課堂評價是改進教學(xué)質量的(de)關鍵技術，主要包括課堂教學(xué)信息采集與和(hé)信息處理(lǐ)這兩個部分。一(yī)般而言，結構化的(de)教學(xué)信息可(kě)以進行自(zì)動化的(de)信息處理(lǐ)，如(rú)弗蘭德斯互動分析系統（Flanders Interaction Analysis System，FIAS）生成的(de)師生互動1～10的(de)行為(wèi)編碼和(hé)調查問卷生成的(de)等級打分；而非結構化的(de)教學(xué)信息則難以進行自(zì)動化的(de)信息處理(lǐ)，如(rú)人種志、課堂觀察報告等文本材料。為(wèi)了生成能夠進行自(zì)動處理(lǐ)的(de)課堂信息，目前主流的(de)方法是采用課堂測試生成測試分數、調查問卷生成等級分數、符号化的(de)課堂觀察、課堂教學(xué)場景的(de)編碼等人工生成方法，但這些方法具有人工參與程度高(gāo)、人工費用高(gāo)、客觀性難以保障等缺陷，難以實施常态化、規模化、自(zì)動化的(de)教學(xué)信息采集。

近年(nián)來，由于信息技術、特别是以深度學(xué)習為(wèi)基礎的(de)人工智能技術的(de)快速發展，研究者将計算機技術引入課堂評價中，嘗試進行教學(xué)信息的(de)自(zì)動化采集，包括：①采用電子(zǐ)白闆、電子(zǐ)書包、錄播教室等教育設備來記錄一(yī)些過程性的(de)教學(xué)信息；②采用刷卡、刷指紋、刷臉等信息設備進行課堂自(zì)動考勤；③采用姿态識别技術對學(xué)生的(de)聽課姿态進行采集與評價；④采用表情識别技術對學(xué)生的(de)學(xué)習表情進行采集與評價；⑤采用語音情感識别技術對教師的(de)授課情感進行采集與評價；⑥采用電子(zǐ)投票(piào)器Clicker或手持智能設備采集學(xué)生的(de)問題回答信息等。到目前為(wèi)止，這些方法都是采用單一(yī)的(de)信息技術或教育設備對單一(yī)指标的(de)課堂教學(xué)信息進行自(zì)動采集與評價，從應用情況來看，這些課堂教學(xué)信息自(zì)動采集技術還都停留在研究階段，尚還未呈現出大規模應用之勢。

從課堂教學(xué)信息自(zì)動采集到自(zì)動處理(lǐ)，目前國內(nèi)外鮮有關于課堂教學(xué)自(zì)動評價理(lǐ)論的(de)研究成果。因此，本研究綜合弗蘭德斯互動分析系統所得的(de)定量數據易于自(zì)動分析、LICC（Learning, Instruction, Curriculum, Culture）課堂觀察可(kě)以對課堂教學(xué)進行整體評價的(de)優點，利用人臉識别、表情識别、注意力分析、姿态識别、文本情感識别、情感計算、深度學(xué)習等信息技術對課堂評價自(zì)動化進行的(de)系統研究，提出了課堂教學(xué)自(zì)動評價理(lǐ)論，并給出了其在課堂評價領域的(de)初步研究成果。文章(zhāng)主要進行了如(rú)下研究工作：

①從信息技術角度對目前課堂評價研究進行總結與反思，得出現有課堂評價方法難于滿足常态化、規模化課堂評價需求的(de)結論；基于人工智能、情感技術等最新的(de)信息技術，首次給出了課堂教學(xué)自(zì)動評價的(de)定義，即“課堂教學(xué)自(zì)動評價是一(yī)個全新的(de)教育研究方向，既是一(yī)項對課堂教學(xué)衆多評價指标進行量化建模、自(zì)動分析與評價、服務于課堂評價實踐的(de)計算機應用技術，也是一(yī)項改進課堂教學(xué)效果的(de)教育技術”；同時，構建了關于課堂教學(xué)自(zì)動評價的(de)一(yī)套完整、系統的(de)理(lǐ)論架構，為(wèi)課堂教學(xué)自(zì)動評價研究奠定了理(lǐ)論基礎。

②為(wèi)了滿足廣大任課教師與課堂評價人員對實用課堂評價工具的(de)需求，本研究提出了一(yī)種基于師生對話文本的(de)課堂教學(xué)自(zì)動分析與評價方法，其先從課堂教學(xué)視(shì)頻獲取師生對話文本，再基于師生互動對課堂教學(xué)場景進行分類，然後使用文本處理(lǐ)技術，将連續的(de)課堂教學(xué)過程自(zì)動離(lí)散為(wèi)一(yī)個課堂教學(xué)場景時序序列，實現對課堂教學(xué)過程的(de)可(kě)視(shì)化分析與評價^[1]。

③使用深度學(xué)習技術對教室內(nèi)的(de)所有學(xué)生進行人臉識别與姿态識别，對課堂教學(xué)過程進行多時間點的(de)自(zì)動考勤，考勤指标包括：曠課、遲到、早退、随意進出教室、不認真聽講，實現對課堂教學(xué)的(de)全員、全過程、全自(zì)動、多指标的(de)實時考勤^[2]。

④對于課堂教學(xué)過程離(lí)散出來的(de)教學(xué)場景時序序列，使用不同的(de)信息技術對一(yī)個個具體的(de)教學(xué)場景進行準靜态分析，主要對學(xué)生的(de)聽課姿态、注意力、表情、學(xué)習情感等參數進行自(zì)動分析與評價^[3][4][5]。

1 定量與定性課堂評價的(de)優缺點分析

定量課堂評價指通過課堂測驗、師生互動編碼、問卷（評價量表）等手段對評價數據進行自(zì)動分析與評價。目前，對課堂教學(xué)進行定量評價的(de)途徑主要有四個：①使用課堂測驗來獲取學(xué)生對知識吸收情況的(de)定量數據；②使用問卷來獲取學(xué)生對課堂教學(xué)評價的(de)定量數據；③使用與FIAS相類似的(de)技術來獲取每3秒一(yī)個編碼的(de)師生互動行為(wèi)分析數據；④課堂觀察人員使用符号獲取某些教學(xué)指标的(de)定量數據。定量課堂評價的(de)缺點在于取得定量數據的(de)工作量比較大，但具有使用定量數據進行自(zì)動評價的(de)優勢。受技術的(de)限制，目前定量課堂評價的(de)應用範圍比較小。

與定量課堂評價相比，定性課堂評價通過課堂觀察和(hé)課後座談的(de)形式，可(kě)以直觀地(dì)對課堂教學(xué)進行評價，評價人員可(kě)以根據經驗與需求、直接對課堂教學(xué)效果進行評價，限制因素比較少，所以目前課堂評價大多采用定性課堂評價。但從發展的(de)眼光來看，定性課堂評價也有全人工評價造成的(de)評價費用高(gāo)、難以進行持久的(de)大規模評價、用人進行評價難以避免主觀性評價所造成的(de)不客觀等缺陷。因此，為(wèi)了對課堂教學(xué)進行大規模持久的(de)監測與評價，獲取客觀的(de)教育大數據，實現大地(dì)域、多樣本、全過程的(de)課堂評價，發展課堂教學(xué)定量評價技術勢在必行。

2 專業人士對現有課堂觀察與課堂評價的(de)反思

相比于傳統的(de)範式評價，基于課堂觀察的(de)課堂評價更有助于了解課堂的(de)真實性。以課堂觀察作為(wèi)主要手段的(de)課堂評價研究與實踐也存在一(yī)些無法回避的(de)局限性，王陸等^[6]從教師、校長(cháng)、旁觀者、研究者及其自(zì)身對于課堂觀察進行了諸多反思。綜合起來，現有的(de)課堂觀察與課堂評價主要存在如(rú)下局限性：

（1）碎片化。從某種程度上講，課堂觀察是對課堂的(de)精細化解構，一(yī)節課被量表、指标分解得支離(lí)破碎，各個觀察的(de)視(shì)點不一(yī)定是一(yī)節課最為(wèi)有力的(de)切入點。我們常常會看到各觀察者（組）相互獨立的(de)觀察數據，而它們之間的(de)聯系和(hé)意義的(de)建設對于隻關注自(zì)己這部分的(de)觀察者來說是很難輕易把握的(de)，因此教師會擔心：“這樣的(de)觀察是否丢失了整體性？”

（2）貴族化與運動化。“貴族化傾向”是指在一(yī)些學(xué)校，課堂觀察成為(wèi)個别精英教師的(de)專利，變成僅供人觀賞的(de)“盆景”，而大多數教師成為(wèi)學(xué)校課堂觀察的(de)旁觀者和(hé)邊緣者。一(yī)些學(xué)校的(de)領導和(hé)教師在潛意識中認為(wèi)搞課堂觀察煩瑣，會浪費時間，存在嚴重的(de)畏難情緒，隻在遇到檢查或參觀時才倉促應戰，而在日常的(de)聽課、評課活動中排斥這種方法，使課堂觀察變成搞“運動”。

（3）形式化與模式化。一(yī)些地(dì)方的(de)課堂觀察活動搞一(yī)刀切，不管學(xué)校的(de)學(xué)情和(hé)教師的(de)教情，完全照搬他人的(de)模式。而事實上，由于背景、文化、基礎等存在差異，課堂觀察的(de)方式、方法也要因人而異，應該引導教師選擇合乎實際的(de)手段和(hé)具體方式。學(xué)校應指導教師百花齊放、不拘一(yī)格，并鼓勵教師開拓創新，真正在有效性上下功夫。

（4）功能化。觀察者隻觀察限定的(de)維度、限定的(de)問題，觀察分工有知覺功能上的(de)“分裂主義”味道(dào)。科學(xué)主義的(de)聽評課會帶來這樣的(de)結果：①感受缺失。課堂觀察如(rú)果缺少了感受，就不會産生審美愉悅，從而會蛻變為(wèi)一(yī)種教學(xué)負擔，也就不具有長(cháng)久的(de)生命力。②靈性被束縛。當教師了解觀察者的(de)觀察意圖後，可(kě)能會将觀察意圖轉換為(wèi)一(yī)種教學(xué)訴求。太細化的(de)教學(xué)聽評課會限制教學(xué)主體性的(de)發揮，從而束縛教學(xué)的(de)靈性。③視(shì)點散化。長(cháng)期的(de)規範訓練會使教師頭腦中隻有量表，而丢失了自(zì)我。

（5）背景割裂化。課堂研究可(kě)以在一(yī)定程度上說明課堂的(de)問題，卻難以說明影響課堂的(de)社會因素問題。在教師的(de)教學(xué)水平達到一(yī)定的(de)程度、具備基本的(de)教學(xué)條件後，教師水平、技巧和(hé)課堂中物質條件等因素并不構成教學(xué)質量問題的(de)關鍵，課堂之外社會的(de)、家庭的(de)、環境的(de)因素才是深層次發生影響的(de)重要因素。以課堂觀察為(wèi)主要技術的(de)課堂研究，對于教師提高(gāo)課堂技藝，以及學(xué)生改善課堂行為(wèi)确實有效，但教育質量的(de)整體提高(gāo)僅通過這種局部的(de)、微觀的(de)研究是難以徹底達成的(de)。

3 課堂評價與課堂觀察的(de)改進方向

為(wèi)滿足基礎教育質量監測的(de)需求，本研究通過與北師大教育評價、心理(lǐ)、教育技術領域專家的(de)互動，結合筆(bǐ)者在課堂教學(xué)自(zì)動評價研究的(de)心得，針對現有課堂觀察方式的(de)不足之處，就未來基于課堂觀察的(de)課堂評價提出了如(rú)下改進建議：①無擾觀察。課堂觀察不應該給教學(xué)過程帶來任何幹擾，以保持課堂教學(xué)的(de)原生态，得出真實的(de)課堂觀察和(hé)課堂評價結果。因此，應該使用攝像頭代替教師進行課堂觀察，基于課堂教學(xué)視(shì)頻進行課堂觀察與課堂評價。②公平評價。要盡可(kě)能使用計算機進行課堂評價，或參與評價的(de)人員數量盡可(kě)能多，以保證評價結果盡可(kě)能公平。③量化評價指标。為(wèi)了便于進行後續的(de)計算機自(zì)動分析與評價，課堂觀察與評價要盡量采用量化指标進行評價，即使對于評價人員給出的(de)評價文本，也要采用文本分析技術進行評價指标量化處理(lǐ)。④主客觀協同評價。受限于信息技術發展的(de)水平，無法對所有的(de)課堂觀察指标進行客觀評價，還需要評價人員對一(yī)些計算機無法評價的(de)指标進行主觀評價，最後進行主客觀協同評價，以擴大評價範圍。⑤評價結果成體系綜合化。對于主客觀協同評價得出的(de)數據要進行計算機自(zì)動分析與處理(lǐ)，輸出成體系綜合化的(de)評價結果，消除現有課堂評價常常出現的(de)碎片化問題，便于教育用戶使用。⑥課堂評價過程的(de)自(zì)動化。為(wèi)了降低(dī)評價人員的(de)勞動強度，滿足大規模課堂評價需求，必須盡可(kě)能地(dì)使課堂評價自(zì)動化，降低(dī)課堂評價的(de)人力費用。⑦提高(gāo)課堂評價系統的(de)易用性。為(wèi)了擴大課堂評價的(de)應用範圍，課堂評價系統要提高(gāo)易用性，易于上手、易于熟悉，盡量使具有本科水平的(de)教師能夠直接使用課堂評價系統對自(zì)己的(de)課堂進行評價。

課堂教學(xué)自(zì)動評價的(de)定義是：一(yī)個全新的(de)教育研究方向，既是一(yī)項對課堂教學(xué)衆多評價指标進行量化建模、自(zì)動分析與評價、服務于課堂評價實踐的(de)計算機應用技術，也是一(yī)項改進課堂教學(xué)效果的(de)教育技術。作為(wèi)主要由計算機與教育進行交叉的(de)科研方向，課堂教學(xué)自(zì)動評價需要具有足夠的(de)靈活性，以滿足不同課堂教學(xué)類型的(de)評價需求。為(wèi)此，本研究設計了如(rú)圖1所示的(de)課堂教學(xué)自(zì)動評價流程，其目的(de)是使用計算技術，盡量将教育評價專業人員從繁瑣重複的(de)規範性評價工作中解放出來，使他們将精力投向計算機技術難于處理(lǐ)的(de)評價工作中。

如(rú)圖1所示，為(wèi)了盡量減少教育評價專業人士的(de)工作量，課堂教學(xué)自(zì)動評價理(lǐ)論将傳統的(de)教師先随班觀察、後給出結論的(de)課堂評價過程進行了深度細化，劃分為(wèi)采集課堂教學(xué)高(gāo)清視(shì)頻、基于視(shì)頻生成師生對話文本、基于對話文本将課堂教學(xué)過程解構為(wèi)教學(xué)場景時間序列、精确标注課堂教學(xué)場景、對課堂教學(xué)自(zì)動地(dì)進行簡單評價、教學(xué)場景準靜态分析、采集家長(cháng)與專業人士的(de)主觀評價、課堂教學(xué)綜合評價、輸出評價結果、生成評價報告等共10步評價操作，以便于使用視(shì)頻采集、語音輸入、文本編碼、文本與視(shì)頻分析、數據分析、模式識别、信息融合等計算機技術對課堂教學(xué)進行自(zì)動分析與自(zì)動評價。需要教育評價專業人員參與的(de)工作被壓縮到：課堂教學(xué)場景标注的(de)手動更正、基于視(shì)頻的(de)主觀評價（可(kě)以省略）、撰寫評價報告這三步操作。因此，課堂教學(xué)自(zì)動評價可(kě)以減少評價人員的(de)工作量、豐富評價指标、擴大課堂評價範圍。

圖1  課堂教學(xué)自(zì)動評價的(de)框架與工作流程

從課堂教學(xué)視(shì)頻中可(kě)以獲得師生對話文本，包括每一(yī)句話的(de)順序、內(nèi)容、起始時刻、結束時刻。為(wèi)了使用對話句進行基于句子(zǐ)的(de)教學(xué)場景自(zì)動編碼（Sentence-based Automatic Coding，SAC），本研究基于師生互動行為(wèi)對課堂教學(xué)行為(wèi)進行了分類，共分為(wèi)9個一(yī)級行為(wèi)和(hé)33個二級行為(wèi)。使用文本編譯技術可(kě)以對師生對話文本進行編譯，獲得SAC自(zì)動編碼。基于師生對話文本和(hé)教學(xué)場景編碼，可(kě)以對課堂教學(xué)過程進行全過程、全自(zì)動的(de)可(kě)視(shì)化分析與評價。如(rú)圖2所示，将連續的(de)課堂教學(xué)過程離(lí)散為(wèi)教學(xué)場景時序序列以後，就可(kě)以基于一(yī)節課的(de)課堂教學(xué)場景編碼結果，不僅能夠對一(yī)級教學(xué)行為(wèi)分布進行可(kě)視(shì)化分析，還能夠對一(yī)級教學(xué)行為(wèi)內(nèi)的(de)二級教學(xué)行為(wèi)進行可(kě)視(shì)化分析，進而對課堂教學(xué)進行直觀的(de)評價，評價結果不依賴評價人員的(de)好惡，因此客觀性比較好。

（A）一(yī)級行為(wèi)可(kě)視(shì)化分布

（B）二級行為(wèi)可(kě)視(shì)化分布

圖2  基于課堂教學(xué)場景的(de)可(kě)視(shì)化自(zì)動評價

1 基于深度學(xué)習的(de)課堂教學(xué)自(zì)動考勤^[8]

課堂考勤作為(wèi)課堂教學(xué)日常評價的(de)重要基礎環節，對課堂教學(xué)質量有着重要的(de)作用。使用深度學(xué)習技術對課堂教學(xué)高(gāo)清視(shì)頻中的(de)全部學(xué)生進行自(zì)動人臉檢測與識别，實現課堂教學(xué)的(de)全程無擾全自(zì)動考勤，不僅可(kě)以對曠課、遲到、早退、随意出入教室這4項常規考勤指标進行監測，而且可(kě)以對學(xué)生的(de)不認真聽講情況進行監測。如(rú)圖3所示，本研究使用基于深度學(xué)習技術的(de)人臉識别軟件SeeTaFace[9]，可(kě)以獲得滿意的(de)人臉識别效果。

圖3    SeeTaFace人臉識别效果

2 基于學(xué)生學(xué)習注意力分析的(de)課堂教學(xué)自(zì)動評價^[10][11]

在教室前後牆的(de)中間位置進行吸頂安裝兩隻攝像頭。如(rú)圖4（A）所示，前攝像頭的(de)視(shì)頻用于識别學(xué)生人臉、檢測臉部特征點、計算出學(xué)生的(de)空間位置/頭部姿态/面部法線的(de)指向。如(rú)圖4（B）所示，後攝像頭的(de)視(shì)頻用于将學(xué)生面部法線投射到視(shì)場中，進行注意力的(de)可(kě)視(shì)化表示，黑闆前進行闆書的(de)教師脖子(zǐ)旁處的(de)圓點就是教室中聽課學(xué)生的(de)視(shì)線投射點。

（A）前攝像頭的(de)視(shì)場

（B）後攝像頭的(de)視(shì)場

圖4  基于前後攝像頭的(de)學(xué)習注意力分析系統

根據學(xué)生聽課的(de)注意力分析結果，可(kě)以對學(xué)生的(de)學(xué)習狀态粗略地(dì)進行分類。如(rú)圖5（A）所示，當學(xué)生注意力聚焦于授課教師時，說明學(xué)生學(xué)習處于專注狀态。如(rú)圖5（B）所示，當學(xué)生注意力遊離(lí)于黑闆外邊時，說明學(xué)生學(xué)習處于漠視(shì)狀态。此外，當學(xué)生注意力沒有聚焦于教師、但還看着黑闆時，則說明學(xué)生學(xué)習不夠專注，但處于關注狀态，即還保持對授課內(nèi)容的(de)關注。

（A）專注：視(shì)線聚焦于教師

（B）漠視(shì)：視(shì)線遊離(lí)出黑闆右側

    圖5  基于前後攝像頭的(de)學(xué)習注意力分析系統

3 基于學(xué)生學(xué)習表情分析的(de)課堂教學(xué)自(zì)動評價^[12]

通過收集并分析一(yī)線教師和(hé)教育研究人員關于學(xué)生聽課表情的(de)相關論述，同時通過觀看教學(xué)視(shì)頻對真實課堂教學(xué)所做(zuò)的(de)大量觀察，本研究首先将學(xué)習表情粗分為(wèi)愉悅（Joy）、驚訝（Sur）、專注（Foc）、困惑（Con）、走神（Dis）等5類，然後自(zì)建了一(yī)個專用于課堂教學(xué)自(zì)動評價的(de)學(xué)習表情數據庫，最後開發了一(yī)個基于學(xué)習表情識别的(de)課堂教學(xué)自(zì)動評價系統。

如(rú)圖6所示，本研究對一(yī)堂課前15分鍾視(shì)頻中的(de)一(yī)個學(xué)生進行表情識别，表情分析結果表明：課堂教學(xué)剛開始的(de)4～5分鍾，由于精神集中，對于教師所導入的(de)教學(xué)材料，該生呈現了較好的(de)學(xué)習表情，表情主要為(wèi)愉悅和(hé)專注；随着教師講授新知識點，該生出現了較多的(de)困惑、走神表情，說明該生在理(lǐ)解上出現了困難；在後5分鍾，教師對新知識點進行鞏固教學(xué)，該生的(de)困惑/走神表情減少，出現了較多的(de)專注/驚訝/愉悅表情，說明該生吸收、掌握了這個知識點。因此，學(xué)習表情分析可(kě)以對學(xué)生的(de)聽課效果進行評價，即使用表情識别技術可(kě)以對課堂教學(xué)過程中的(de)學(xué)生聽課效果進行自(zì)動評價。

圖6  課堂教學(xué)前15分鍾的(de)一(yī)名學(xué)生的(de)表情分析結果

本研究首先系統地(dì)介紹了課堂教學(xué)自(zì)動評價理(lǐ)論，接着依次介紹了在基于師生對話文本的(de)課堂自(zì)動評價和(hé)基于計算機視(shì)覺技術的(de)課堂教學(xué)自(zì)動評價（包括自(zì)動考勤、學(xué)習注意力分析和(hé)學(xué)習表情分析）、課堂教學(xué)自(zì)動考勤、學(xué)生學(xué)習注意力/學(xué)習表情/學(xué)習情感分析技術等方面取得的(de)初步研究成果。本研究認為(wèi)課堂教學(xué)自(zì)動評價是一(yī)項非常有前景的(de)課堂評價技術,能夠對課堂教學(xué)進行常态化、規模化課堂評價，但課堂教學(xué)自(zì)動評價應該結合課堂教學(xué)的(de)實際需求開展研究，以切實改善課堂教學(xué)質量為(wèi)主要突破方向，避免單純追求技術進步的(de)教具式改進研究，同時也要适度考慮師生的(de)個人隐私保護問題。