CN114677249A - 基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统 - Google Patents

基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统 Download PDF

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CN114677249A CN202210322178.2A CN202210322178A CN114677249A CN 114677249 A CN114677249 A CN 114677249A CN 202210322178 A CN202210322178 A CN 202210322178A CN 114677249 A CN114677249 A CN 114677249A
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Abstract

本发明公开了基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，包括服务器、听课状态管理系统、教务管理终端、手机终端以及教师管理终端，系统依据多个摄像头、体感传感器识别学生的听课状态，统计学生的听课(签到)、迟到早退人数，统计学生看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗者的姓名、学号等，同时系统可以将学生听课状态及人数统计情况、授课教师的讲课语速等实时显示在讲台上的多媒体显示屏上，动态跟踪学生的听课状态，及时提醒教师采用相关互动措施或改变(改进)授课方法，这对于教师实时改进自己的教学方法，达到在线持续改进课堂教学质量的目的，具有一定的积极意义。

Description

基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统
技术领域
本发明属于教学管理系统技术领域，具体涉及一种基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统。
背景技术
目前，对于课堂教学，人们往往只关注教师的表现，教师的基本功如何，组织能力怎样，有没有教学机制等等。随着对课堂教学认识的深化和更新，人们已经意识到，学生才是课堂的真正主人，课堂教学从关注教师转向关注学生的观念，在大多高校已悄然萌生。“以学论教”应成为观察和评价课堂的一个基本原则。因此，对教师教学质量的评价，应从重点关注教师的教转向关注师生互动、关注学生的学情，以学生在课堂教学中呈现的状态和获得的发展作为评定课堂教学质量的重要依据。随着人工智能技术的不断发展，采用图像识别技术，识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗等，同时识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，已经成为可能，采用计算机管理系统监视、管理学生的脸部表情及其听课状态，有利于教师精准、实时掌握自己的授课效果，查找原因，适时互动，因生施教，有的放矢。管理课堂教学状态，是师生之间知识的沟通与反馈和情感交流与互动的重要手段，对于激发学生学习兴趣、开启学生积极思维和保护学生创新思维等方面有着重要的作用，因此，需要研究基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，从而在一定程度上对教学质量和教学管理水平进行进一步提升和优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，解决了目前的课堂教学系统中，在一定程度上对教学质量和教学管理水平有待进一步提升和优化的问题。
本发明所采用的技术方案是，
基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，包括服务器、听课状态管理系统、教务管理终端、手机终端以及教师管理终端；听课状态管理系统包括可旋第一转摄像头组、体感传感器、控制主机以及显示器，其中：
服务器，其位于学校教务处机房，接受听课状态管理系统、教务管理终端、手机终端以及教师管理终端的信息访问，以便进行信息储存和信息管理；
服务器，其内部存储有学生的基本信息、学籍档案、教学计划以及教学安排的资料；
听课状态管理系统：其通过安装于教室的摄像头组采集的学生脸部特征，采用人工智能图像识别技术识别学生的身份，并结合体感传感器识别学生的听课状态及跟踪定位学生的听课位置；且听课状态管理系统可识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率。
学生的听课状态包括：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗；
心情愉悦度X由学生面带微笑的人数Xw、表情平和的人数Xp、面带愁容的人数Xc以及学生的总人数N计算而成，计算公式为如下公式(1)：
Figure BDA0003572164540000021
其中，听课专注率Z由学生看手机人数Zsj、打瞌睡人数Zks、相互聊天人数Zlt、大声喧哗人数Zxh以及学生的总人数N计算而成，计算公式为如下公式(2)：
Figure BDA0003572164540000031
教务管理终端，用于教务管理人员对服务器接受、保存的数据进行管理，包括对数据的储存、备份、检索、统计以及汇总，同时对注册的师生用户进行管理；
手机终端，为服务器的多个操作终端，手机终端上安装有APP程序，师生均借助手机终端在APP程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
教师管理终端，为服务器的多个电脑终端，其上安装有APP程序，教师可采用APP程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
教师管理终端，可以向服务器查询与本人教学的资料数据。
本发明的特点还在于；
可旋转摄像头组包括第一可旋转摄像头、第二可旋转摄像头、第三可旋转摄像头以及第四可旋转摄像头，其中：
第一可旋转摄像头，位于教室入门的正对面，在上课前对进门学生进行人脸识别，将人脸特征信息传输至控制主机；
第一可旋转摄像头在上课后被控制主机自动控制旋转面向上课学生，与体感传感器一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机；
第二可旋转摄像头，其位于教室黑板的正上方，与体感传感器一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机；
第三可旋转摄像头，位于教室进入门的正上方，在上课前、后被控制主机自动控制旋转面向出门学生，识别、统计上课早退学生的情况，并与体感传感器一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机；
体感传感器，位于教室黑板正上方，与可旋转摄像头组一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机；
控制主机，其位于教室多媒体操控台里，用于接收接受可旋转摄像头组及体感传感器检测的学生脸部特征信息以及学生的听课状态信息，并将信息发送至服务器；
控制主机，其借助服务器的数据关联统计：学生的听课的人数，统计学生看手机、打瞌睡、相互聊天者的信息和人数；当前本节课学生课前及课后的听课心情愉悦度；并将上述统计的信息发送至服务器；
控制主机，可以借助服务器的数据关联保存、统计当前本节课学生课前及课后听课心情愉悦度及愉悦曲线，并将信息发送至服务器；
控制主机，可以将学生听课状态及人数统计情况、授课教师的讲课语速等实时显示在显示器上，动态跟踪学生的听课状态，及时提醒教师采用互动措施、改变或改进授课方式，达到在线持续改进课堂教学质量的目的；
显示器，位于教室多媒体操控台的上面，显示控制主机的输出信息；
第四可旋转摄像头安装于教室中间顶部，其在控制主机控制下进行360度的旋转采集。
体感传感器：其用于识别感知跟踪人体的骨骼和关节位置，可以捕捉声源位置和音频波方向、面部表情，将所述感知位置信息输入至控制主机。
控制主机，可通过体感传感器的麦克风，计算和存储授课教师的讲课语速。
控制主机，可通过体感传感器的麦克风，识别学生是否大声喧哗。
师生在采用其上的APP程序进行用户注册时，需要采集学号、姓名、性别、身份证号以及人脸信息。
控制主机可通过体感传感器的麦克风：计算和存储授课教师的声纹信息，收集语音文本数据，分析提取数据特征并自动建模，以便听课状态管理系统自动识别该授课教师的授课声音。
本发明的有益效果是，本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，系统依据多个摄像头、体感传感器感知跟踪人体的骨骼和关节位置、捕捉声源位置和音频波方向、面部表情特征等，识别学生的听课状态，统计学生的听课(签到)、迟到早退人数，统计学生看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗者的姓名、学号等，同时系统可以将学生听课状态及人员统计情况、授课教师的讲课语速等实时显示在多媒体显示屏上，动态跟踪学生的听课状态，及时提醒教师采用相关互动措施或改变、改进授课方法，这对于教师实时改进自己的教学方法，达到在线持续改进课堂教学质量的目的，具有一定的积极意义。
附图说明
图1是本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统中系统框架示意图；
图2是本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统中听课状态管理系统的框架结构示意图；
图3是本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统的实施例中听课状态管理系统的实例流程示意图；
图4是本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统的实施例中显示器的显示状态示意图。
1.服务器，2.听课状态管理系统，101.第一可旋转摄像头，102.第二可旋转摄像头，103.第三可旋转摄像头，104.体感传感器，105.控制主机，106.显示器，107.第四可旋转摄像头，3.教务管理终端，4.手机终端，5.教师管理终端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统进行详细说明。
本发明提供了基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，如图1和图2所示，包括服务器1、听课状态管理系统2、教务管理终端3、手机终端4以及教师管理终端5等，其中：
服务器1，位于学校教务处机房，接受听课状态管理系统2、教务管理终端3、手机终端4以及教师管理终端5的信息访问，进行信息储存、信息管理等；
服务器1，内部存储有学生的基本信息、学籍档案、教学计划、教学安排等资料；
听课状态管理系统2，通过多个摄像头学生脸部特征，采用人工智能图像识别技术，识别学生的身份，并结合体感传感器识别学生的听课状态及跟踪定位学生的听课位置；
听课状态管理系统2，可以识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率；
心情愉悦度X由学生面带微笑的人数Xw、表情平和的人数Xp、面带愁容的人数Xc以及学生的总人数N计算而成，计算公式(1)为：
Figure BDA0003572164540000071
听课专注率Z由学生看手机人数Zsj、打瞌睡人数Zks、相互聊天人数Zlt、大声喧哗人数Zxh以及学生的总人数N计算而成，计算公式(2)为：
Figure BDA0003572164540000072
教务管理终端3，用于教务管理人员对服务器1接受、保存的数据进行管理，包括对数据的储存、备份、检索、统计、汇总等，同时对注册师生用户进行管理；
手机终端4，为服务器1的多个操作终端，师生都可以进行操作；
手机终端4，其上安装有APP程序，师生可采用APP程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
手机终端4，师生在采用其上的APP程序进行用户注册时，需要采集学号、姓名、性别、身份证号、人脸信息等；
教师管理终端5，为服务器1的多个电脑终端，其上安装有APP程序，教师可采用APP程序进行用户注册，并依据自己的操作权限登录服务器1进行数据管理操作；
教师管理终端5，可以向服务器1查询与本人教学的相关资料；
本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其中，听课状态管理系统2，具体包括第一可旋转摄像头101、第二可旋转摄像头102、第三可旋转摄像头103、体感传感器104、控制主机105、显示器106以及第四可旋转摄像头107；
第一可旋转摄像头101，位于教室入门正对面，在上课前被控制主机105自动控制旋转面向上课学生，对进门学生进行人脸识别，并将人脸特征信息传输至控制主机105；
第一可旋转摄像头101，位于教室进入门正对面，在上课后被控制主机105自动控制旋转面向上课学生，与体感传感器104一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机105；
第二可旋转摄像头102，位于教室黑板正上方，与体感传感器104一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机105；
第三可旋转摄像头103，位于教室进入门正上方，在上课前、后被控制主机105自动控制旋转面向出门学生，识别、统计上课迟到、早退学生的情况，并与体感传感器104一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机105；
体感传感器104，位于教室黑板正上方，与第一可旋转摄像头101、第二可旋转摄像头102、第三可旋转摄像头103以及第四可旋转摄像头107一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊、大声喧哗天等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率等，并将识别信息传输至控制主机105；
控制主机105，位于教室多媒体操控台里，接受第一可旋转摄像头101、第二可旋转摄像头102、第三可旋转摄像头103以及第四可旋转摄像头107及体感传感器104检测的学生脸部特征信息以及学生的听课状态信息，并将信息发送至服务器1；
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联统计学生的听课(签到)人数，统计学生看手机、打瞌睡、相互聊天者的姓名、学号等，并将信息发送至服务器1；
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联统计当前本节课学生看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗者的人数，并将信息发送至服务器1；
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联统计当前本节课学生课前及课后的听课心情愉悦度，并将信息发送至服务器1；
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联保存、统计当前本节课学生课前及课后听课心情愉悦度及愉悦曲线，并将信息发送至服务器1；
控制主机105，可以将学生听课状态及人数统计情况、授课教师的讲课语速等实时显示在显示器106上，动态跟踪学生的听课状态，及时提醒教师采用相关互动措施或改变(改进)授课方法，达到在线持续改进课堂教学质量的目的；
显示器106，位于教室多媒体操控台的上面，显示控制主机105的输出信息；
第四可旋转摄像头107，安装在教室中间顶部，可在控制主机105控制下360度旋转；
本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其中，体感传感器104，主要识别感知跟踪人体的骨骼和关节位置，可以捕捉声源位置和音频波方向、面部表情等(识别学生面部表情、听课坐姿、大声喧哗等)，将感知位置信息输入至控制主机105；
本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其中，体感传感器104，控制主机105可以通过体感传感器104的麦克风，识别学生是否大声喧哗；
本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其中，体感传感器104，控制主机105可以通过体感传感器104的麦克风，计算、存储授课教师的声纹信息，收集大量的语音文本，分析提取数据特征并自动建模，方便听课状态管理系统2以后自动识别该授课教师的授课声音；
本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其中，体感传感器104，控制主机105可以通过体感传感器104的麦克风，计算、存储授课教师的讲课语速；
通常，讲课的语速一般要控制在每分钟说100个字到200个字之间，在实际讲课过程中，要看听课的人的层次，小学生，中学生，大学生因为理解能力的不同，教师在授课的过程中，要选择不同的语速，如果是面对小学生接受能力比较差，那么，语速要适当放慢，控制在每分钟100个字左右，如果授课的是大学生，那么可以按照正常的语速讲话，每分钟200个字左右。
下面通过具体的实施例对本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统进行进一步详细说明。
实施例；
如图3所示，本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统中听课状态管理系统，如：一个班有30位学生(上课前面带笑容的有24位，表情平和的有4位，面带愁容的有2位，那么，代入公式(1)，上课前学生的心情愉悦度X为，
Figure BDA0003572164540000111
X＝23+5-2/30×100％＝86.67％；
1)服务器依据课表，上课前半小时启动听课状态管理系统工作，控制主机控制可移动摄像头转向教室门入口处，与服务器学生注册信息关联识别进门学生脸部特征，并跟踪定位入座，由此统计学生的到课情况；同时体感传感器识别学生脸部表情计算学生的课前心情愉悦度为86.67％。
2)控制主机依据课表，准时通知教师开始上课，控制所有摄像头识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗等，同时采用体感传感器识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率；
比如学生面带笑容的有25位,表情平和的有4位，面带愁容的有1位，那么代入公式(1)，学生听课的愉悦度变化为：
Figure BDA0003572164540000112
X＝23+5-2/30×100％＝93.33％；
听课中看手机有2人、打瞌睡有1人、相互聊天有2人、大声喧哗有0人；代入公式(2)，学生听课的专注率为：
Figure BDA0003572164540000121
Z＝1-((2+1+2+0)/30)＝83.33％；
3)多媒体显示器显示；如图4所示；
多媒体讲台上的显示器显示以上画面，上课教师可依据实际情况与“显示”学生进行互动，提高此类学生听课的愉悦度和专注率。
本发明基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统；通过合理地设计，在一定程度上可以提升上课教师的授课质量，对上课学生也起到一定的积极作用，具有一定的实用性。

Claims (7)

1.基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，包括服务器(1)、听课状态管理系统(2)、教务管理终端(3)、手机终端(4)以及教师管理终端(5)；所述听课状态管理系统(2)包括可旋第一转摄像头组、体感传感器(104)、控制主机(105)以及显示器(106)，其中：
所述服务器(1)，其位于学校教务处机房，接受听课状态管理系统(2)、教务管理终端(3)、手机终端(4)以及教师管理终端(5)的信息访问，以便进行信息储存和信息管理；
所述服务器(1)，其内部存储有学生的基本信息、学籍档案、教学计划以及教学安排的资料；
所述听课状态管理系统(2)：其通过安装于教室的摄像头组采集的学生脸部特征，采用人工智能图像识别技术识别学生的身份，并结合体感传感器(104)识别学生的听课状态及跟踪定位学生的听课位置；且听课状态管理系统(2)可识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率。
所述学生的听课状态包括：看手机、打瞌睡、相互聊天、大声喧哗；
所述心情愉悦度X由学生面带微笑的人数Xw、表情平和的人数Xp、面带愁容的人数Xc以及学生的总人数N计算而成，计算公式为如下公式(1)：
Figure FDA0003572164530000011
其中，听课专注率Z由学生看手机人数Zsj、打瞌睡人数Zks、相互聊天人数Zlt、大声喧哗人数Zxh以及学生的总人数N计算而成，计算公式为如下公式(2)：
Figure FDA0003572164530000021
所述教务管理终端(3)，用于教务管理人员对服务器(1)接受、保存的数据进行管理，包括对数据的储存、备份、检索、统计以及汇总，同时对注册的师生用户进行管理；
所述手机终端(4)，为服务器(1)的多个操作终端，所述手机终端(4)上安装有APP程序，师生均借助手机终端(4)在APP程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
所述教师管理终端(5)，为服务器(1)的多个电脑终端，其上安装有APP程序，教师可采用APP程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
所述教师管理终端(5)，可以向服务器(1)查询与本人教学的资料数据。
2.根据权利要求1所述的基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，所述可旋转摄像头组包括第一可旋转摄像头(101)、第二可旋转摄像头(102)、第三可旋转摄像头(103)以及第四可旋转摄像头(107)，其中：
所述第一可旋转摄像头(101)，位于教室入门的正对面，在上课前对进门学生进行人脸识别，将人脸特征信息传输至控制主机(105)；
所述可旋转摄像头(101)在上课后被控制主机(105)自动控制旋转面向上课学生，与体感传感器(104)一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机(105)；
所述第二可旋转摄像头(102)，其位于教室黑板的正上方，与体感传感器(104)一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机(105)；
所述第三可旋转摄像头(103)，位于教室进入门的正上方，在上课前、后被控制主机(105)自动控制旋转面向出门学生，识别、统计上课早退学生的情况，并与体感传感器(104)一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机(105)；
所述体感传感器(104)，位于教室黑板正上方，与可旋转摄像头组一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机(105)；
所述控制主机(105)，其位于教室多媒体操控台里，用于接收接受可旋转摄像头组及体感传感器(104)检测的学生脸部特征信息以及学生的听课状态信息，并将信息发送至服务器(1)；
所述控制主机(105)，其借助服务器(1)的数据关联统计：学生的听课的人数，统计学生看手机、打瞌睡、相互聊天者的信息和人数；当前本节课学生课前及课后的听课心情愉悦度；并将上述统计的信息发送至服务器(1)；
所述控制主机(105)，可以借助服务器(1)的数据关联保存、统计当前本节课学生课前及课后听课心情愉悦度及愉悦曲线，并将信息发送至服务器(1)；
所述控制主机(105)，可以将学生听课状态及人数统计情况、授课教师的讲课语速实时显示在显示器(106)上，动态跟踪学生的听课状态，及时提醒教师采用互动措施、改变或改进授课方式，以便达到在线持续改进课堂教学质量的目的；
所述显示器(106)，位于教室多媒体操控台的上面，显示控制主机(105)的输出信息；
所述第四可旋转摄像头(107)安装于教室中间顶部，其在控制主机(105)控制下进行360度的旋转采集。
3.根据权利要求1所述的基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，所述体感传感器(104)：其用于识别感知跟踪人体的骨骼和关节位置，可以捕捉声源位置和音频波方向、面部表情，将感知位置信息输入至控制主机(105)。
4.根据权利要求1所述的基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，所述控制主机(105)，可通过体感传感器(104)的麦克风，计算和存储授课教师的讲课语速。
5.根据权利要求1所述的基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，所述控制主机(105)，可通过体感传感器(104)的麦克风，识别学生是否大声喧哗。
6.根据权利要求1所述的基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，师生在采用其上的APP程序进行用户注册时，需要采集学号、姓名、性别、身份证号以及人脸信息。
7.根据权利要求1所述的基于人工智能技术的课堂教学质量在线持续改进系统，其特征在于，所述控制主机(105)可通过体感传感器(104)的麦克风：计算和存储授课教师的声纹信息，收集语音文本数据，分析提取数据特征并自动建模，以便听课状态管理系统(2)自动识别该授课教师的授课声音。
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