一种基于AI的信息化教学平台研究
李宝兴，刘军
（武警工程大学信息工程学院，陕西 西安）
摘 要： 紧跟信息时代步伐，利用当前人工智能（AI）与大数据技术推动教学科研管理变革，促进教学发展是教育科研管理研究与实践的任务和使命。针对军校教学管理机关、学员队干部、任课教员无法及时掌握学员学习情况，准确评价教学效果，对学员学习情况缺少科学分析，教育管理者、任课教员、学员三者互动渠道不畅中存在的诸多问题，引入了一种基于AI的信息化教学平台，实现了课堂教学与人工智能的紧密结合，通过对课堂教学过程的智能化分析、有效评估及反馈来提高教员专业技能，提升学员学习主动性，提高军校教学管理质量水平。
关键词： AI；信息化教学；课堂教学；教学管理
教育信息化的核心理念，是信息技术与教育教学实践的深度融合[1]。当前信息技术发展日新月异，大数据、云计算、人工智能（AI）等正深刻改变着我们的日常生活，在教育方面更是发展迅猛[2][3][4]。紧跟信息时代步伐，利用当前人工智能与大数据技术推动教学科研管理变革，提升教学管理效能，促进教学高质量发展是教育科研管理研究与实践的任务和使命。
2.“产业结构优、发展后劲强”。公司在调整产业布局、优化产业结构上虽然做了大量扎实有效的工作，但距公司科学发展的实际要求还有很大差距。要对标分析国际一流石油技术服务公司的发展模式，打造“长板”补上“短板”，率先在仪器工具、化工产品研发制造上提速提质，抓紧建立完善集研发、制造、服务于一体的结构合理、满足市场的产业体系。
军校教学管理具有一定的特殊性，军事体能训练与文化专业课学习通常穿插进行，如何准确评估军事院校课堂教学质量，提升军校的教学管理水平具有重大的现实意义[5]。针对军校教学管理机关、学员队干部、任课教员无法高效掌握学员课堂的学习状况，准确评价课堂教学效果，对学员学习情况缺少科学分析，教育管理者、任课教员、学员三者互动渠道不够畅通等问题，引入了一种基于AI的信息化教学平台，实现了课堂教学与人工智能技术的紧密结合，通过对课堂教学过程的智能化分析、有效评估及精准反馈来提高教员的教学技能，提升学员学习的主动性，提高教学的管理效率，从而达到教学水平整体提升。
一 基于AI的信息化教学平台的体系架构
基于AI的信息化教学平台将人工智能技术引入课堂教学，实现了课堂实时教学与人工智能技术的紧密结合，促进教学活动移动化、智能化，真正打造一个处处可教、时时可学的新型教学模式。通过人工智能与大数据技术紧密结合，实时抓取与高效分析课堂中教员和学员的教学行为数据，即时为教学管理者、教员、学员提供科学的行为分析报告，使得信息化智能化教学不再仅停留在表面，而是真正落到了实处，促进教学向处处可教、时时可学的模式转变，助力教员、学员有效发展与成长。
基于AI的信息化教学平台设计思路概述为：借助多媒体教室教学录播系统对课堂教学活动进行全程实时录制，利用大数据分析技术提取教学场景中教员授课行为与学员听课等课堂行为产生的非结构化行为数据，然后借助AI算法对提取的非结构化数据进行有效的分析和提炼，最后利用数据可视化技术根据不同人员的需要，将数据分析结果展现给教学管理机关、任课教员及学员队干部，来辅助教学管理和提升教学质量。根据这一设计思路，可以得出如图1所示的系统平台体系架构图。
图1 基于AI的信息化教学平台体系架构
系统平台内置训练模型，包括学员数据训练模型与教员数据训练模型，可快速建立教员与学员的样本识别库，以便系统自动识别教员与学员对象，进行数据的定向推送。学员训练模型建立包括学员座位表导入、学员信息照片导入、学员样本信息采集、学员位置校准和样本训练等。系统内置的教员训练模型可以快速定位到该学校各授课教员并结合教员授课的行为数据进行挖掘分析，访问教学应用服务平台可以看到该教室的智能识别情况。
二 基于AI的信息化教学平台的实现
机关领导模块主要实现教学情况的全面查阅。进入系统平台可查看教学单位的所有课程信息，针对不同的学科，按姓名、教学班查看所有教员每节课的注意力散点图、课堂行为分析图、教学行为曲线图等，了解教员和学员的课堂表现情况。平台页面显示每节课的教员视频信息，可实时观看课堂视频，了解课堂动态；既可以针对同一学科，指定不同教员的两节课进行课堂教学行为（包括教员授课和学员听课）和课堂内容对比分析。也可以针对不同学科同一老师，得出任一教员和本年级教员平均水平的横向比较。对比结果主要以注意力散点图、课堂行为雷达分析图、教学行为曲线图以及教学分析报告等为展示形式。
（一） 录播教室的搭建
3.3 有关部门缺乏足够的重视 保护区作为生物资源最丰富的区域，划定保护区目的就是要最大程度地保护生物资源，但是由于有部门对保护区的重要性认识不足，对保护区缺乏足够的重视，导致在保护区内的各种开发活动不断发生，对生物资源造成了较大的破坏。
（二） AI识别模型建立
昆明的江女士为挂专家号就被折腾得不轻。江女士的儿子左脚患上甲沟炎，为此耽误了不少学习时间。她听朋友说北京某大医院的专家治疗甲沟炎特别有效，就带儿子来到北京。
从上图可以明确系统平台数据的来源、传输、存储、管理与应用的完整过程。通过搭建多媒体录播教室实现课堂行为数据采集，主要包括教员课堂行为数据和学员课堂行为数据的全程采集。大量的课堂行为数据可通过有线网、无线网传输到数据资源云存储平台，然后借助AI算法与设计好的样本数据模型库进行对比挖掘相关信息，通过教学应用服务平台完成不同教学参与者对教学需求的功能展示与反馈。
（三） 教学服务平台设计
教学服务平台直接面向应用，是功能主体展示模块。本系统平台依据不同的教学服务对象分别设置系统管理员模块、领导机关模块、教员模块、学员队干部等模块。
基于AI的信息化教学平台主要以课堂行为产生的数据为分析对象， AI识别模型主要包括:人脸模型分析，具体模型库包括教员与学员对象，并且实现人脸动态识别；行为模型分析，具体有课堂行为识别，教师个体教学行为，学生学习过程中个体行为，教学班级整体行为等；语音模型分析，教员声音识别与学员语音识别分析以及课堂其他多媒体音视频分析；课堂知识点模型分析，对于课堂板书及多媒体课件中的关键知识点的识别分析。
管理员模块主要包括子系统访问控制与管理，平台设置以及用户管理三个部分。子系统访问控制与管理主要实现对系统平台下子模块进行管理，包括添加、修改、禁用等功能。平台设置主要进行训练模型、配置管理、数据字典、知识点特征行为定义、课表管理等内容。用户管理包括教员、学员管理和班级管理。添加导入教员、学员的详细信息，完成对教员、学员信息的增加、修改、删除与批量导入。班级管理主要包括创建班级、导入班级数据、数据归档和还原功能，以及班级人员的新增和移除等功能。
基于AI的信息化教学平台关键要素主要包括多媒体录播教室搭建，网络服务配置，数据资源云存储平台，AI模型库设计，以及教学应用服务平台设计。这里主要分析录播教室环境搭建，AI模型库设计，以及教学服务平台的主要功能模块。
队干部功能模块主要包括学员的课堂行为数据分析与展示。平台能有效识别的课堂行为包括：应答、听讲、读写、举手、师生互动等课堂行为，根据不同需求分析结果采用不同的图表进行展示，例如课堂行为饼状图、行为对比柱状图、累计注意力趋势图。队干部可以对比查看具体课程信息、具体教学班学员的课堂行为统计图，准确掌握学员的课堂表现。同时系统平台将学员上课的精彩瞬间自动截图出来，进行分析与信息推送。系统根据学员的课堂行为数据，自动生成学员的个性化评价信息和学员自我分析报告，使得学员的学习状况尽在队干部掌控之中。
录播教室是系统平台教学活动数据的来源，主要完成系统结构中教学数据的采集，搭建录播教室对于系统功能实现非常重要[6]。录播教室可以直接建立在传统多媒体教室之上，主要包括音频设备，视频设备，跟踪模块，录播存储数据站，音视频处理器等设备。录播教室根据实际需要灵活设置高清摄像机和吊装话筒数量，以满足不同角度不同对象的全程录制。为方便系统平台对不同课堂教学行为数据的采集分析，可采用多路固定机位常态化课堂视频录制。系统平台录制的教学视频显示屏幕可以是基本教学PC机画面，也可以是高清大屏独立显示模式。
教员功能模块主要实现教员课堂教学行为的智能分析，主要包括教员课堂活动行为分析、学员课堂活动行为分析以及演示课件的内容分析等功能。教员平台支持视频回放，不仅支持教员、学员和VGA多路视频的同步回放，而且可以查阅相关的视频打点信息并且进行视频导出，可以查看相关联打点标签内容，快速定位到该时刻播放的视频；同时可以分析所对应的课堂行为或知识点内容。支持课程知识点检索功能，教员可以按知识点检索相关的视频和视频个数，知识点视频播放结束后会智能化推送其他相关视频列表信息。
三 基于AI的信息化教学平台对教学效能的提升
基于AI的信息化教学平台对课堂教学行为数据进行智能分析，将课堂行为数据进行可视化分析与数据报告生成，有效提升了教员自主教学能力，学员的自主学习能力，学员队干部的管理能力，以及机关领导的指导能力。
板涧河水库混凝土面板堆石坝，最大坝高85.0 m，总库容3 336万m3，大坝为2级建筑物，溢洪道和泄洪洞为3级建筑物，补水泵站为2级建筑物。大坝总布置充分利用地形、地质条件，合理选择了混凝土面板堆石坝、大坝边坡、坝体分区及坝料设计符合规范要求。大坝趾板、面板混凝土设计指标符合规范规定。坝基开挖及基础处理设计合理。泄水建筑物布置与消能方式适应坝址地形地质条件，是合理的。
（一） 提升了教员自主教学能力
任课教员通过系统平台查看教学课堂行为分析报告，能客观认识自己的教学中的优缺点，从而进行针对性的改进。任课教员还可以从不同的角度查看课程视频回放，分别查看教员、学员和VGA三路视频。通过查看课程视频回放，教员可以详细查看相关的视频打点信息。通过系统平台知识点视频检索功能，使得教员对课堂的教学过程具有更详细的认识，能客观认识教员教学中的优缺点，以便做好更加详细的调整和规划，不断科学提升自我教学水平。
（二） 提升了学员的自主学习能力
学员可以在实验室机房或大学局域网终端随时访问本系统门户平台，观看课堂教学视频回放，进行课程知识的再学习。对课堂上没有弄明白的问题或者重点知识可以进行问题上报，在实验室可以实现教学视频学习与实验操作的同步进行。系统平台能够辅助学员较好地掌握课堂知识，提升学习兴趣的同时提升学员自主学习能力。
（三） 提升了学员队干部的管理能力
及时掌控学员的学习状态是学员队干部比较关心的问题。队干部通过系统平台及时掌握学员上课过程中的课堂行为、精彩瞬间等信息，查看学员的课堂行为报告和学习行为图表，依靠数据分析对学员学习情况进行全面的了解。队干部可以随时访问系统平台，实时掌握学员的课堂学习状态，从而与学员进行有效的交流沟通，及时调整日常管理与训练环节，有效提升了队干部的管理能力。
通过定期开展学生心理测试，辅导员与课程导师的协同疏导，利用科学性与人文性相结合、针对性与普遍性相结合、实践性与理论性相结合、真实性与趣味性相结合的沟通方式，来提升大学生日常思想政治教育。学校应该构建综合系统的思想政治教育工作体系，通过研发创新性思政平台，将该项工作融入到学生学习生活的各个方面，变被动为主动，为培养当代大学生做好基础工作。
（四） 提升了机关的指导能力
机关领导干部通过系统平台可以随时查看任课教员课堂行为数据和学员课堂行为数据图，实现对整个教学环节的跟踪式访问，节约时间的同时，有效完成日常查听课管理任务。通过对不同教员的教学行为数据对比分析，能有效发现当前教员授课中存在的不足。针对不同教员的授课的优缺点，制定出合理的改进措施，提高整个教学活动水平。系统平台有效提升了机关领导对教学工作的管理与指导能力。
四 结论与展望
借力人工智能与大数据技术推动现代教育发展是当前信息化教育发展的趋势，系统使用人工智能与大数据技术提取课堂行为数据，通过内置人工智能模型，对提取的课堂行为数据进行有效分析与挖掘，最后将数据分析结果展现给不同人员进行学习分析，实现了课堂教学、移动教学和智能教学分析与管理的一体化精准服务。
系统平台目前存在问题主要有，样本数据库的模板依赖性较强，不同教员与教学班的学员数据需要每次提前录入和样本训练，不能进行更改，否则整个教学班的数据智能化分析准确性下降。并且系统不适应学员变更、教员临时调整或更换的教学客观实际情况。针对此问题，系统平台会进一步优化和扩展样本数据库，增加动态对象数据表，并且对AI算法进一步调整优化，确保教学服务功能的高效准确运行。
设定M=3，L=6时，从图8可以看出，SLG在N40时满意度低于CIDG，而在N>40时满意度逼近CIDG，甚至超过CIDG算法，这主要是因为当用户密度变大时，SUs间干扰增大，CIDG采取的是一种利已的最佳响应策略，易陷入局部最优解；SLG算法为潜在博弈，兼顾个体与全局收益，故能在少量信息观察前提下保持好的网络满意度.
参考文献
[1] 雷朝滋.新时期中国特色的教育信息化发展路径[J].发明与创新(教育信息化),2014 (6):1-1.
[2] 胡志强,郭华锋.“互联网+”与大数据技术环境下的现代教育技术研究[J].现代教育技术,2016,(8):10-12.
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[4] 朱永新,徐子望,鲁白.人工智能与未来教育笔谈(上)[J].华东师范大学学报(教育科学版),2017(4):15-30.
[5] 陈顺,孙奇,王袆琳.军事教育理念创新与人才培养改革[J].科教导刊,2010(36):134-135.
[6] 陆海钢.基于云计算常态化录播系统的设计与实现[J].现代教育技术,2015(12):103-109.
本文引用格式： 李宝兴 等.一种基于AI的信息化教学平台研究[J]. 教育现代化，2019，6（37）：137-139.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.37.046
作者简介： 李宝兴，男，河南灵宝人，武警工程大学信息工程学院，助教；刘军，男，北京人，武警工程大学信息工程学院，教授。
标签：AI论文; 信息化教学论文; 课堂教学论文; 教学管理论文; 武警工程大学信息工程学院论文;