堂教學(xué)、學(xué)生評(píng)價(jià)的事例屈指可數(shù)，因此，該系統(tǒng)可作為人臉識(shí)別和行為識(shí)別在課堂教學(xué)中應(yīng)用的先行實(shí)驗(yàn)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)主要由初始化模塊、綜合處理模塊、考勤模塊、上課狀態(tài)模塊、學(xué)習(xí)情況分析模塊、信息發(fā)送模塊、更新模塊等七大模塊組成。系統(tǒng)整體運(yùn)行意圖如圖1所示。以下是系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行流程簡(jiǎn)介。

初始化整個(gè)系統(tǒng) 初始化模塊從學(xué)校數(shù)據(jù)庫(kù)取得學(xué)生的基本數(shù)據(jù)和課程安排時(shí)間表，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定監(jiān)控時(shí)間。其中最重要的數(shù)據(jù)是學(xué)生的人臉圖像數(shù)據(jù)以及學(xué)生的個(gè)人信息（如姓名、班級(jí)等）。初始化模塊負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)各個(gè)部分的初始化參數(shù)，為系統(tǒng)正常啟動(dòng)和運(yùn)行做準(zhǔn)備。

自動(dòng)考勤 根據(jù)初始化模塊錄入的課程安排時(shí)間表，到達(dá)上課時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)攝像頭，并開始拍攝取樣。通過分析在課堂開始前的一小段時(shí)間內(nèi)（可以自行設(shè)定）拍攝的視頻或者得到的圖片，提取出其中的人臉，與初始化模塊從學(xué)生數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)考勤。為了使考勤更加準(zhǔn)確，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)教室出入口的人員進(jìn)出情況。并且為了提高考勤的準(zhǔn)確率，系統(tǒng)還會(huì)在上課過程中自動(dòng)隨機(jī)選擇某個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行再次考勤。最后，一節(jié)課結(jié)束后自動(dòng)分別給出缺勤和遲到人數(shù)，缺勤和遲到學(xué)生的姓名等學(xué)生的基本信息展示在前臺(tái)界面并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)學(xué)生上課狀況 考勤結(jié)束，教師開始正式上課后，上課狀態(tài)模塊會(huì)每隔一段時(shí)間自動(dòng)錄制一小段視頻或者拍攝一組圖片進(jìn)行取樣分析，間隔的時(shí)間可自行設(shè)定，也可隨機(jī)產(chǎn)生，然后提取出圖片中的人體行為數(shù)據(jù)，并和初始化模塊讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，從而預(yù)測(cè)分析學(xué)生的上課狀態(tài)。最后，上課狀態(tài)分析模塊將分析得到的信息顯示在前臺(tái)界面并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

自動(dòng)分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀況 學(xué)習(xí)情況分析模塊將根據(jù)上述對(duì)學(xué)生考勤和上課狀況的記錄，經(jīng)過一系列的加權(quán)計(jì)算自動(dòng)分析出某段時(shí)間內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，給出一個(gè)數(shù)值。若某個(gè)學(xué)生表現(xiàn)低于某個(gè)數(shù)值n次時(shí)（n可以由管理員自己設(shè)定），系統(tǒng)會(huì)對(duì)該學(xué)生發(fā)出“警告”，提示教師要特別關(guān)注該學(xué)生，并且將該信息交付給綜合處理模塊。其中分析學(xué)習(xí)情況的時(shí)間長(zhǎng)度可自由設(shè)定，可以是一節(jié)課后，也可以是一周后、一個(gè)月后，甚至是整個(gè)學(xué)期的匯總報(bào)告。

發(fā)送學(xué)生學(xué)習(xí)情況 信息發(fā)送模塊可根據(jù)學(xué)習(xí)情況分析模塊的信息，自動(dòng)生成“個(gè)人近期學(xué)習(xí)情況分析通知書”，通過QQ、微信、短信等方式自動(dòng)發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生能及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)狀況，分析近期自己在哪些方面做得不足以及時(shí)改正，激發(fā)學(xué)生的潛能。同時(shí)，該模塊還可以將學(xué)生的“個(gè)人近期學(xué)習(xí)情況分析通知書”發(fā)送給其監(jiān)護(hù)人（該功能由管理員自行設(shè)定是否啟用）。“個(gè)人近期學(xué)習(xí)情況分析通知書”同時(shí)支持教師根據(jù)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的分析及個(gè)人意見自行編輯或者添加評(píng)語(yǔ)。

定期更新數(shù)據(jù)庫(kù)識(shí)別數(shù)據(jù) 系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)學(xué)生，同時(shí)也在自我學(xué)習(xí)，更新模塊將根據(jù)系統(tǒng)平時(shí)運(yùn)行時(shí)收集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定時(shí)的更新，從而保證系統(tǒng)中的學(xué)生信息為最新信息。并且此舉可以明顯提高考勤和上課狀態(tài)模塊的識(shí)別正確率。

綜合處理模塊協(xié)調(diào)各個(gè)模塊 該模塊主要起到橋梁作用，使系統(tǒng)能夠高效有序地運(yùn)行。如該模塊將調(diào)用自動(dòng)考勤模塊以及上課狀態(tài)模塊中得到的數(shù)據(jù)，交給自動(dòng)分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀況模塊，使之自動(dòng)分析，并得到其數(shù)據(jù)交付給信息發(fā)送模塊，再由信息發(fā)送模塊做出處理。

4 系統(tǒng)的擴(kuò)展

自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)不僅是一個(gè)高效的學(xué)生上課情況評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)，還是一個(gè)高度可擴(kuò)展的系統(tǒng)，可以嫁接高校現(xiàn)行的大多數(shù)學(xué)生管理系統(tǒng)的模塊，實(shí)現(xiàn)無縫連接，可將學(xué)生信息直接導(dǎo)入該系統(tǒng)，同時(shí)為未來系統(tǒng)的更新擴(kuò)展預(yù)留了大量的空間。例如：今后可以在該系統(tǒng)上擴(kuò)展學(xué)生心理健康分析系統(tǒng)，通過對(duì)比學(xué)生近期學(xué)習(xí)情況，利用表情識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生心理健康的分析；還可以將學(xué)生的作業(yè)考核納入該系統(tǒng)，并根據(jù)學(xué)生的作業(yè)情況分析學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。并且，該系統(tǒng)還為更高效準(zhǔn)確的機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)留了大量可擴(kuò)展空間，對(duì)現(xiàn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法也能靈活更換或者更新。

5 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

圖2所示為隨機(jī)選取的由系統(tǒng)截取的課堂圖片。目前系統(tǒng)的考勤正確率最高可達(dá)95.3%，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，正確率還可以再提高。對(duì)于學(xué)生的簡(jiǎn)單行動(dòng)已經(jīng)可以進(jìn)行識(shí)別，并給出簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)。如圖2中中間第三排自右向左第二個(gè)學(xué)生趴在桌子上的動(dòng)作已經(jīng)可以識(shí)別出。但準(zhǔn)確率目前較低，后期通過算法的升級(jí)和系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，準(zhǔn)確率會(huì)得到很大提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

高效率的考勤，精確的上課狀態(tài)檢測(cè)，及時(shí)的信息反饋，不僅有利于高校對(duì)人才的培養(yǎng)，更有利于學(xué)生對(duì)自身的嚴(yán)格要求。該系統(tǒng)能夠有效解決大學(xué)生遲到、曠課嚴(yán)重的情況，讓學(xué)校對(duì)學(xué)生的管理和評(píng)價(jià)更加科學(xué)，學(xué)生也能從該系統(tǒng)中及時(shí)了解到自己的學(xué)習(xí)狀況。不僅是提高高校人才素質(zhì)的一種手段，更推進(jìn)了高校教學(xué)管理的自動(dòng)化進(jìn)程。同時(shí)，國(guó)內(nèi)各大軟件公司對(duì)這方面鮮有涉足，因此，該系統(tǒng)也有極好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。