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(xiàn)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(shè)過程中，以廣州東華職業(yè)學(xué)院軟件技術(shù)專業(yè)為例，運用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)手段，實現(xiàn)自動考勤，學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)自動獲取，對學(xué)生行為自動干預(yù)，改進(jìn)教學(xué)方式和節(jié)奏，提醒學(xué)生注意力集中，提高學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生帶著問題學(xué)，達(dá)到提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率的目的。

關(guān)鍵詞：軟件技術(shù);智慧課堂;課堂考勤;人臉識別

中圖分類號：G434;TP311.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)信息技術(shù)革命性影響力。教育信息化不僅改變了教與學(xué)的方式，而且已經(jīng)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(xué)校建設(shè)發(fā)展規(guī)劃的重要內(nèi)容。智慧課堂建設(shè)既是教育信息化的關(guān)鍵一環(huán)，也是學(xué)校建設(shè)和人才培養(yǎng)的重要組成部分，直接關(guān)系到學(xué)校整體的教學(xué)和管理水平。目前智慧課堂的建設(shè)多側(cè)重在教學(xué)方法和教學(xué)手段的現(xiàn)代化，而忽略了對學(xué)生的監(jiān)管，學(xué)生曠課、上課的精力不集中、玩手機、睡覺、聊天的很多，學(xué)習(xí)效果很差;軟件技術(shù)專業(yè)是實踐性很強的學(xué)科，一般都在多媒體機房上課，采用“邊講邊練”的教學(xué)模式，有別于公共基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法，智慧課堂在軟件開發(fā)類上要有特色體現(xiàn)。

1 ?軟件技術(shù)課智慧課堂的特點

智慧課堂作為創(chuàng)新教學(xué)模式，打破傳統(tǒng)的單向教學(xué)模式，實現(xiàn)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(wù)）為導(dǎo)向，案例驅(qū)動教學(xué)，邊講邊練”教學(xué)思想的指導(dǎo)下，依據(jù)軟件技術(shù)專業(yè)相應(yīng)崗位的工作過程，分解成一系列的典型工作任務(wù)，把每個工作任務(wù)加工、提煉成教學(xué)中的一個典型項目案例，再將其細(xì)化成一個個任務(wù)，根據(jù)任務(wù)準(zhǔn)備所需的知識點、技能和素質(zhì)目標(biāo)來組織課堂設(shè)計[1]。學(xué)生通過基于項目式教學(xué)的學(xué)習(xí)，逐步掌握專業(yè)崗位所需的技能。在智慧課堂建設(shè)中，全方位構(gòu)建“課前微課導(dǎo)學(xué)、課堂互動探究、課后個性輔導(dǎo)”的教學(xué)模式，利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，最終實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容數(shù)字化、教學(xué)決策數(shù)據(jù)化、交流互動多樣化、評價反饋及時化、資源推送智能化，促進(jìn)教師開展精準(zhǔn)教學(xué)與個性化教學(xué)，切實提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)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(shù)，可以把課堂上學(xué)生精彩的講解視頻、精妙的解題過程、優(yōu)秀的作品等一秒上傳到云平臺[2]，既可以作為日后教與學(xué)的素材，又可以作為學(xué)生在線學(xué)習(xí)的教學(xué)資源，可謂“一舉多得”。

（2）教學(xué)智能。智慧課堂是一個數(shù)據(jù)精細(xì)采集、學(xué)習(xí)準(zhǔn)確分析、按需精準(zhǔn)推送的個性化教與學(xué)平臺。它能運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)學(xué)生終端數(shù)據(jù)的接收、處理，數(shù)據(jù)的實時分析可以給出教師需要的分析報告，讓教與學(xué)更加高效、智能。

（3）教學(xué)互動。智慧課堂在軟件系統(tǒng)上，運用現(xiàn)代信息技術(shù)，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(xué)支撐平臺?；影瑑蓚€方面：一方面是人機互動。支持觸摸技術(shù)能讓學(xué)生零距離地參與到教學(xué)互動中，發(fā)揮他們參與的積極性、主動性，開發(fā)創(chuàng)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(xué)，支持多屏互動便于開展一對一教學(xué)，實現(xiàn)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(shù)實現(xiàn)自動考勤

人臉識別運用范圍越來越廣，可以應(yīng)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(xué)生進(jìn)校的時候，每個同學(xué)人臉資料統(tǒng)一采集，形成人臉特征編碼，保存到人臉數(shù)據(jù)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(xué)的圖像進(jìn)行逐排掃描，班上同學(xué)的圖片信息提交給后臺云服務(wù)器，供平臺進(jìn)行分析識別到場的每個同學(xué)。下課后，后臺程序通過計算，生成學(xué)生考勤報表，反映學(xué)生上課情況，如遲到的人數(shù)、遲到的分鐘數(shù)、早退的人數(shù)、曠課的人數(shù)，并及時反饋給輔導(dǎo)員和任課老師。

人臉識別技術(shù)是基于面部特征信息進(jìn)行身份識別的一種智能識別技術(shù)。該技術(shù)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(xué)習(xí)算法，算法需要根據(jù)計算好的正確類別人臉特征進(jìn)行模型的訓(xùn)練，再用模型對不知道的人臉圖片信息進(jìn)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(nèi)掃描，再逐個判定候選區(qū)域是否是人臉的，找出人臉圖像所在區(qū)域位置，結(jié)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(zhuǎn)換為黑白，根據(jù)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(yīng)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(biāo)位置。人臉特征點需要定位的數(shù)目與應(yīng)用的場合有關(guān)，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(biāo)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(nèi)嘴唇8個點（60～67）。定位的過程：按照事先設(shè)定的規(guī)則扣出人臉檢測獲得的人臉區(qū)域，為了防止圖片因拍攝姿勢不正而錯位變形，還要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、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(diào)用機器學(xué)習(xí)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(jù)人臉五官特征點坐標(biāo)將人臉對齊預(yù)定模式，然后計算特征，得出一串固定長度的數(shù)值。這串?dāng)?shù)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(dāng)于一個人的身份證號碼一樣，是人的唯一標(biāo)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(xué)習(xí)算法，每次訓(xùn)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(xùn)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(diào)整深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，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(diào)整樣本，重復(fù)以上步驟百萬次，這是個巨大的挑戰(zhàn)，但是一旦訓(xùn)練完成，它能輕松地找出人臉。目前國外有已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，直接使用該網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)就不用部署復(fù)雜的機器學(xué)習(xí)。通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后，當(dāng)電腦看到同一個人的兩張不同照片時，人臉識別可以準(zhǔn)確地得到幾乎相同的數(shù)值[4]。

（4）人臉識別。識別被檢查的人臉對應(yīng)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(jìn)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(yù)設(shè)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(shù)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)

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(jìn)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(shù)目更多，可達(dá)到90個特征點，人臉表情識別算法也基于深度學(xué)習(xí)，通過人臉各種表情的識別學(xué)習(xí)，能準(zhǔn)確識別學(xué)生的各種表情。在課堂上，分析出認(rèn)真學(xué)習(xí)的學(xué)生、思考的學(xué)生、有疑問的學(xué)生、玩手機的學(xué)生以及睡覺的學(xué)生所占百分比，教師的電腦屏幕上會滾動著由大數(shù)據(jù)實時分析出的學(xué)生學(xué)習(xí)效果圖。促使教師及時調(diào)整上課節(jié)奏，改進(jìn)教學(xué)方法，提高學(xué)生上課效率的，比方說：如果學(xué)習(xí)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(xué)起來回答問題，讓學(xué)生帶著問題學(xué);老師也可以適當(dāng)降低演示案例的難度，使學(xué)生有成就感，提高學(xué)生興趣等。

獲取學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的另一種方式是，監(jiān)測學(xué)生的腦電波，判斷學(xué)生的專注情況。課桌的前方配備有腦電波傳感器，判斷學(xué)生上課是否精力集中，如果監(jiān)測到哪位學(xué)生走神或者注意力不集中，課桌上的監(jiān)控的指示燈馬上就會變成黃色，并且給學(xué)生的專注情況打分，而且分?jǐn)?shù)可以實時傳輸?shù)嚼蠋煹碾娔X上，記入學(xué)生的平時成績。

4 ?對學(xué)生的行為進(jìn)行干預(yù)

以學(xué)生課堂上坐的桌椅為載體，課桌上安裝有攝像頭，可以監(jiān)督學(xué)生上課狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)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(xué)生無法玩手機，提醒學(xué)生要認(rèn)真聽講，注意力要集中。如果學(xué)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(xué)，座椅可定時提供按摩服務(wù)，減輕疲勞，讓學(xué)生身心放松，在輕松愉快的環(huán)境學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)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(xué)生的面部表情，通過人臉識別技術(shù)，進(jìn)行情緒識別和眼球識別，分析出學(xué)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(xué)生的聽課狀態(tài)，調(diào)整教學(xué)節(jié)奏、講課的內(nèi)容，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

5 ?結(jié) ?論

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧課堂的建設(shè)也在不斷地推陳出新，智慧課堂要改變過去傳統(tǒng)教學(xué)中以教師為主體的教學(xué)模式，變成以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的課堂氛圍，在課堂上多關(guān)心、了解學(xué)生，實時掌握學(xué)生的上課吸收程度，及時調(diào)整學(xué)習(xí)節(jié)奏和進(jìn)度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生帶著問題學(xué)，獲得學(xué)習(xí)成就感，形成了開放和自主學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)境，給學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了更大的自由空間，促進(jìn)學(xué)生自主合作探究學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[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(xué)習(xí)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(shù);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(shù)據(jù)。