劉毅

摘? 要：網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是重要的教學(xué)方式，自新冠肺炎疫情發(fā)生以來，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)更大規(guī)模地得到應(yīng)用。然而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)存在上課質(zhì)量難以監(jiān)督的問題。文章研究提出了基于行為分析的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)督評估方法，并利用人工智能等技術(shù)設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)時的對電腦的狀態(tài)、操作行為等信息數(shù)據(jù)對上課質(zhì)量進(jìn)行評估，為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)教學(xué);質(zhì)量監(jiān)測;系統(tǒng)

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）23-0084-03

Abstract： Online teaching is an important teaching method， since COVID-19 disease， online teaching is applied on a larger scale. However， the quality of online teaching is difficult to supervise. This paper studied a method of network teaching supervision and evaluation based on behavior analysis， and designs a network teaching monitoring system by using artificial intelligence and other technologies. According to the information data of students' on-line learning， such as the state and operation behavior of computers， the class quality is evaluated， which provides technical support for the development of online teaching.

Keywords： online teaching; quality monitoring; system

引言

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，廣泛在職業(yè)培訓(xùn)、成人教育等教學(xué)應(yīng)用。目前擁有網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資質(zhì)的高校網(wǎng)絡(luò)學(xué)院有70余所，慕課等教學(xué)方式也開始在普通高等學(xué)校的教學(xué)工作中應(yīng)用，為國家的職業(yè)和高等人才培養(yǎng)提供了重要的支撐作用，特別是新冠肺炎疫情以來，為保障教學(xué)工作的繼續(xù)開展，在全國范圍內(nèi)大、中、小學(xué)均采用了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，云課堂、空中課堂、騰訊會議、騰訊課堂、云視訊等各種教學(xué)平臺和軟件均得到了廣泛應(yīng)用。然而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)普遍存在的問題是難以在線教學(xué)時對學(xué)生上課質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督和考察，部分網(wǎng)上教學(xué)平臺具有視頻播放時間統(tǒng)計，定時打卡等監(jiān)督功能，但監(jiān)督方式較為生硬，特別是定時打卡，易分散學(xué)生聽課的注意力，反而影響了教學(xué)質(zhì)量。所以需要對網(wǎng)上教學(xué)的上課質(zhì)量監(jiān)督的方法進(jìn)行研究，以保證教學(xué)質(zhì)量。

本文研究基于行為分析的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)督評估方法，并設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)時的對電腦的狀態(tài)、操作行為等信息數(shù)據(jù)對上課質(zhì)量進(jìn)行評估。

1 方法研究

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)督評估方法包括線上課程運行狀態(tài)監(jiān)測、學(xué)生行為監(jiān)測兩部分。

1.1 運行狀態(tài)監(jiān)測

運行狀態(tài)監(jiān)測包括界面監(jiān)測和音量監(jiān)測。

（1）界面監(jiān)測用于監(jiān)測線上課程軟件運行過程中是否有其它界面遮擋。學(xué)生在線學(xué)習(xí)時，易存在開啟其它游戲、瀏覽器、工作或聊天軟件操作的情況，通過界面監(jiān)測可對此類影響聽課質(zhì)量的界面切換操作信息進(jìn)行采集，并記錄時間和次數(shù)。

（2）音量監(jiān)測可對學(xué)生在上課過程中電腦的音量設(shè)置調(diào)節(jié)信息進(jìn)行采集，以監(jiān)測學(xué)生在線學(xué)習(xí)時異常調(diào)低音量、開啟靜音等操作情況。除此之外，在線教學(xué)軟件應(yīng)不提供獨立的在線視頻音量調(diào)節(jié)功能，以防止學(xué)生獨立對教學(xué)視頻靜音，而播放其它娛樂視頻。

1.2 行為監(jiān)測

行為監(jiān)測主要是通過對輸入設(shè)備監(jiān)測實現(xiàn)，包括鼠標(biāo)監(jiān)測、鍵盤監(jiān)測、攝像頭監(jiān)測。

（1）鼠標(biāo)監(jiān)測;鼠標(biāo)是重要的人機交互輸入設(shè)備，人們在使用軟件時基本必須使用鼠標(biāo)操作，特別是使用游戲、瀏覽器軟件時，鼠標(biāo)操作頻率較高，而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)多數(shù)時間是觀看在線視頻，幾乎不需鼠標(biāo)操作，所以對鼠標(biāo)操作的頻繁度進(jìn)行監(jiān)測，可有效獲取學(xué)生對軟件的操作行為。

（2）鍵盤監(jiān)測;鼠標(biāo)是文本輸入的主要設(shè)備，人們在使用Word等文本編輯工作軟件或使用瀏覽器軟件進(jìn)行搜索操作時，必須使用鍵盤輸入，所以對鍵盤輸入的頻繁度進(jìn)行監(jiān)測，可有效獲取學(xué)生對電腦的編輯操作行為。但由于鍵盤偵測可能危及被監(jiān)測對象的密碼等個人信息安全的問題，所以監(jiān)測權(quán)限一定要嚴(yán)格控制與管理，只能對鍵盤使用頻率進(jìn)行監(jiān)測，絕不可監(jiān)測輸入內(nèi)容。

（3）攝像頭監(jiān)測;現(xiàn)有筆記本電腦基本都集成有攝像頭，通過攝像頭可以采集學(xué)生的視頻圖像，對視頻圖像處理識別，可監(jiān)測學(xué)生是否在電腦旁，而且進(jìn)一步可監(jiān)測學(xué)生對電腦屏幕的關(guān)注情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)可作為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件的一個子系統(tǒng)，由于涉及本地電腦功能較多，所以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件應(yīng)采用CS框架。教學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如圖1所示：

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)中音量監(jiān)測、鼠標(biāo)監(jiān)測、鍵盤監(jiān)測的功能較為簡單，易于實現(xiàn)，限于篇幅，本文不再詳述。以下主要對界面監(jiān)測和攝像頭監(jiān)測過程進(jìn)行設(shè)計。

2.1 界面監(jiān)測

界面監(jiān)測可借鑒錄屏軟件全屏數(shù)據(jù)采集的技術(shù)，對界面中固定不變的區(qū)域和位置選取若干個像素點，對這些像素點的值的變化進(jìn)行監(jiān)測，即可實現(xiàn)界面的監(jiān)測。

由于屏幕顯示界面均由顯示驅(qū)動程序負(fù)責(zé)顯示管理和驅(qū)動，所以具體編程時研究目標(biāo)應(yīng)以GDI（Graphics Device Interface） 圖形設(shè)備接口為主。GDI體系架構(gòu)如圖2所示，由下至上包括五個層次，底層為軟件的開發(fā)環(huán)境，圖中列舉了.NET和C++等常用的Windows程序開發(fā)環(huán)境;第二層為GDI+引擎，為底層開發(fā)的程序提供界面的二維矢量圖形、點陣圖像、文本文字的頭文件、動態(tài)鏈接庫等，包括與顯示設(shè)備無關(guān)的類、函數(shù)等;第三層為GDI接口，輸出標(biāo)準(zhǔn)的界面顯示信息;第四層設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)根據(jù)硬件設(shè)備完成GDI提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由第五層顯卡和顯示器完成軟件界面的顯示?；贕DI接口可采用mirror driver通過創(chuàng)建虛擬顯卡截取顯示內(nèi)容，實現(xiàn)對屏幕更新區(qū)域的監(jiān)控，如圖3所示，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件界面的關(guān)鍵位置設(shè)置9個監(jiān)測點，如屏幕更新區(qū)域涉及這些監(jiān)測點，可判定學(xué)生進(jìn)行了界面切換操作，包括界面覆蓋，最小化等。

2.2 攝像頭監(jiān)測

攝像頭監(jiān)測過程如圖4所示。

（1）步驟1，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生用戶名信息調(diào)取服務(wù)器中存儲的學(xué)生照片圖像數(shù)據(jù)，并開啟攝像頭采集學(xué)生面部圖像，將圖像進(jìn)行人臉識別匹配，如匹配成功，則繼續(xù)持續(xù)采集面部圖像，進(jìn)行活體檢測以區(qū)分真人與照片。

（2）步驟2，對步驟1的識別結(jié)果進(jìn)行判定，如果識別成功繼續(xù)執(zhí)行步驟3，否則返回步驟1繼續(xù)采集識別。

（3）步驟3，對已經(jīng)過識別認(rèn)證的學(xué)生進(jìn)行位置識別監(jiān)測，用于判定學(xué)生是否持續(xù)在電腦前，可采用較為成熟的臉部追蹤算法實現(xiàn)。

（4）步驟4，對步驟3的識別結(jié)果進(jìn)行判定，如果目標(biāo)可持續(xù)追蹤，則判定學(xué)生沒有離開電腦，繼續(xù)執(zhí)行步驟5，否則返回步驟1對學(xué)生重新采集識別。

（5）步驟5，對學(xué)生進(jìn)行專注度監(jiān)測，用于判定學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的專注度。專注度監(jiān)測通過對學(xué)生的眼睛是否注視屏幕進(jìn)行判斷，主要依據(jù)是眼睛的瞳孔位置，如果學(xué)生使用的是內(nèi)置在屏幕上方的攝像頭，則瞳孔應(yīng)正對攝像頭，如果使用外置攝像頭，可通過瞳孔方向變化進(jìn)行判定。此外通過瞳孔監(jiān)測，還可對學(xué)生眨眼頻率和閉眼時間的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（6）步驟6，基于步驟3位置識別監(jiān)測和步驟5的專注度監(jiān)測，對學(xué)生在電腦前的時間、專注時間進(jìn)行累積統(tǒng)計。

（7）步驟7，如已到下課時間，則執(zhí)行步驟8，否則返回步驟3，在上課時間段內(nèi)循環(huán)執(zhí)行步驟3-7。

（8）步驟8，依據(jù)步驟6對學(xué)生在電腦前的時間、專注時間的最終統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對本節(jié)課的學(xué)習(xí)質(zhì)量進(jìn)行評估。

在以上步驟中，步驟1人臉識別、步驟3和步驟5專注度監(jiān)測，已有很多成熟的相關(guān)方法與技術(shù)。人臉識別技術(shù)已在設(shè)備安全管理、公共安全、在線支付等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用;位置識別已在視頻監(jiān)控、手機智能拍照等領(lǐng)域使用;專注度監(jiān)測已在駕駛員疲勞度檢測方面得到應(yīng)用。攝像頭監(jiān)測程序可采用基于OpenCV開源計算機視覺庫進(jìn)行開發(fā)，OpenCV提供了包括Windows、Mac Os等多種操作系統(tǒng)的開發(fā)函數(shù)。OpenCV 提供了FaceRecognizer類，可采用多種識別算法實現(xiàn)識別，在此基礎(chǔ)上。OpenCV 還提供了人臉追蹤face_tracker類，應(yīng)用這個類，可在本應(yīng)用中輕松實現(xiàn)學(xué)生位置監(jiān)測的功能。此外通過OpenCV 提供的CascadeClassifier分類器，可檢測識別人眼并對瞳孔位置進(jìn)行定位。

3 結(jié)束語

本文研究基于行為分析的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)督評估方法，并設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)時的對電腦的狀態(tài)、操作行為等信息數(shù)據(jù)對上課質(zhì)量進(jìn)行評估。本文提出的方法與系統(tǒng)可解決在線教學(xué)時難以對學(xué)生上課質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督和考察的問題，同時可采集與可課程質(zhì)量相關(guān)的學(xué)生關(guān)注度相關(guān)的一手?jǐn)?shù)據(jù)，可為大數(shù)據(jù)分析提供寶貴的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的進(jìn)步與推廣提供支撐。

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