CN115793847A - 一种用于监测学生线上上课状态的教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测学生线上上课状态的教学系统，每位学生佩戴生理采集装置；屏幕式眼动仪安装在学生端的电子屏幕边缘位置；服务器中的数据处理模块实时接收每位学生的心率变异性HRV_R和眼动数据，并根据所采集的眼动数据计算当前注视频率f_R；评估模块中保存有每位学生课前测验的注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，根据当前测得的心率变异性HRV_R与心率变异性基线HRV_B的差值ΔHRV及当前注视频率f_R与注视频率基线f_B的差值Δf，对所有学生当前的上课状态做出走神状态、非走神状态及焦虑状态的评估；反馈模块将评估为走神状态和焦虑状态的学生信息反馈至授课教师的教师端。本发明更精准评估学生的认知加工状态的同时，还可以识别学生的负面学业情绪。

Description

一种用于监测学生线上上课状态的教学系统

技术领域

本发明涉及教学系统领域，具体涉及一种用于监测学生线上上课状态的教学系统。

背景技术

课堂教学是学生直接获取知识的关键环节，因此，高效的课堂听讲是学生掌握新知识、获得好成绩的重要因素。由于高中生、中小学生要承担多学科的学习，学习任务重，不可避免的会产生部分学生课堂走神或因学习内容过难而产生焦虑情绪等问题，为此，教师在课堂教学时及时觉察学生认知与情绪状态，并做到准确干预、适时调整教学节奏是至关重要的。目前，教师在上网课时要求学生打开视频摄像头，通过这种方式来监控学生的上课状态，但是，由于教师精力有限，专注教学时往往很难准确捕捉到学生们的内在状态，因此会存在部分学生因走神或内心焦虑而难以被发现，从而影响学习成绩，导致焦虑情绪的产生，不利于学生自身的发展。

中国专利文献CN 111563702A公开了一种课堂教学互动系统，包括：教师端，用于调整课堂模式，课堂模式包括讲课模式和自习模式；学生端，用于采集学生的图像信息；服务器，用于用预设的模型对学生的图像信息进行分析，并根据分析结果将学生分为认真听课、疑似走神和未认真听课三种；当课堂模式为自习模式时，服务器给疑似走神学生的学生端发送走神验证信号，学生端接收到走神验证信号后，弹出一个按压后消失的图像块，若图像块持续存在X秒，则服务器将该学生端标记为未认真听课；当课堂模式为讲课模式时，服务器将疑似走神的学生信息发送给教师端。上述专利文献中所采用的记录疑似走神学生的方式是在学生端设置弹窗模式，当出现弹窗时，对于未走神的学生需要及时发现弹窗，并按下弹窗主动消除弹窗来证明自己没有出现走神，在实际应用中，会出现一些误判问题，一旦出现误判，会对正常听讲的学生产生一定的干扰，同时，上述专利文献也无法判断学生是否存在一些更严重影响学习的焦虑情绪，无法全面获知学生的上课状态，不利于课堂教学。在关键数据采集方面，上述专利文献中采用图像信息作为鉴别学生认真听课、疑似走神和未认真听课三种，这三种状态并非基础认知或情绪状态，且个体之间差异较大，比较容易出现漏判、误判现象；当提供给教师的反馈信息存在误判时，也不利于课堂教学。

在走神的验证方式方面，上述专利文献采用针对各学科课堂无差别的弹窗设计，学生只要发现弹窗并及时消除弹窗就可以证明自己没有走神，但这种验证方式仅需要简单的视觉加工即可完成，对于学生听课质量的鉴别能力较弱。

发明内容

为了解决上述所存在的技术问题，在课堂教学中及时发现听课异常的学生，并对异常学生通过回答问题方式确定是否真的听课走神，同时还发现学生是否存在焦虑情绪，结合课前与课中所检测的生理参数进行准确判断，本发明提供了一种用于监测学生线上上课状态的教学系统。

所采用的技术方案如下：

本发明提供了一种用于监测学生线上上课状态的教学系统，所述系统包括：

生理采集装置，佩戴在每位学生的身体上，用于采集心率变异性HRV；

屏幕式眼动仪，安装在学生端的电子屏幕边缘位置，用于采集电子屏幕上的各位学生的眼动数据；

服务器，其包括数据处理模块、评估模块和反馈模块，所述数据处理模块实时接收每位学生的心率变异性HRV_R和眼动数据，并根据所采集的眼动数据计算当前注视频率f_R；

所述评估模块中保存有每位学生课前测验的注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，根据当前测得的心率变异性HRV_R与心率变异性基线HRV_B的差值ΔHRV及当前注视频率f_R与注视频率基线f_B的差值Δf，对所有学生当前的上课状态做出走神状态、非走神状态及焦虑状态的评估；

所述反馈模块用于将评估为走神状态和焦虑状态的学生信息反馈至授课教师的教师端，供授课教师关注。

进一步地，所述服务器中还预设有与课堂教学进度及内容相符的答题模块，当所述评估模块中所得Δf＞0，且ΔHRV≤0时，其首先评估学生为疑似走神状态，所述答题模块向对应学生的学生端发送与当前课堂教学内容相关的预设问题供学生回答，若学生回答正确，则评估学生为非走神状态，否则，评估学生为走神状态，所述反馈模块将对应的学生信息反馈给授课教师。

进一步地，当所述评估模块中所得Δf≤0，且ΔHRV≤0时，评估学生为非走神状态；当所述评估模块中所得Δf≤0，且ΔHRV＞0时，评估学生为焦虑状态。

进一步地，所述的当前注视频率f_R＝n/T，其中的T表示兴趣区内的总注视时间，n表示兴趣区内的总注视次数，其中的兴趣区设定为学生端的整个电子屏幕。

进一步地，所述服务器中还设有测验任务数据库，所述测验任务数据库中设有各学段学生及对应多种难度的心理旋转测验任务、语义判断测验任务和图片情境意识测验任务，授课教师通过教师端从所述测验任务数据库中选取与当前授课内容呈现形式相近的测验任务供所有学生进行课前测验，获得各位学生的所述注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，并传输给所述评估模块。

进一步优选地，所述服务器中还设有提示校准模块，若在设定时间内，所述数据处理模块实时接收的眼动数据未产生更新时，所述提示校准模块自动向对应的学生端发送校准眼动仪提示，直至所述数据处理模块正常接收到更新后的眼动数据为止。

优选地，所述的生理采集装置为佩戴在每位学生手腕上的智能生理监测手环。

还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由处理器加载并执行，以实现所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统。

本发明技术方案具有如下优点：

A.本发明通过学生佩戴生理采集装置及在电子屏幕上放置用于采集学生眼动数据的屏幕式眼动仪，分别采集每位学生课前心率变异性基线HRV_B和注视频率基线f_B，同时实时采集上课状态下当前的心率变异性HRV和当前注视频率f_R，根据所测心率变异性HRV相对课前所测心率变异性HRV_B的差值ΔHRV及当前注视频率f_R与注视频率基线f_B的差值，对所有学生当前的上课状态进行评估，并将通过生理参数及眼动数据判断为走神及焦虑的学生反馈给授课教师，从而及时得到授课教师的关注，有助于提高学生的课堂听讲效率，通过教师端可以及时发现个别学生上课问题，避免错失上课过程中关键知识的学习；本发明通过收集眼动数据与生理数据，分别用于监测学生在上课过程中的认知负荷与焦虑这两类基础认知与情绪状态，在更精准评估学生的认知加工状态的同时，还可以识别学生的负面学业情绪。

B.本发明对初判走神状态的学生先是设定为疑似走神状态，然后通过授课老师当前授课内容从答题模块中提取出预设问题，自动推送至对应的学生端，根据学生的答题是否正确给出是否真的走神的评估，本发明结合了每位学生的生理数据及眼动数据，准确对学生的课堂听课状态做出评估，同时将发展成具有焦虑状态的学生提取出来，更便于教师调整教学内容难度，对学生进行针对性的辅导。

C.本发明在每次课前对所有学生进行测验，获取每位学生的注视频率基线(或认知负荷基线水平)和心率变异性基线(或焦虑基线水平)，始终结合每位学生的身体变化，适合于不同年龄段及认知发展水平的学生；同时还结合不同学科教学，在服务器中设置了测验任务数据库，并在数据库中设置了心理旋转测验任务、语义判断测验任务和图片情境意识测验任务，针对不同学科及年龄段的学生，可以选取对应难度的测验任务，有针对性地测验学生课前正常听课状态下的基线数据，使得每位学生都有自己的课堂状态参考基线值，授课教师可以通过教师端准确关注到问题学生，调整教学进度与难度，有助于培养学生专注的听课状态。

D.本发明系统使用的眼动仪，可直接安装于电子屏幕边缘位置，所采用的生理采集装置为佩戴在学生手腕上的智能手环，手环具有多模态生理数据采集功能，均不会影响学生正常的学习活动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提供的系统组成结构示意图；

图2是图1中测验任务数据库所包含的测验任务；

图3是本发明提供的系统运行原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种用于监测学生线上上课状态的教学系统，系统包括学生端、服务器和教师端，服务器连接教师端和学生端，每位学生都佩戴生理采集装置，这里优选为中科心研自研的智能生理监测手环，此手环可以佩戴在每位学生的手腕上，其为多模态人因数据感知终端，用于采集学生的心率变异性HRV，并传输给服务器：同时在每位学生的电子屏幕的边缘位置分别安装一个屏幕式眼动仪，用于采集电子屏幕上的各位学生的眼动数据，并将所采集到的眼动数据通过网络传输至服务器中，由于眼动仪为现有设备，这里不再对其结构、数据采集及处理原理做进一步赘述。本发明所采用的服务器包括数据处理模块、评估模块和反馈模块，数据处理模块实时接收每位学生的心率变异性HRV_R和眼动数据，并根据所采集的眼动数据计算当前注视频率f_R；这里所采集到的当前注视频率f_R＝n/T，其中的T表示兴趣区内的总注视时间(比如取当前时刻之前的3分钟)，n表示兴趣区内的总注视次数，其中的兴趣区设定为学生端的整个电子屏幕，即表示3分钟时间内所采集到的学生注视屏幕的次数。

在评估模块中保存有每位学生课前测验的注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，这两个基线数值针对每位学生会存在差异，但是每位学生都会测得与自己专注听讲相关的这两个基线参数，用作评估课堂听讲是否存在走神和焦虑的判定依据。本发明根据当前测得的心率变异性HRV_R与心率变异性基线HRV_B的差值ΔHRV，即：ΔHRV＝HRV_R-HRV_B，以及当前注视频率f_R与注视频率基线f_B的差值Δf，即：Δf＝f_R-f_B，根据这两个变化值的正负情况，对所有学生当前的上课状态做出走神状态、非走神状态及焦虑状态的评估；当然了，本发明还在后续对当前走神状态进一步确认是否真的走神，确定真的走神后，记录学生信息，并通过反馈模块将评估为走神状态和焦虑状态的所有学生信息反馈至授课教师的教师端，供授课教师关注，教师端呈现出走神和焦虑的学生，授课老师可以针对焦虑的学生进行课后开导，对走神的学生可以课后与学生一起分析走神原因，或给予课后辅导，进一步补充走神时段教师所讲知识点，当然，结合不同走神或焦虑原因给出相应的指导措施，保证在以后上课期间全神贯注听讲。

另外，如图1和3所示，为了保证准确评估学生的课堂上课状态，在服务器中还预设有与课堂教学进度及内容相符的答题模块，比如，教师根据课程设计，设置不同时段的对应问题，当评估模块中所得Δf＞0，且ΔHRV≤0时，其首先评估学生为疑似走神状态，答题模块向对应学生的学生端发送与当前课堂教学内容相关的预设问题供学生回答，若学生回答正确，则说明学生正在听老师讲解当前的相关授课内容，此时评估学生为非走神状态，否则，学生完全没有听当前老师授课内容，从而无法正确回答出与授课内容相关的问题，即评估学生为走神状态，反馈模块将对应的学生信息反馈给授课教师，同时服务器会进一步记录学生的走神时刻，有助于教师在课后进行指导或提醒学生掌握这一走神时刻的教学内容知识点。本发明验证走神的方式是对学生进行简短的课堂情境意识测验，由教师预先设定与教学内容相关的问题，服务器自动发送给对应的疑似走神学生，用以检验学生对教学内容的知觉，在识别到疑似走神的学生后，会呈现教师预设题目，学生只有在指定时间内答对问题，才能证明没有走神，减少被误判为走神状态的情况，精简教师需要处理的信息，防止老师的注意力被提示信息过度分散，有助于保持集中精力教学。

如图3所示，对于非走神状态及焦虑状态两种情况，本发明也给出了明确的判定方法，当评估模块中所得Δf≤0，且ΔHRV≤0时，评估学生为非走神状态；当评估模块中所得Δf≤0，且ΔHRV＞0时，评估学生为焦虑状态。反馈模块仅将存在焦虑状态和走神状态的学生返给教师端，供教师实时掌握问题学生的课堂状态。

本发明在对所有学生进行课前测验时，都设置了相应的测验任务，即在服务器中预先设有测验任务数据库，如图2所示，测验任务数据库中按照各学段学生认知发展水平，设定了不同难度的心理旋转测验任务、语义判断测验任务和图片情境意识测验任务，授课教师通过教师端从测验任务数据库中选取与当前授课内容呈现方式相近的测验任务供所有学生进行课前测验，获得各位学生的注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，并传输给评估模块，作为评估参考基线阈值。

另外，为了避免眼动仪在使用过程中存在问题，造成检测不到个别学生的眼动数据，在服务器中还设有提示校准模块，这一点是非常重要的，避免造成误判，若在设定时间内，比如连续1min数据处理模块没有接收到更新的眼动数据，此时的提示校准模块会自动向对应的学生端发送校准眼动仪提示，提示学生校准一下眼动仪，直至数据处理模块正常接收到更新后的眼动数据为止，学生无需关注眼动仪的工作情况，只需保持认知听讲即可，通过后台数据反应眼动仪的工作状态，并对问题眼动仪及时通知对应学生做相应校准即可，对教师教学不会造成任何干扰，有助于及时获知走神学生的自身状态情况，进行针对性的解决问题。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条程序代码，程序代码由处理器加载并执行，以实现上述的用于监测学生线上上课状态的教学系统。

本发明未述及之处均适用于现有技术。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，所述系统包括：

生理采集装置，佩戴在每位学生的身体上，用于采集心率变异性HRV；

屏幕式眼动仪，安装在学生端的电子屏幕边缘位置，用于采集电子屏幕上的各位学生的眼动数据；

服务器，其包括数据处理模块、评估模块和反馈模块，所述数据处理模块实时接收每位学生的心率变异性HRV_R和眼动数据，并根据所采集的眼动数据计算当前注视频率f_R；

所述评估模块中保存有每位学生课前测验的注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，根据当前测得的心率变异性HRV_R与心率变异性基线HRV_B的差值ΔHRV及当前注视频率f_R与注视频率基线f_B的差值Δf，对所有学生当前的上课状态做出走神状态、非走神状态及焦虑状态的评估；

所述反馈模块用于将评估为走神状态和焦虑状态的学生信息反馈至授课教师的教师端，供授课教师关注。

2.根据权利要求1所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，所述服务器中还预设有与课堂教学进度及内容相符的答题模块，当所述评估模块中所得Δf＞0，且ΔHRV≤0时，其首先评估学生为疑似走神状态，所述答题模块向对应学生的学生端发送与当前课堂教学内容相关的预设问题供学生回答，若学生回答正确，则评估学生为非走神状态，否则，评估学生为走神状态，所述反馈模块将对应的学生信息反馈给授课教师。

3.根据权利要求2所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，当所述评估模块中所得Δf≤0，且ΔHRV≤0时，评估学生为非走神状态；当所述评估模块中所得Δf≤0，且ΔHRV＞0时，评估学生为焦虑状态。

4.根据权利要求1所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，所述的当前注视频率f_R＝n/T，其中的T表示兴趣区内的总注视时间，n表示兴趣区内的总注视次数，其中的兴趣区设定为学生端的整个电子屏幕。

5.根据权利要求1-4任一所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，所述服务器中还设有测验任务数据库，所述测验任务数据库中设有各学段学生及对应多种难度的心理旋转测验任务、语义判断测验任务和图片情境意识测验任务，授课教师通过教师端从所述测验任务数据库中选取与当前授课内容相关的测验任务供所有学生进行课前测验，获得各位学生的所述注视频率基线f_B和心率变异性基线HRV_B，并传输给所述评估模块。

6.根据权利要求1所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，所述服务器中还设有提示校准模块，若在设定时间内，所述数据处理模块实时接收的眼动数据未产生更新时，所述提示校准模块自动向对应的学生端发送校准眼动仪提示，直至所述数据处理模块正常接收到更新后的眼动数据为止。

7.根据权利要求1所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统，其特征在于，所述的生理采集装置为佩戴在每位学生手腕上的智能生理监测手环。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由处理器加载并执行，以实现如权利要求1至7任一所述的用于监测学生线上上课状态的教学系统。

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