CN114580882A - 一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统及方法，所述系统包括：课堂录像装置，用于实时获取课堂学生听课图像；教室多媒体设备，用于对放映过程中的课件进行教学方法标签检测，获取所述教学方法的类型及起止时间；其中，所述课件页面中包括教师预先插入的教学方法标签；服务器，被配置为包括：听课状态评估模块，用于每隔设定时间间隔，基于学生听课图像数据，对整体听课质量进行评估；授课效果评价模块，用于根据课堂时间范围内各时间间隔的整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，分析授课效果。本发明基于课件识别多种教学方法，与基于图像分析技术相结合，实现了根据教师采用的教学方法和学生听课质量的授课效果评估。
Description
技术领域
本发明涉及智能教育领域，具体涉及一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
对于课堂教学质量的评估，目前主要借助人工智能的技术手段，基于学生课堂图像对表情、动作等进行识别，从而评估学生听课质量，此类方法仅能对学生的听课质量进行评估，不能反映教师的授课效果，因此对教师的教学方式和教学内容调整等参考价值有限。
目前也出现了将课堂教学内容信息纳入考虑，例如专利文献CN108875606A，对学生课堂图像进行分析，对听课状态和/或理解程度进行课堂表现评价，同时评估知识点的密集程度，对教学评估细化到课堂上每个知识点，记录每个学生课堂表现不达标的时间段；专利文献CN113689093A通过对教师的语音信息进行分析计算教学内容冗余程度值，并根据该教学内容冗余程度值针对不同学生确定其对应的听课状态阈值，有效提高了课堂质量评估结果的准确性。
但是，上述现有技术对于教学的评估虽然兼顾了教师教学和学生听课的评价，但对教师教学的评价只是侧重教学内容方面，没有考虑教学方法的设计对教学效果的影响。现今，虽然提出了多种多样的教学方法，但对其授课效果多采用定性评价，缺少定量评价方法，尤其缺少实时的定量评价方法。因此，教师无法及时准确地判断各种教学方法对某一课程、某一班级学生的有效性。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统及方法，基于课件识别多种教学方法，基于图像分析技术评估学生听课质量，利用时间变量将二者同步，从而根据教师采用的教学方法和学生听课质量，实现了对授课效果进行评估。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统，包括：
课堂录像装置，用于实时获取课堂学生听课图像，并传输至服务器；
教室多媒体设备，用于对放映过程中的课件进行教学方法标签检测，获取所述教学方法的类型及起止时间，并发送至服务器；其中，所述课件页面中包括教师预先插入的教学方法标签；
服务器，被配置为包括：
听课状态评估模块，用于每隔设定时间间隔，基于学生听课图像数据，对整体听课质量进行评估；
授课效果评价模块，用于根据课堂时间范围内各时间间隔的整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，分析授课效果。
进一步地，所述系统还包括：过程记录设备，用于获取教师选择的教学方式类型及起止时间，并进行记录，课程结束后传输至所述服务器。
进一步地，所述服务器还包括教学方法整合模块，用于对从课堂多媒体设备获取的和过程记录设备获取的教学方法及起止时间进行整合存储。
进一步地，所述听课状态评估模块对某个时间间隔内的整体听课质量进行评估具体包括：
对每个时间间隔均抽取多个图像帧，本实施例采用等时间间隔的抽取方式，对于每个图像帧，分别执行以下步骤：
对所述图像帧进行分割，得到每个学生座位区域图像；
对于每个学生的座位区域图像，分别进行关键点检测，获取学生的鼻尖、左肩、右肩、左手和右手关键点；
根据鼻尖、左肩和右肩的相对位置，判断每个学生的低抬头信息；
根据低抬头信息，和左手与左肩相对位置关系/右手与右肩相对位置关系，确定举手信息；
分别根据所述图像帧的学生低抬头信息和举手信息，计算该图像帧的学生听课状态和学生参与积极度；
根据该时间间隔内各帧图像的学生听课状态和参与积极度，评估该时间间隔的课堂整体听课质量。
进一步地，所述低抬头信息判断方法为：以鼻尖为顶点，鼻尖-左肩连线以及鼻尖-右肩连线的夹角，若夹角大于预设角度，说明鼻尖位置比左肩或右肩低，则为低头，否则为抬头。
进一步地，所述举手信息确定方法为：当学生处于抬头状态，且左手高于左肩/右手高于右肩，则确定该学生为举手状态。
进一步地，所述服务器还包括听课质量反馈模块，用于将时间点和学生整体听课质量反馈至教师客户端。
进一步地，所述授课效果评价模块分析授课效果具体包括：
根据课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，以时间为横坐标，学生整体听课质量为纵坐标，生成师生互动曲线；
获取整体听课质量值低于设定阈值的时间段，并将该时间段信息和相应部分课件反馈至教师客户端。
进一步地，所述分析授课效果还包括对各类教学方法的授课效果进行评价：
前期阶段听课质量提升效率计算方法为：
后期阶段听课质量衰减性计算方法为：
其中，g为教学方法的类型编号；K为某堂课采用第g类教学方法的总次数；
为第g类教学方法在第k次开始使用时的学生听课质量值和时间；
为第g类教学方法在第k次使用后，师生互动曲线上的第一个波峰值和时间；
为第g类教学方法在第k次使用后，师生互动曲线上的第一个波谷值和时间。
一个或多个实施例提供了一种面向混合式教学方法的授课效果评估方法，包括以下步骤：
获取课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型及起止时间；
以时间为横坐标，学生整体听课质量为纵坐标，生成师生互动曲线；
对于每类教学方法，均根据各次使用开始时及结束后的整体听课质量，对该类教学方法的授课效果进行评价。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
基于课件识别多种教学方法，基于图像分析技术评估学生听课质量，利用时间变量将二者同步，从而根据教师采用的教学方法和学生听课质量，实现了对授课效果进行评估。
除基于课件识别教学方法外，还提供一种过程记录设备，供教师在课堂上即兴选择教学方法，从而对课堂上的教学方法进行全面的记录。
通过绘制整节课的听课质量值的时变曲线，并在曲线上标注教学方法开始的时间和类型，以及相应课件页码，从而能够对授课效果具有直观的认识，并且有利于后续授课效果的定量评估。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中所述面向混合式教学方法的授课效果评估系统架构图；
图2为本发明实施例一和二中所述过程技术设备的一个示例结构图；
图3为本发明实施例一和二中授课效果评估过程示意图；
图4为本发明实施例一和二中授课效果评估过程示例。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统，如图1、3和4所示，包括服务器，以及与所述服务器连接的课堂录像装置、教室多媒体设备和过程记录设备。
所述课堂录像装置，用于实时获取课堂学生听课图像，并传输至服务器。
所述教室多媒体设备，用于对放映过程中的课件进行教学方法标签检测，并记录所述教学方法标签的类型、出现时间和结束时间(即下一页面的切换时间)，并发送至服务器；其中，所述课件页面中包括教师预先插入的教学方法标签。
在制作课件时，教师可根据教学计划，在课程目标进度相应的幻灯片中插入想要的教学方法标签，例如，在进行某知识点阐述后，进行课堂讨论，那么就在该知识点后的幻灯片上插入课堂讨论标签；课堂上，当课程进展到该目标进度时，幻灯片切换到带有课堂讨论标签的页面，多媒体设备检测到该标签后，记录该标签相应的教学方法类型，即课堂讨论，并记录开始时间，在页面切换时记录该教学方法的结束时间，从而得到本次课堂讨论的持续时间。
本实施例中，所述教学方法包括一般教学方法(知识点阐述)，以及特殊教学方法(讨论、提问、图片分析、影像分析、思政教学、知识点延伸等)。本系统可将一般教学方法作为默认教学方法，在课件放映过程中，仅对其中的特殊教学方法进行检测和记录。
作为一种具体的实现方式，所述课件形式为PPT。通过对PPT进行特殊设计，能够实现识别幻灯片页码、幻灯片切换时间，以及对幻灯片中特殊教学方法标签进行识别。PPT特殊设计包括显式设计和隐式设计，前者指在包含特殊教学方法的幻灯片上增加特定标签，并将标签的动画设置为开始特殊教学方法时出现；后者指幻灯片宏的设计，使其能自动识别幻灯片页码、幻灯片切换时间、特殊教学的类型和开始时间，并输出数据文件
其中，n为幻灯片页码；
为教学类型，若
等于0，则第n张幻灯片上只有一般教学方法，否则为各类特殊教学方法的编号(每张幻灯片最多包含一个特殊教学方法)；
为第n张幻灯片开始播放的时间；
为第n张幻灯片所示特殊教学方法的开始时间。
所述过程记录设备，用于获取教师选择的教学方式类型及开始时间，并进行记录，将记录的数据传输至服务器。
本实施例中，所述过程记录设备包括教学方法选择模块、对时模块、时间设置模块、显示模块和存储模块。作为一种具体的实现方式，所述过程记录设备可以为移动终端，通过应用程序实现教学方法的选择和时间设置，记录的数据可通过有线或无线的方式传输至服务器；作为另一种具体的实现方式，所述过程记录设备可以通过对激光笔改造得到，如图2所示，在传统激光笔的基础上，增加功能键，用于选择具体的教学方法，并且增加时间设置按键、时间显示窗口和存储卡，所述存储卡可从所述过程记录设备上移除，从而将记录的数据转存至服务器。
使用前，先对过程记录设备进行对时，使其与多媒体设备时间一致。上课过程中，若教师采用未体现在课件中的教学方式，则在开始某种即兴教学时，按下相应的特殊功能健。激光笔发射器记录教学方式的类型及开始时间，
其中，
为第m种临时教学方法的类型，
为第m种临时教学方法的开始时间。
所述服务器被配置为包括：
听课图像获取模块，用于从课堂录像装置实时获取课堂学生听课图像。
听课状态评估模块，用于每隔设定时间间隔，基于学生听课图像数据，对整体听课质量进行评估。本实施例中，所述听课状态采用低抬头信息和举手信息进行评估，对每个时间间隔均抽取多个图像帧，本实施例采用等时间间隔的抽取方式，对于每个图像帧，分别执行以下步骤：
(1)对所述图像帧进行分割，得到每个学生座位区域图像。
为使图像划分更为精确，可预先获取教室的座位图，并对座位图根据座位进行网格划分，使得每个网格内仅包含一个座位，得到划分网格数据；将划分网格数据与听课图像进行叠加，即可得到每个学生的座位区域图像。
(2)对于每个学生的座位区域图像，分别进行关键点检测，获取学生的鼻尖、左肩、右肩、左手和右手关键点。
(3)根据鼻尖、左肩和右肩的相对位置，判断每个学生的低抬头信息。
具体地，计算以鼻尖为顶点，鼻尖-左肩连线以及鼻尖-右肩连线的夹角，若夹角大于160度，说明鼻尖位置比左肩或右肩低，则为低头，否则为抬头。
(4)根据所述图像帧中的低抬头信息，对所述图像帧的学生听课状态进行评估。计算第i帧图像的听课状态值，公式为：
其中，Ni为第i帧图像中所识别出的学生总数,
为第i帧图像中显示为抬头的学生数；α为权重，Ci表示第i帧图像是否处于测验环节，若为0，则不是，若为1，则是。
(5)根据所述图像帧中的低抬头信息，和左手与左肩相对位置关系/右手与右肩相对位置关系，确定所述图像帧中的举手信息。
具体地，当学生处于抬头状态，且左手高于左肩/右手高于右肩，则确定该学生为举手状态。
(6)根据学生的举手信息，计算所述图像帧的学生参与积极度。计算第i帧图像的学生参与积极度，公式为：
其中，Qi为第i帧图像是否处于提问环节，若为0，则不是；若为1，则是；
为第i帧图像中的举手人数；Ni为第i帧图像中所识别出的学生总数；β为权重。
根据该时间间隔内各帧图像的学生听课状态和参与积极度，评估该时间间隔的课堂整体听课质量。第j个评价间隔的学生听课质量值，公式为：
其中，
表示每隔时间
抽取一帧图像；
为评价听课质量的时间间隔，该值应为
的整数倍；Fj,k为第j个评价间隔内的第k帧图像的听课状态值；Hj,k为第j个评价间隔内的第k帧图像的学生参与积极度。
听课质量反馈模块，用于将时间点和学生整体听课质量反馈至教师客户端。具体地，输出时间点与学生整体听课质量分值的数据文件
其中J为评价间隔总数，
为评价时间点。当然，还可将授课内容一起显示，生成师生互动曲线供教师查看，例如，可视化听课质量值的时变曲线，并在图上标注每种教学方法的开始时间和类型，以及幻灯片页码。
教学方法整合模块，用于对从课堂多媒体设备获取的和过程记录设备获取的教学方法及起止时间进行整合存储。本实施例中，从课堂多媒体设备获取的和过程记录设备获取的教学方法均为特殊教学方法，特殊教学方法以外的时间均为一般教学方法。
授课效果评价模块，用于根据课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，分析教学方法类型和听课质量之间的关系，从而对授课效果进行评价。其中，所述教学方法类型和起止时间包括多媒体设备获取的和过程记录设备获取的。授课效果评价具体包括：
(1)根据课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，以时间为横坐标，学生整体听课质量为纵坐标，生成师生互动曲线。所述师生互动曲线生成器可基于matlab等软件进行开发，也可开发APP小程序。
(2)获取整体听课质量值低于设定阈值的时间段，并将该时间段信息和相应部分课件反馈至教师客户端，以供教师参考，重新设计教学内容；
(3)对各类教学方法的授课效果进行评价。本实施例中，主要对各类特殊教学方法的授课效果进行分析，包含两个评价指标：a、前期阶段，听课质量的提升效率；b、后期阶段，听课质量的衰减性。
前期阶段听课质量提升效率计算方法为：对于待评价的某类教学方法，获取课堂上每次开始使用时的听课质量值和时间，以及每次结束后师生互动曲线的第一个听课质量峰值及相应时间，计算前期阶段听课质量提升效率，计算公式为：
式中，g为教学方法的类型编号；K为某堂课采用第g类教学方法的总次数；
为第g类教学方法在第k次开始使用时的学生听课质量值和时间；
为第g类教学方法在第k次使用后，师生互动曲线上的第一个波峰值和时间。
后期阶段听课质量衰减性计算方法为：对于待评价的某类教学方法，获取课堂上每次结束使用后师生互动曲线的第一个听课质量峰值及相应时间，以及第一个听课质量波谷值及相应时间，计算前期阶段听课质量提升效率，计算公式为：
式中，
为第g类教学方法在第k次使用后，师生互动曲线上的第一个波谷值和时间；其余变量同上。
实施例二
基于实施例一所述的系统，本实施例提供了一种面向混合式教学方法的授课效果评估方法，包括以下步骤：
步骤1：获取课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型及起止时间；
步骤2：以时间为横坐标，学生整体听课质量为纵坐标，生成师生互动曲线；
步骤3：对于每类教学方法，均根据各次使用开始时及结束后的整体听课质量，对该类教学方法的授课效果进行评价。
所述步骤1中学生整体听课质量获取方法具体包括：
步骤1.1：实时获取课堂学生听课图像，每隔设定时间间隔对每个学生的听课状态进行评估；
步骤1.2：根据每个学生的听课状态，对各时间间隔的课堂听课质量进行评估。
教学方法类型及起止时间获取方法具体包括：
(1)对放映过程中的课件进行教学方法标签检测，并记录所述教学方法标签的类型及起止时间；其中，所述课件页面中包括教师预先插入的教学方法标签；
(2)获取教师在课堂过程中经由过程记录设备主动记录的教学方法类型及起止时间。
具体实现方法参见实施例一相关部分。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，包括：
课堂录像装置，用于实时获取课堂学生听课图像，并传输至服务器；
教室多媒体设备，用于对放映过程中的课件进行教学方法标签检测，获取所述教学方法的类型及起止时间，并发送至服务器；其中，所述课件页面中包括教师预先插入的教学方法标签；
服务器，被配置为包括：
听课状态评估模块，用于每隔设定时间间隔，基于学生听课图像数据，对整体听课质量进行评估；
授课效果评价模块，用于根据课堂时间范围内各时间间隔的整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，分析授课效果。
2.如权利要求1所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述系统还包括：过程记录设备，用于获取教师选择的教学方式类型及起止时间，并进行记录，课程结束后传输至所述服务器。
3.如权利要求2所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述服务器还包括教学方法整合模块，用于对从课堂多媒体设备获取的和过程记录设备获取的教学方法及起止时间进行整合存储。
4.如权利要求1-3任一项所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述听课状态评估模块对某个时间间隔内的整体听课质量进行评估具体包括：
对每个时间间隔均抽取多个图像帧，本实施例采用等时间间隔的抽取方式，对于每个图像帧，分别执行以下步骤：
对所述图像帧进行分割，得到每个学生座位区域图像；
对于每个学生的座位区域图像，分别进行关键点检测，获取学生的鼻尖、左肩、右肩、左手和右手关键点；
根据鼻尖、左肩和右肩的相对位置，判断每个学生的低抬头信息；
根据低抬头信息，和左手与左肩相对位置关系/右手与右肩相对位置关系，确定举手信息；
分别根据所述图像帧的学生低抬头信息和举手信息，计算该图像帧的学生听课状态和学生参与积极度；
根据该时间间隔内各帧图像的学生听课状态和参与积极度，评估该时间间隔的课堂整体听课质量。
5.如权利要求4所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述低抬头信息判断方法为：以鼻尖为顶点，鼻尖-左肩连线以及鼻尖-右肩连线的夹角，若夹角大于预设角度，说明鼻尖位置比左肩或右肩低，则为低头，否则为抬头。
6.如权利要求4所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述举手信息确定方法为：当学生处于抬头状态，且左手高于左肩/右手高于右肩，则确定该学生为举手状态。
7.如权利要求4所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述服务器还包括听课质量反馈模块，用于将时间点和学生整体听课质量反馈至教师客户端。
8.如权利要求4所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述授课效果评价模块分析授课效果具体包括：
根据课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型和起止时间，以时间为横坐标，学生整体听课质量为纵坐标，生成师生互动曲线；
获取整体听课质量值低于设定阈值的时间段，并将该时间段信息和相应部分课件反馈至教师客户端。
9.如权利要求8所述的面向混合式教学方法的授课效果评估系统，其特征在于，所述分析授课效果还包括对各类教学方法的授课效果进行评价：
前期阶段听课质量提升效率计算方法为：
后期阶段听课质量衰减性计算方法为：
其中，g为教学方法的类型编号；K为某堂课采用第g类教学方法的总次数；
为第g类教学方法在第k次开始使用时的学生听课质量值和时间；
为第g类教学方法在第k次使用后，师生互动曲线上的第一个波峰值和时间；
为第g类教学方法在第k次使用后，师生互动曲线上的第一个波谷值和时间。
10.一种面向混合式教学方法的授课效果评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取课堂时间范围内各时间间隔的学生整体听课质量，以及教学方法类型及起止时间；
以时间为横坐标，学生整体听课质量为纵坐标，生成师生互动曲线；
对于每类教学方法，均根据各次使用开始时及结束后的整体听课质量，对该类教学方法的授课效果进行评价。
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN114580882A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115880111A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-03-31 | 山东工程职业技术大学 | 基于图像的虚拟仿真实训课堂教学管理方法及系统 |
-
2022
- 2022-02-28 CN CN202210187365.4A patent/CN114580882A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115880111A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-03-31 | 山东工程职业技术大学 | 基于图像的虚拟仿真实训课堂教学管理方法及系统 |
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