基于视频数据的大学生课堂上课行为研究.pdf

采用数据挖掘方法，基于教室的课堂教学监控录像，分析判断普通高校大学生的学习态度和课堂上的听课注意力分布情况。根据有利于听课程度把教室划分成个分区，通过分析不同分区内学生的落座率，揭示学生们的学习意愿状况。通过分析听课率及上课注意力在课堂上 分钟内的分布情况，得知不同年级的学生在各类课程课堂上的学习状态。基于各分析结果，从教师授课的角度，有针对性地提出强化教学效果的建议。关键词：课堂教学；课堂注意力；监控录像；数据挖掘；落座率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）作者简介：杨忠振（），男，辽宁凌海人，教授，研究方向为物流管理；陈东旭（），女，辽宁鞍山人，讲师，研究方向为航运经济；吴彪（），男，辽宁法库人，教授，研究方向为交通运输。收稿日期：修稿日期：一、引言 年月 日，全国教育大会在北京召开，会议强调，本科教育在人才培养工作中占据基础地位。加快建设高水平本科教育，必须坚持以本为本，全面推进“四个回归”。年月 日在成都召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议强调，要让学生主动地“坐到前排来、把头抬起来、提出问题来”，这充分地说明了大学本科教学的重要性与课堂教学的价值。为提高本科教学质量，教育工作者开展了大量深入细致的本科教学研究，包括分析存在的问题、原因以及提出解决的方法与途径。研究内容涉及本科扩招、就业导向、教师重研轻教、学生手机控与学生迷恋游戏等带来的教学效果劣化的问题以及教材更新升级、教学法改革、教学大纲细化、教学日历强化、加强督导等积极措施。赵文博细化了本科教学中存在的问题，包括教学内容更新不及时、教学纪律涣散、传统教学方法效果不佳、师生沟通不畅、学生评教对教师改进教学的影响力小等。黄仁刚则指出大部分教师可完成教学任务，但不能与学生实现互动学习，而扩招快速增加了学生人数，参差不齐的生源素质增加了教学难度，学生逃课现象严重，出勤率偏低。吴咏诗认为扩招后师资队伍未能相应加强，生均教学条件恶化，而“重研轻教”使得高校把注意力放在学科建设、科学研究和研究生培养等方面，对本科教学工作的精力投入不足。过去的 年里，本科生的培养方案一直在调整完善，课程教学大纲日益精细化，课程日历越来越具体明确，教学管理体系日趋复杂，各种教材、教改层出不穷。但是，本科教学（尤其在普通高校）的质量还是不尽如人意，主要体现在学生基本都不愿意坐在教室前排，课堂纪律意识不强，上课时玩手机、交头接耳、睡觉等行为屡见不鲜。上述教育教学中存在问题的原因是多方面的，有社会大环境造就的学生价值观取向问题，有教学内容与教学方法的问题，当然也有学生自身的问题。因此，想通过改变几个要素或完善某一侧面的条件来解决这些问题是不现实的。为从“教育组织”逐步演变为“学习组织”的观点来考虑高等教育，提升课堂教学质量，本研究把视角聚焦在课堂上的大学生，以普通高校的本科生为例，分析各年级的学生们在不同类别课程的课堂表现，观察和判断上课学生在教师授课过程中注意力的时、空分布特征，找出不同注意力级别的分布规律，解释大学生的各种课堂表现背后的原因，分析大学生上课注意力级别低下的原因，找出提高上课注意力的对策与强化上课注意力的措施。为教师有针对性地进行课堂教学，改变学生不愿意坐在前排、上课时玩手机、交头接耳和睡觉等行为提供理论依据。二、研究方法大数据分析或数据驱动建模是挖掘数据背后复杂规律的有效手段，在教学效果评价方面也多有采用。例如，王小平和李绵信基于大数据评价了以学生为中心的课堂教学效果；高锋等人研究了大数据驱动下的采矿工程新工科精准教学范式。这里我们首先采用挖掘普通高校教学课堂监控录像数据的方法，获取本科生课堂上课表现的特征数据。然后，基于我们作为高校教师的日常认知与问卷调查，分析大学生在各种类别的课堂表现的内在机理及其原因。最后，基于分析结果提出改善课堂教学效果和学生上课质量的方法与建议。基于课堂视频影像数据分析教学效果的研究具有较长的历史，莱赫蒂宁（）曾尝试以课堂录像为素材，组织教师对他人的教学进行案例分析。德国的莱布尼茨数学课堂录像研究基于 个课堂录像，对学生和教师进行调查，对教师进行深度观察。第三次国际数学和科学研究（）增设了数学课堂录像研究的项目，教学差异 详细报告了日本、美国和德国参加的 录像研究的结果。章勤和琼谭莉介绍了分析课堂录像的“六棱镜”框架和有限编码系统，认为前者可让我们更加注意课堂观察或录像分析中容易忽视的视角，而后者可通过量化的方式精准定位课堂教学并明确改进完善的方向。范道波根据课堂录像中物理教师的行为，提出促进教师反思自身教学行为的方法。许峰 让位教龄不同、教育背景不同的大学英语教师单独观看或同别人一起观看本人的课堂教学录像，然后以问卷调查和访谈等方式，了解他们观看录像后对自己教学的反思情况。蔡静和李晋荣 把 名教师分为两组，让其分别在两个教室中同时观看段录像，然后在问卷中填写对该段录像的评论。可以看出基于课堂视频录像研究“教与学”的行为特征已成为教育教学研究的有效方法，只不过已有研究更多地聚焦在教师的身上。值得指出的是，目前普通高校的教室基本上都安装有监控录像系统，教室的视频摄像头可全方位监控教室的状况，后台录制的视频数据可清晰地反映学生们在自然状态下的上课行为。更加重要的是教师和学生都已经习惯了这种视频监控，他们在教室中的教与学的行为完全不会顾忌监控的存在，因此监控录像记录的是教与学双方行为最真实的反映。在上述背景下，我们从一所普通大学收集到了春季学期（各年级下半学年的中间时段）的 小时的课堂教学监控录像。这些录像涉及 个班的 门课程的 名学生，具体的课程、年级和班级数如表所示。图显示了其中的一个镜头，图是网络上公开的录像镜头，可以看出课堂监控录像能准确记录大学生的上课情况。表教学录像数据的属性特征基础课 公选课 专业课年级年级年级录像课时（人）（人）（人）图具有监控功能的课堂风景为精细化分析大学生的上课情况，这里把教室空间划分为个区（空间单元），图显示了两种典型的教室分区情况。然后让 名各年级的学生对各空间单元有利于上课的程度采用 分制进行评价，得到的平均分如表所示。可以看出，个分区的平均分为 分，其中，分区的最高为 分，分区的最低为 分。总体上学生们认为最适合上课的两个空间单元为分区和分区，而最不适合上课的两个空间单元是分区和分区。图两种典型教室的内部空间分区图表各空间单元有利于上课的平均分值分区区区区区区区区区区得分 基于课堂监控录像数据，首先可明确大学生的注意力所在，分析其聚焦教学的注意力随其在教室中的分区、年级、性别、课程性质、课堂时间段的变化而异的情况。然后，可以找出干预大学生、提升其上课注意力、帮助任课教师根据大学生注意力的动态贯彻教学日历的方法。为此，根据自然人对客观事物的关注形态，我们把大学生在课堂上的上课注意力状况划分为三种，即注意听讲型、注意力分散型和课堂睡觉型，其具体表征如图所示。在此基础上，我们采用人工识别的方式观看课堂监控录像，统计各类注意力学生的人数等。图课堂上学生上课注意力的分类三、数据分析（一）上课大学生的空间分布与听课率分析图显示了 名大学生心目中教室内各分区有利于上课的分值以及所有录像资料中他们在上课时在各个分区的实际入座率、听课率。图中的入座率和听课率的计算方法如式（）和式（）所示。分区入座率（分区入座学生人数）（课堂学生出勤人数）（）分区听课率（分区听课学生人数）（分区入座总学生人数）（）由学生在教室入座的空间分布可以看出，在教室前后方的中间的学生最多，而在两端入座的学生数几乎相同，入座于区和区的学生人数都是最少的。可以看出尽管学生们认为教室前部最适合上课，但上课时中间区段的位置更受青睐，而后部空间与前部空间的入座程度相同。说明大多数学生并没有选择入座在自己心目中上课优势大的区域，且有相当一部分学生更愿意选择坐在距离讲台较远的分区内。图各分区上课得分、学生入座率与听课率所有学生在全部课堂上的平均听课率为 ，总体上很低，这也与普通高校的实际情况相符。由图可以看出，入座在区区的学生听课率远高于区区，其中尤以区的听课率最高。说明积极学习的学生愿意选择上课效果好的座位，这些区域在教师的视野和注意力范围内有利于学生保持良好的上课注意力。中间个区的听课率略高于后边的个区，但差别不大，都远远低于前面的个区。这也说明每个教室内积极学习的学生数量就那么多，他们占据了上课效果最好的空间。落座在与上课效果最好的空间相差无几的中间个区的学生和后面个区的学生的学习态度差别不大。其中，前者选择的是普通的大众空间，不易为教师所关注，后者选择的是远离教师的空间，教师难以照顾得到。值得指出的是，尽管学生们认为区最有利于上课，且区的入座率也较高，但入座区的学生上课注意力并不好，甚至低于区，基本上与区持平。另外，基于入座在前部和后部的学生人数基本相同的现象，可以推断每个班级中积极学习与不积极学习的人数基本相等，而处于中间状态的学生占多数。表显示了入座在不同分区的学生听课率的方差，可以看出第一排空间（区区）的方差远大于其他各区，这说明落座于教室前方空间的学生听课注意力的差别较大，可能是因为有些学生是陪同学习意愿高的好友落座在那里，但自己并不是学习意愿高的学生。表不同区内的学生听课率方差空间单元区区区区区区区区区方差 （二）不同年级学生的入座率与听课率的空间分布图显示了至三个年级学生的选择座位偏好的差异，可以看出区和区特别受至年级学生的青睐，至年级学生愿意入座在这两个听课效果好的区的人数都是最多的。其中，年级学生尤其青睐这两个区，年级次之。年级学生相比至年级学生，喜欢的空间比较分散，他们更喜欢区和区。这个现象与常识上各年级学生学习热情的差异基本相同，年级学生由于刚刚渡过高中阶段，对未来的人生规划还不明朗，学习热情一般；年级学生已经懈怠了课堂上课，更注重考研、考公务员等的准备工作，课堂上学习的热情大大减退，而年级学生刚好度过一年多的彷徨期，又面临着未来的多项选择（如保研、考研、选调等），有了大致的人生规划，因此学习热情最高涨，这一点在图中也显示得十分明显。图各年级学生在个分区的入座情况从图可以看出在所有分区里，年级学生的听课注意力都远高于其他年级的学生（除区略低于年级学生外）。同时从图我们也看到，年级学生的听课注意力远低于至年级的学生，除入座在区的年级学生的听课率高于年级之外，入座于其他区的年级学生的听课率都低于至年级的学生。这也说明尽管年级学生有学习的欲望（由选座位的行为来看），但其学习热情并不稳定，学习习惯尚未完全养成。图各年级学生在各分区的听课率情况另外，从图也可以看出年级学生入座在区区的比例大，如，有 的年级学生入座在区、的入座在区。年级学生的听课注意力很低，分别只有 和（图），远低于入座于教室前方区区的同学。另外，由于入座在区、区的年级的学生听课率也不高，分别为 和。整体上，至三个年级学生课堂的平均听课率分别为 、和 ，可以看到年级学生的听课率远远高于年级和年级。值得注意的是，年级学生的听课率普遍偏低。如图所示，几乎落座在所有区域的年级学生的听课率都低于年级学生，与年级学生的差距就更大。我们认为，这是由于年级学生刚刚度过怠倦期（录像是年级第学期的中间时段的资料），有学习的愿望和热情，但愿望和热情还不足够强，而学习的动机和目的还不甚明确。他们距离下一个人生节点即大学毕业还有较长的时间，紧迫感不强，因此把学习的愿望和热情转化成学习的动力和行动不足。从课堂录像可以发现，这种不足具体体现在很多年级的学生选择入座在上课效果好的区域（区、区），但上课时没有把选择座位时的学习热情保持到课堂的听课行动中。由图还可以看到年级学生的听课注意力非常好，入座在区、区的年级学生是认真听讲的，入座在区、区的年级学生注意听讲的比例也在 以上。年级学生即使入座在区，也有 的人是认真听讲的，入座在区的年级学生的听讲率最低，为 左右。这种情况也与现实中年级学生学习热情最高的事实相一致。年级下半年正是他们完全度过了倦怠期，处于满怀理想发奋努力的期间，学习愿望和热情已经完全转化为学习的动力。与年级学生相比，年级学生学习的目的性比较宽泛。年级下半年的学生大部分都非常明确地以备考为学习目的，而年级下半年学生的学习目的旨在提升自身能力，以应对日后的不时之需。（三）各种课程课堂上学生的入座率与听课率的空间分布为明确学生们对不同类别课程的学习态度和状况，按基础课（有小时录像）、公选课（有小时录像）和专业课（有 小时录像），统计分析学生的入座空间情况与听课率情况（图、图）。可以看出在公选课课堂，区区的入座率极低，其中区的入座率只有。大部分上公选课的学生选择入座在后面的区域，区区的入座率高达 以上。这说明学生们对公选课感兴趣的程度较低，也就是说他们认为这种全校学生都可以选的课程更多是为了凑足学分，而对课程在其未来的能力建设中的重要性认识不足。与此相反，学生在基础课教室的入座比较均衡，最高为区，入座率为，最低的区的入座率也达到了。这可能是因为基础课课堂的学生人数较多（因为多个班一起上某一门基础课），教室的座位数和学生人数相当，因此学生们的选择性不大，基本上按照先到先选的原则落座。专业课教室的入座率基本呈中间高、前后两端低的状态，但教室后部的入座率高于前部，从入座的状态难以看出学生的学习态度。图不同类型课程学生在各分区入座的占比由图可以看出，基础课、公选课和专业课课堂上学生的听课率在空间上都呈前高后低的分布形态，其中，入座在区、区学生的听课率是最高的，入座在区、区学生的听课率最低。三类课程的平均听课率为基础课 、专业课 、公选课 。可以说，总体上听课率都不高，听课率最高的专业课也只有的学生认真听课。教师们认为最重要的基础课的听课率只有 ，是最低的。这既说明基础课的任课教师需要加大课堂上的监督力度，也说明年级学生的学习动力不足，同时也说明其学习具有功利性，相比专业课，他们认为基础课距离实用远，可听可不听。图入座在各分区的学生在各种类型课程中的听课率（四）各类课程中学生上课注意力的时间分布为帮助任课教师明确 分钟课堂授课期间学生上课注意力随时间的变化情况，我们统计了 节课的每节课的 分钟内学生的听课率情况（见图）。在三类课程的课堂上，分钟之间的听课率平均值分别为公选课 、基础课 、专业课 。由图可以看出，专业课课堂上学生的听课率波动最小，分钟内听课率的方差为 ，而公选课的波动最大，学生的上课率下降得更快，方差为 。基础课的前 分钟，学生的听课率较高且波动较小，但后 分钟听课率开始走低且波动很大。图不同类别课程 分钟课堂上学生的上课注意力的分布特征四、强化教学效果的措施建议（一）开展有针对性关怀的课堂教学课堂教学是教育教学的主阵地，不但是知识学习的场所，也是体现教师智慧的场所。一堂效果好的课怎么才算有意义呢？初步的意义是学生们能学到新知识；再进一步的意义是锻炼学生们的能力，使他们产生更进一步学习的愿望。因此，教师应该根据学生的个性和差异性给予有针对性的关怀，根据学生的实际情况有针对性地实施个别关照和具体指导。在尊重学生个性差异的基础上，为每个学生提供充分的学习机会，以调动每一位学生的学习积极性，使每个学生都能获得有利于自身发展或潜能实现的教学 。上述分析显示，尽管教室内的区是学生们认为最适合上课的空间单元之一，且区的学生实际入座率也较高，但入座区的学生的上课注意力并不好，因此任课教师需要在授课期间特别关注区，从而保证愿意入座在区的学生的学习效果。基于各年级学生的入座率与听课率的空间分布分析，我们建议任课教师、辅导员和班主任应该针对年级学生强化学习的重要性和必要性的熏陶，加速和稳定其在度过高中期后重新燃起的学习热情。教师在上课时可适度掺入学业、学力在未来可期的要点介绍，旨在增加年级学生的兴趣点，强化其尚不稳定的学习热情，促进其学习热情向学习行动的转变，帮助他们迅速完成从“我要学”到“我在学”的过渡。针对年级的课堂教学，任课教师可适当增加课程的覆盖面、知识点、学习难度和强度，充分满足他们强烈的求知欲。针对年级学生，任课教师要首先鼓励和促使年级学生尽可能入座在教室前方（如区区）。同时整体关注课堂上年级学生的听课状态，经常实施提升听课率的措施。如有针对性地提问、介绍考研与研究生学习的基本要求、强调注意听讲对未来工作中吸取和掌握上司或合作伙伴意图的重要性等。（二）开展问题导向的课堂教学有效的课堂提问是连接教师、学生与书本的桥梁，可激发学生的学习兴趣和学习欲望。教师要懂得设置问题的策略，把握提问的火候，在课堂上，学生提问不仅是其学习主体地位的应然表现，也是深化认知层次、自主调节学习的自然结果。然而，观察发现课堂上学生向教师提问很少，师生提问比高达 ，师问生答的问答模式大行其道，学生始终处于被动响应的地位。因此，教师要改变“师生主客体论”的传统教学观念，建立师生互动的课堂氛围。从各类课程中学生的入座率与听课率的空间分布及上课注意力的时间分布，我们发现相比专业课，基础课和公选课的任课教师更需要加大课堂上的监督力度。根据课堂上学生听课率随时间的变化情况分析，建议各类课程任课教师需要格外关注的时间节点如下：基础课在第 分钟和第 分钟前后，专业课在后半程（尤其是第 分钟之后），公选课在开讲分钟后。在这些时间节点，教师可通过知识体系、重点、难点问题的设计以及启发学生提问，唤起学生的课堂热情，使学生愿意主动参与到课堂教学中，激发学生的潜能，以取得良好的学习效果。问题设计要尽可能密切结合学科发展前沿与趋势，最大程度实施教学科研深度融合。问题设计要充分考虑学生已有知识基础，能够引起学生兴趣，与现实生活及经济社会发展相契合，使学生能够学以致用。也可通过分组学习的手段改换教学模式，从而提高学生的上课注意力。五、结论与展望基于教室监控录像数据挖掘，揭示了普通高校的大学生上课时的座位选择特征、上课注意力的分布特征，并根据高校教师日常观察认识到的学生们的学习价值观，分析了隐藏在各种上课行为之后的原因，同时结合不同年级学生在不同类别课程的课堂上的座位选择和上课注意力集中情况，针对任课教师和学生管理工作者，提出了改善课堂教与学质量的建议与措施。受技术能力的制约，我们采用了人工观察和记录信息的方式，实施了课堂监控录像的数据挖掘，其优点是基于任课教师的主观判断捕捉的信息准确、一致性好，且不需要专业的信息处理技术。但是，这种方法的缺点也十分明显，首先，需要耗费大量的人力来观察录像数据，使得很难进行更大规模的录像数据的挖掘；其次，分组观察数据的时候，不同的观测者对数据判断的尺度会有差异。今后，教学人员可以联合 技术人员开发 识别技术，实现课堂教学监控录像的自动识别，从而开展更大规模的课堂录像数据挖掘研究。参考文献：赵文博普通高等学校课堂教学现状及效果提升探析文科爱好者（教育教学），（）：，黄仁刚高校课堂教学现状、问题和对策研究中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），（）：吴咏诗高等学校本科教学面临的挑战与改革高等教育研究，（）：王超，任婉秋当前我国高校大班额教学存在的问题及对策研究教育与考试，（）：王小平，李绵信大数据背景下“以学生为中心”的课堂教学评价宜春学院学报，（）：高锋，蔡永乐，邵静静大数据驱动下采矿工程新工科精准教学范式高教学刊，（）：，（）：，：章勤，琼谭莉课堂录像促进教师专业研修：框架、应用及反思全球教育展望，（）：范道波基于课堂录像的物理教师教学行为分析研究数理化解题研究，（）：许峰课堂录像在大学英语教师反思性教学中的应用研究郑州航空工业管理学院学报（社会科学版），（）：蔡静，李晋荣基于课堂录像的教学反思：透视教学录像在教师培训中的应用广东外语外贸大学学报，（）：刘济良，乔运超走向生命化的课堂教学课程教材教法，（）：叶澜什么样的课算一堂好课福建论坛（社科教育版），（）：刘要悟，邹慧明适合学生的教学：要义、理念和面临的困境当代教育与文化，（）：邹慧明控制导向的课堂教学及其超越：走向“学习机会公平”中国教育学刊，（）：郑文献，张一帆提高课堂提问的功效中国教育学刊，（）：黄伟教学对话中的师生话语权：来自课堂的观察研究教育研究与实验，（）：焦德宇，郑东辉学生课堂提问困境的新制度主义分析全球教育展望，（）：薛继东“问题导向”的大学课堂教学山西财经大学学报，（）：赖绍聪有效构建以问题为导向的课堂教学范式中国大学教育，（）：基金项目：宁波大学国家级一流本科专业建设项目“物流管理”（）。（责任编辑：吕建萍）