教育数字化转型实践|智能技术助推教师课堂教学行为评价的应用框架研究

       教师课堂教学行为评价主要采用课堂观察的经验描述方式,人力成本较高,且主观性强。随着人工智能技术在教育领域的广泛应用,该评价开始转向数据驱动的研究范式,智能技术赋能的教学行为评价凭借实时分析和可视化评价的优势,逐渐成为帮助教师调控教学行为、提高教学质量的有力手段。然而,目前智能化教师行为评价仍处于初步探索阶段,应用研究还不够深入。基于此,文章从评价数据、手段和结果上解析智能技术在教师课堂教学行为评价中的应用;利用声纹识别技术对课堂视频进行教师身份识别与话语追踪,分割视频片段;再从情感、姿态和位置偏好三个维度,构建教师课堂教学行为评价的应用框架;将评价结果以更加直观、易于理解的可视化方式呈现给教师,帮助教师进行教学反思。文章旨在通过研究,推进教师课堂教学行为评价向着智能、高效、持续的方向变革。

智能技术赋能教师课堂教学行为评价

       教师课堂教学评价是对教师课堂教学的行为及其效果所进行的价值判断,通常包含教学过程评价、学生活动评价和教学效果评价三种方式。智能技术赋能的教师课堂教学行为评价,在此基础上提供了更加多元的过程评价,从而加快了教学行为评价进程,为教师提供更全面的教学行为诊断。接下来,本研究将从评价数据、评价手段、评价结果三个方面介绍智能技术赋能的教师课堂教学行为评价的特点及相关研究。

01 精准采集多维教师评价数据

       智能技术可采集多维数据,使用录播系统、脑电、眼动等设备采集高质量、全过程的教师多维行为数据,构建教师行为数据库,为教学行为评价提供客观的数据支持。研究表明,利用智能技术采集和挖掘多维数据,可以实现更全面、更高准确度的教师行为评价。

02 智能技术强化行为评价手段

       智能技术可识别教学行为,利用人工智能技术对多维教师行为数据进行准确识别和智能分析,可获得评价分析结果。研究表明,利用智能技术采集和挖掘多维数据,可以实现更全面、更高准确度的教师行为评价。

03 可视化呈现行为评价结果

       智能技术可进行数据可视化展示,将评价结果以文字、图表、雷达图等形式可视化呈现。通过研究发现,利用仪表盘进行教师行为评价可视化反馈,能帮助教师反思课堂行为表现。

智能技术助推教师教学行为评价的应用框架

       虽然智能技术的发展推动教师行为评价向多维数据、智能分析和可视化评价的方向变革,但以往研究往往从单一模态或双模态对言语、情感、姿势、目光、生理等行为进行分析,不能全面评价。鉴于此,本研究针对多模态,构建了教师课堂教学行为智能评价的应用框架,如图1所示。由于本研究仅需上传常规的课堂视频即可进行评价,故不采用需佩戴仪器采集的目光和生理数据,而是在现有研究的基础上,增加了可提高师生互动的位置分析,构建了集教师情感、姿态、位置三维一体的教师课堂教学行为智能评价系统。

图1 教师课堂教学行为智能评价的应用框架

01 对象层:面向教师和教学管理者

       教对象层面向教师和教学管理者。通过对教师的多维课堂行为数据进行量化分析和评价,既可以为教师提供可视化的行为分析与评价,以教学反思促教师专业发展;又可以为教学管理者提供周期性的评价数据,以动态监控促智能评教,指导教师改进课堂行为,提高教学质量。

02 数据层:数据采集

       数据层利用深度录播系统采集教师的语音情感、面部表情、头势、手势和教师位置信息,建立教师课堂教学行为测评数据集(如表1所示),帮助开展教师课堂教学行为的过程性评价。

表1 教师课堂教学行为测评数据集

03 技术层:教师行为识别分析和数据可视化

       技术层以采集的数据为基础,结合计算机视觉、语音识别、情感计算等技术分析教师的情感状态、姿态行为和位置信息,将评价结果可视化呈现给教师,帮助教师进行教学诊断和反思。

   教师行为识别分析

     (1)语音情感

       语音是教师课堂传递信息和情感最直接的方式,由于师生行为在时间维度上可以连续采样,因此可将视频按照师生话语切分连续样本数据,并在切分后的时间片段内进行教师的语音情感识别和其他教学行为检测。

  • 第一步,特征提取。
  • 第二步,教师身份识别。
  • 第三步,语音情感识别。
  • 第四步,情感分类。

     (2)面部表情

     (3)头势

     (4)手势

     (5)教师位置

   数据可视化

       在对课堂教学视频进行自动化智能识别与分析后,本研究将教师课堂表现行为分为语音情感、面部表情、头势、手势和教师位置五个方面进行可视化展示,按照表1所示的教师课堂教学行为测评数据指标对教师本节课的表现做出科学、直观的评价,通过动态地更迭数据,以易于理解的图表和仪表盘方式将数据信息呈现给教师感知,强化过程性评价,以帮助教师进行教学反思。

04 应用层:教师课堂教学行为评价系统

       应用层在技术层的基础上,搭建教师课堂教学行为评价系统,教师上传授课视频,在线获得课堂分析可视化结果。本团队现已研发一款教师课堂行为评教系统“小雅评教系统”,该评教系统包含课堂分析、教学反思、成长记录和名师帮扶四大功能模块,其中“课堂分析”功能即在应用层实现对课堂视频中教师情感、教师姿态和教师位置的综合智能分析与评价。

  • 教师课堂情感分析
  • 教师课堂姿态分析
  • 教师课堂位置分析

智能技术助力教师课堂教学行为评价的应用

       在实验中,应用本框架持续半学期对课堂视频进行机器智能评价后,教师在本学期后期的教学行为表现上明显增加了语音情感和面部表情的表达,并走进教室中与学生互动。结合学生课堂表现反馈,两节课中学生的抬头率都较高,举手参与率从44%上升到87%,回答问题人次从18次上升到34次,课堂发言时间延长了约6分钟,且后排学生的课堂纪律明显好转,整体上学生的积极性和参与度明显增加。本研究发现,利用智能技术进行教师课堂教学行为评价,可以分析和反馈教师的过程性行为数据,及各类数据在课堂内的分布时间,精确地、可视化地反馈教师的课堂行为和评价结果,能有效帮助教师进行教学反思,提高教学质量。

       综上,本研究以智能技术助推教师课堂教学行为框架构建为研究目标,提出了一种融合多模态行为分析的教师课堂教学行为评价的应用框架,关注教师的课堂情感变化、姿势引导和课堂位置,以帮助教师及时调整和反思课堂教学行为。本研究的创新性体现在三个方面:(1)实现了真实课堂多维数据的采集和存储,全过程的课堂教学数据能实时分析教师教学行为的动态变化。(2)通过实验,验证了本框架下的智能评价能全面准确地反映教师课堂行为表现,以过程性评价数据帮助教师进行教学行为诊断和反思。(3)将智能技术应用于教师行为评价,能加快评价进程,提高评价结果对教学行为的反馈作用,帮助教师提高教学能力。然而,本研究也存在一些不足,后续还需进一步深入研究师生互动行为在教师教学行为评价中的重要作用,开展大规模优质课程的教师教学行为分析,建立数据常模,为同类课堂分析比较提供依据。通过健全教师教学行为智能评价系统,为智能教学行为评价提供更准确的分析结果和更有价值的评价服务。

参考文献

[1]鲁圆圆,陈增照,陈荣,石雅文,郑秋雨.智能技术助推教师课堂教学行为评价的应用框架研究[J].现代教育技术,2022,32(12):76-84.

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