軟件技術專業智慧課堂建設研究與實踐

劉翔 王明忠 陳織光 吳斯杰 袁資楨

摘 ?要：為了滿足教育信息化、現代化的要求，增強教師對課堂掌控和駕馭能力，在智慧課堂建設過程中，以廣州東華職業學院軟件技術專業為例，運用人工智能和大數據技術手段，實現自動考勤，學生學習狀態自動獲取，對學生行為自動干預，改進教學方式和節奏，提醒學生注意力集中，提高學習興趣，讓學生帶著問題學，達到提高學生課堂學習效率的目的。

關鍵詞：軟件技術;智慧課堂;課堂考勤;人臉識別

中圖分類號：G434;TP311.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0145-03

Abstract：In order to meet the requirements of educational informatization and modernization，and enhance teachersability to control and control the classroom，in the process of intelligent classroom construction，taking the software technology major of Guangzhou Donghua College as an example，we use artificial intelligence and big data technology to realize automatic attendance，automatic acquisition of studentslearning status，automatic intervention of studentsbehavior，and improve teaching methods and rhythm In order to improve the efficiency of studentsclassroom learning，it is necessary to remind students to pay attention and improve their interest in learning.

Keywords：software technology;smart classroom;class attendance;face recognition

0 ?引 ?言

2018年4月教育部研究制定了《教育信息化2.0行動計劃》，以充分激發信息技術革命性影響力。教育信息化不僅改變了教與學的方式，而且已經開始影響到教育模式、理念和文化，新形勢下的教育變革勢在必行。目前教育信息化是學校建設發展規劃的重要內容。智慧課堂建設既是教育信息化的關鍵一環，也是學校建設和人才培養的重要組成部分，直接關系到學校整體的教學和管理水平。目前智慧課堂的建設多側重在教學方法和教學手段的現代化，而忽略了對學生的監管，學生曠課、上課的精力不集中、玩手機、睡覺、聊天的很多，學習效果很差;軟件技術專業是實踐性很強的學科，一般都在多媒體機房上課，采用“邊講邊練”的教學模式，有別于公共基礎課程的教學方法，智慧課堂在軟件開發類上要有特色體現。

1 ?軟件技術課智慧課堂的特點

智慧課堂作為創新教學模式，打破傳統的單向教學模式，實現師生雙向互動，是未來教室的首選方案。智慧課堂在“項目（任務）為導向，案例驅動教學，邊講邊練”教學思想的指導下，依據軟件技術專業相應崗位的工作過程，分解成一系列的典型工作任務，把每個工作任務加工、提煉成教學中的一個典型項目案例，再將其細化成一個個任務，根據任務準備所需的知識點、技能和素質目標來組織課堂設計[1]。學生通過基于項目式教學的學習，逐步掌握專業崗位所需的技能。在智慧課堂建設中，全方位構建“課前微課導學、課堂互動探究、課后個性輔導”的教學模式，利用大數據、云計算、物聯網與移動互聯等新一代信息技術，最終實現教學內容數字化、教學決策數據化、交流互動多樣化、評價反饋及時化、資源推送智能化，促進教師開展精準教學與個性化教學，切實提高教學質量和教學效率。智慧課堂有如下幾個特點。

（1）資源共享。智慧課堂利用云技術，可以把課堂上學生精彩的講解視頻、精妙的解題過程、優秀的作品等一秒上傳到云平臺[2]，既可以作為日后教與學的素材，又可以作為學生在線學習的教學資源，可謂“一舉多得”。

（2）教學智能。智慧課堂是一個數據精細采集、學習準確分析、按需精準推送的個性化教與學平臺。它能運用大數據技術，實現學生終端數據的接收、處理，數據的實時分析可以給出教師需要的分析報告，讓教與學更加高效、智能。

（3）教學互動。智慧課堂在軟件系統上，運用現代信息技術，建立了功能齊全、交互迅速、使用便捷的“思維可視化”未來課堂教學支撐平臺。互動包含兩個方面：一方面是人機互動。支持觸摸技術能讓學生零距離地參與到教學互動中，發揮他們參與的積極性、主動性，開發創造性;另一方面是人員互動，支持分屏互動有利于開展小組教學，支持多屏互動便于開展一對一教學，實現師生之間、生生之間的充分互動，讓思想迸射出更多的火花。

2 ?使用人臉識別技術實現自動考勤

人臉識別運用范圍越來越廣，可以應用在人臉考勤、人臉社交、人臉支付、手機解鎖、移動支付等場合。在智慧課堂的工作流程是：學生進校的時候，每個同學人臉資料統一采集，形成人臉特征編碼，保存到人臉數據庫中。上課后，每隔60秒，高清攝像頭開始在軌道車的上移動，開始對全班同學的圖像進行逐排掃描，班上同學的圖片信息提交給后臺云服務器，供平臺進行分析識別到場的每個同學。下課后，后臺程序通過計算，生成學生考勤報表，反映學生上課情況，如遲到的人數、遲到的分鐘數、早退的人數、曠課的人數，并及時反饋給輔導員和任課老師。

人臉識別技術是基于面部特征信息進行身份識別的一種智能識別技術。該技術在圖片和視頻中，從人臉的角度入手，識別出畫面中的人物是誰。人臉識別采用基于一種比對性的深度學習算法，算法需要根據計算好的正確類別人臉特征進行模型的訓練，再用模型對不知道的人臉圖片信息進行機器的識別，人臉識別過程如下：

（1）人臉檢測，找出所有的面孔。人臉檢測通過一張圖片或視頻，在其范圍內掃描，再逐個判定候選區域是否是人臉的，找出人臉圖像所在區域位置，結論是零到多個人臉圖像。人臉檢測可以采用方向梯度直方圖HOG（Histogram of Oriented Gradients）的方法，該方法將圖像轉換為黑白，根據黑白圖像上的顏色梯度的變化趨勢來找到人臉。人臉檢測應用在相機上，就可確保在拍攝中能自動對焦到人臉上。

（2）人臉特征點定位。定位出人臉上特征點坐標位置。人臉特征點需要定位的數目與應用的場合有關，常用的有5點、68點、90點等[3]，如圖1所示為68個特征點所處坐標序列。68個人臉上普遍存在的特征點，包括下巴輪廓17個點（0～16）、左眉毛5個點（17～21）、右眉毛5個點（22～26）、鼻梁4個點（27～30）、鼻尖5個點（31～35）、左眼6個點（36～41）、右眼6個點（42～47）、外嘴唇12個點（48～59）、內嘴唇8個點（60～67）。定位的過程：按照事先設定的規則扣出人臉檢測獲得的人臉區域，為了防止圖片因拍攝姿勢不正而錯位變形，還要進行旋轉、縮放和錯切，使得眼睛和嘴巴盡可能靠近中心位置，縮放到固定尺寸，計算特征點的位置，調用機器學習算法后，能夠在任何臉部找到這68個特定的點。

（3）人臉編碼。人臉編碼的方法是根據人臉五官特征點坐標將人臉對齊預定模式，然后計算特征，得出一串固定長度的數值。這串數值一般是128個測量值，具有表征人臉特征的能力。這128個測量值就相當于一個人的身份證號碼一樣，是人的唯一標識，記錄了人的五官特征點相對位置。人臉編碼也要采用深度學習算法，每次訓練要觀察三張不同的臉部圖像：首先，加載一張已知的人的面部訓練圖像，加載同一個人的另一張照片，加載另外一個人的照片。然后，算法為這三個圖片生成128個測量值。最后，稍微調整深度卷積神經網絡，以確保第一張和第二張生成的測量值接近，而第二張和第三張生成的測量值略有不同。需要不斷調整樣本，重復以上步驟百萬次，這是個巨大的挑戰，但是一旦訓練完成，它能輕松地找出人臉。目前國外有已經訓練好的網絡，直接使用該網絡學習就不用部署復雜的機器學習。通過網絡學習后，當電腦看到同一個人的兩張不同照片時，人臉識別可以準確地得到幾乎相同的數值[4]。

（4）人臉識別。識別被檢查的人臉對應的身份信息。拿第3步被檢查人臉的人臉編碼，與人臉庫中已知身份的人臉編碼進行逐個比對，找出一個與被檢查人臉的人臉編碼特征相似度最高的特征值。將該值和預設的閾值相比較，如果大于閾值，則表明識別成功，輸出被識別人臉的身份信息，否則識別失敗。

3 ?使用人臉識別技術獲取學生的學習狀態

人臉表情識別和上面所講的人臉的身份識別基本原理相同，在進行人臉特征點定位的時候，不僅需要人臉五官特征點，還需要人臉表情特征點，特征點取值數目更多，可達到90個特征點，人臉表情識別算法也基于深度學習，通過人臉各種表情的識別學習，能準確識別學生的各種表情。在課堂上，分析出認真學習的學生、思考的學生、有疑問的學生、玩手機的學生以及睡覺的學生所占百分比，教師的電腦屏幕上會滾動著由大數據實時分析出的學生學習效果圖。促使教師及時調整上課節奏，改進教學方法，提高學生上課效率的，比方說：如果學習氣氛比較沉悶的話，老師可以講一個笑話活躍氣氛，或者請精神不集中的同學起來回答問題，讓學生帶著問題學;老師也可以適當降低演示案例的難度，使學生有成就感，提高學生興趣等。

獲取學生學習狀態的另一種方式是，監測學生的腦電波，判斷學生的專注情況。課桌的前方配備有腦電波傳感器，判斷學生上課是否精力集中，如果監測到哪位學生走神或者注意力不集中，課桌上的監控的指示燈馬上就會變成黃色，并且給學生的專注情況打分，而且分數可以實時傳輸到老師的電腦上，記入學生的平時成績。

4 ?對學生的行為進行干預

以學生課堂上坐的桌椅為載體，課桌上安裝有攝像頭，可以監督學生上課狀態，如果發現學生上課在玩手機超過1～3分鐘，座椅就開始晃動，并干擾其手機信號，使學生無法玩手機，提醒學生要認真聽講，注意力要集中。如果學生不及時地改正，座椅晃動的幅度會加劇，迫使他放棄玩手機為止。對于上課沒有玩手機的同學，座椅可定時提供按摩服務，減輕疲勞，讓學生身心放松，在輕松愉快的環境學習，提高學習效率。座位上的配備高清的攝像頭還有另外的一個作用，它能捕捉每一個學生的面部表情，通過人臉識別技術，進行情緒識別和眼球識別，分析出學生以下8類情緒：高興、厭惡、悲傷、疑惑、輕蔑、憤怒、專注、驚訝等。如果課堂效果較差，可以提醒教師，注意學生的聽課狀態，調整教學節奏、講課的內容，以達到更好的教學效果。

5 ?結 ?論

隨著信息技術的不斷發展，智慧課堂的建設也在不斷地推陳出新，智慧課堂要改變過去傳統教學中以教師為主體的教學模式，變成以教師為主導，學生為主體的課堂氛圍，在課堂上多關心、了解學生，實時掌握學生的上課吸收程度，及時調整學習節奏和進度，提高學生的學習興趣，培養學生帶著問題學，獲得學習成就感，形成了開放和自主學習的教學環境，給學生的學習提供了更大的自由空間，促進學生自主合作探究學習，激發學生的學習興趣，培養學生創新能力。

參考文獻：

[1] 唐國純，符傳誼.基于工作過程導向的開放式教學模式研究 [J].軟件導刊，2013，12（8）：176-178.

[2] 陳志強，高靜慧.智慧課堂教學系統建設與應用研究——以山東省淄博市為例 [J].中國信息技術教育，2017（20）：76-79.

[3] CSDN博主（機械雞_）.研究人臉識別的十大概念 [EB/OL].（2017-09-29）.https：//blog.csdn.net/gh13uy2ql0N5/article/details/78140679.

[4] 南有喬木NTU.基于深度學習的人臉識別算法 [EB/OL].（2018-12-14）.https：//blog.csdn.net/zijin0802034/article/details/85008975.

作者簡介：劉翔（1974.12-），男，漢族，湖北隨州人，碩士，本科，主要研究方向：軟件技術;王明忠（1971.10-），男，漢族，河南駐馬店人，碩士，研究生，主要研究方向：大數據。