課堂評價是改進教學質量的關鍵技(jì)術，主要包括課堂教學信息采集與和信息處理這兩個部分。一(yī)般而言，結構化的教學信息可以進行自(zì)動化的信息處理，如弗蘭德斯互動分析系統（Flanders Interaction Analysis System，FIAS）生(shēng)成的師生(shēng)互動1～10的行爲編碼和調查問卷生(shēng)成的等級打分；而非結構化的教學信息則難以進行自(zì)動化的信息處理，如人種志(zhì)、課堂觀察報告等文本材料。爲了生(shēng)成能(néng)夠進行自(zì)動處理的課堂信息，目前主流的方法是采用課堂測試生(shēng)成測試分數、調查問卷生(shēng)成等級分數、符号化的課堂觀察、課堂教學場景的編碼等人工(gōng)生(shēng)成方法，但這些方法具有人工(gōng)參與程度高(gāo)、人工(gōng)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)動化的教學信息采集。

近年(nián)來，由于信息技(jì)術、特别是以深度學習爲基礎的人工(gōng)智能(néng)技(jì)術的快速發展，研究者将計算(suàn)機技(jì)術引入課堂評價中，嘗試進行教學信息的自(zì)動化采集，包括：①采用電子白(bái)闆、電子書包、錄播教室等教育設備來記錄一(yī)些過程性的教學信息；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(jì)術對學生(shēng)的聽課姿态進行采集與評價；④采用表情識别技(jì)術對學生(shēng)的學習表情進行采集與評價；⑤采用語音(yīn)情感識别技(jì)術對教師的授課情感進行采集與評價；⑥采用電子投票器(qì)Clicker或手持智能(néng)設備采集學生(shēng)的問題回答信息等。到(dào)目前爲止，這些方法都是采用單一(yī)的信息技(jì)術或教育設備對單一(yī)指标的課堂教學信息進行自(zì)動采集與評價，從應用情況來看(kàn)，這些課堂教學信息自(zì)動采集技(jì)術還都停留在研究階段，尚還未呈現出大規模應用之勢。

從課堂教學信息自(zì)動采集到(dào)自(zì)動處理，目前國内外鮮有關于課堂教學自(zì)動評價理論的研究成果。因此，本研究綜合弗蘭德斯互動分析系統所得的定量數據易于自(zì)動分析、LICC（Learning, Instruction, Curriculum, Culture）課堂觀察可以對課堂教學進行整體評價的優點，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(suàn)、深度學習等信息技(jì)術對課堂評價自(zì)動化進行的系統研究，提出了課堂教學自(zì)動評價理論，并給出了其在課堂評價領域的初步研究成果。文章主要進行了如下(xià)研究工(gōng)作：

①從信息技(jì)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結論；基于人工(gōng)智能(néng)、情感技(jì)術等最新的信息技(jì)術，首次給出了課堂教學自(zì)動評價的定義，即“課堂教學自(zì)動評價是一(yī)個全新的教育研究方向，既是一(yī)項對課堂教學衆多(duō)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計算(suàn)機應用技(jì)術，也是一(yī)項改進課堂教學效果的教育技(jì)術”；同時，構建了關于課堂教學自(zì)動評價的一(yī)套完整、系統的理論架構，爲課堂教學自(zì)動評價研究奠定了理論基礎。

②爲了滿足廣大任課教師與課堂評價人員對實用課堂評價工(gōng)具的需求，本研究提出了一(yī)種基于師生(shēng)對話文本的課堂教學自(zì)動分析與評價方法，其先從課堂教學視頻獲取師生(shēng)對話文本，再基于師生(shēng)互動對課堂教學場景進行分類，然後使用文本處理技(jì)術，将連續的課堂教學過程自(zì)動離散爲一(yī)個課堂教學場景時序序列，實現對課堂教學過程的可視化分析與評價^[1]。

③使用深度學習技(jì)術對教室内的所有學生(shēng)進行人臉識别與姿态識别，對課堂教學過程進行多(duō)時間點的自(zì)動考勤，考勤指标包括：曠課、遲到(dào)、早退、随意進出教室、不認真聽講，實現對課堂教學的全員、全過程、全自(zì)動、多(duō)指标的實時考勤^[2]。

④對于課堂教學過程離散出來的教學場景時序序列，使用不同的信息技(jì)術對一(yī)個個具體的教學場景進行準靜态分析，主要對學生(shēng)的聽課姿态、注意力、表情、學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優缺點分析

定量課堂評價指通(tōng)過課堂測驗、師生(shēng)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，對課堂教學進行定量評價的途徑主要有四個：①使用課堂測驗來獲取學生(shēng)對知識吸收情況的定量數據；②使用問卷來獲取學生(shēng)對課堂教學評價的定量數據；③使用與FIAS相(xiàng)類似的技(jì)術來獲取每3秒(miǎo)一(yī)個編碼的師生(shēng)互動行爲分析數據；④課堂觀察人員使用符号獲取某些教學指标的定量數據。定量課堂評價的缺點在于取得定量數據的工(gōng)作量比較大，但具有使用定量數據進行自(zì)動評價的優勢。受技(jì)術的限制，目前定量課堂評價的應用範圍比較小(xiǎo)。

與定量課堂評價相(xiàng)比，定性課堂評價通(tōng)過課堂觀察和課後座談的形式，可以直觀地對課堂教學進行評價，評價人員可以根據經驗與需求、直接對課堂教學效果進行評價，限制因素比較少，所以目前課堂評價大多(duō)采用定性課堂評價。但從發展的眼光(guāng)來看(kàn)，定性課堂評價也有全人工(gōng)評價造成的評價費用高(gāo)、難以進行持久的大規模評價、用人進行評價難以避免主觀性評價所造成的不客觀等缺陷。因此，爲了對課堂教學進行大規模持久的監測與評價，獲取客觀的教育大數據，實現大地域、多(duō)樣本、全過程的課堂評價，發展課堂教學定量評價技(jì)術勢在必行。

2 專業人士對現有課堂觀察與課堂評價的反思

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

（1）碎片化。從某種程度上(shàng)講，課堂觀察是對課堂的精細化解構，一(yī)節課被量表、指标分解得支離破碎，各個觀察的視點不一(yī)定是一(yī)節課最爲有力的切入點。我們常常會看(kàn)到(dào)各觀察者（組）相(xiàng)互獨立的觀察數據，而它們之間的聯系和意義的建設對于隻關注自(zì)己這部分的觀察者來說是很難輕易把握的，因此教師會擔心：“這樣的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)些學校，課堂觀察成爲個别精英教師的專利，變成僅供人觀賞的“盆景”，而大多(duō)數教師成爲學校課堂觀察的旁觀者和邊緣者。一(yī)些學校的領導和教師在潛意識中認爲搞課堂觀察煩瑣，會浪費時間，存在嚴重的畏難情緒，隻在遇到(dào)檢查或參觀時才倉促應戰，而在日常的聽課、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)些地方的課堂觀察活動搞一(yī)刀切，不管學校的學情和教師的教情，完全照(zhào)搬他人的模式。而事(shì)實上(shàng)，由于背景、文化、基礎等存在差異，課堂觀察的方式、方法也要因人而異，應該引導教師選擇合乎實際的手段和具體方式。學校應指導教師百花齊放(fàng)、不拘一(yī)格，并鼓勵教師開拓創新，真正在有效性上(shàng)下(xià)功夫。

（4）功能(néng)化。觀察者隻觀察限定的維度、限定的問題，觀察分工(gōng)有知覺功能(néng)上(shàng)的“分裂主義”味道。科學主義的聽評課會帶來這樣的結果：①感受缺失。課堂觀察如果缺少了感受，就(jiù)不會産生(shēng)審美愉悅，從而會蛻變爲一(yī)種教學負擔，也就(jiù)不具有長久的生(shēng)命力。②靈性被束縛。當教師了解觀察者的觀察意圖後，可能(néng)會将觀察意圖轉換爲一(yī)種教學訴求。太細化的教學聽評課會限制教學主體性的發揮，從而束縛教學的靈性。③視點散化。長期的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。課堂研究可以在一(yī)定程度上(shàng)說明課堂的問題，卻難以說明影響課堂的社會因素問題。在教師的教學水(shuǐ)平達到(dào)一(yī)定的程度、具備基本的教學條件(jiàn)後，教師水(shuǐ)平、技(jì)巧和課堂中物(wù)質條件(jiàn)等因素并不構成教學質量問題的關鍵，課堂之外社會的、家庭的、環境的因素才是深層次發生(shēng)影響的重要因素。以課堂觀察爲主要技(jì)術的課堂研究，對于教師提高(gāo)課堂技(jì)藝，以及學生(shēng)改善課堂行爲确實有效，但教育質量的整體提高(gāo)僅通(tōng)過這種局部的、微觀的研究是難以徹底達成的。

3 課堂評價與課堂觀察的改進方向

爲滿足基礎教育質量監測的需求，本研究通(tōng)過與北(běi)師大教育評價、心理、教育技(jì)術領域專家的互動，結合筆者在課堂教學自(zì)動評價研究的心得，針對現有課堂觀察方式的不足之處，就(jiù)未來基于課堂觀察的課堂評價提出了如下(xià)改進建議：①無擾觀察。課堂觀察不應該給教學過程帶來任何幹擾，以保持課堂教學的原生(shēng)态，得出真實的課堂觀察和課堂評價結果。因此，應該使用攝像頭代替教師進行課堂觀察，基于課堂教學視頻進行課堂觀察與課堂評價。②公平評價。要盡可能(néng)使用計算(suàn)機進行課堂評價，或參與評價的人員數量盡可能(néng)多(duō)，以保證評價結果盡可能(néng)公平。③量化評價指标。爲了便于進行後續的計算(suàn)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評價文本，也要采用文本分析技(jì)術進行評價指标量化處理。④主客觀協同評價。受限于信息技(jì)術發展的水(shuǐ)平，無法對所有的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(suàn)機無法評價的指标進行主觀評價，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數據要進行計算(suàn)機自(zì)動分析與處理，輸出成體系綜合化的評價結果，消除現有課堂評價常常出現的碎片化問題，便于教育用戶使用。⑥課堂評價過程的自(zì)動化。爲了降低(dī)評價人員的勞動強度，滿足大規模課堂評價需求，必須盡可能(néng)地使課堂評價自(zì)動化，降低(dī)課堂評價的人力費用。⑦提高(gāo)課堂評價系統的易用性。爲了擴大課堂評價的應用範圍，課堂評價系統要提高(gāo)易用性，易于上(shàng)手、易于熟悉，盡量使具有本科水(shuǐ)平的教師能(néng)夠直接使用課堂評價系統對自(zì)己的課堂進行評價。

課堂教學自(zì)動評價的定義是：一(yī)個全新的教育研究方向，既是一(yī)項對課堂教學衆多(duō)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計算(suàn)機應用技(jì)術，也是一(yī)項改進課堂教學效果的教育技(jì)術。作爲主要由計算(suàn)機與教育進行交叉的科研方向，課堂教學自(zì)動評價需要具有足夠的靈活性，以滿足不同課堂教學類型的評價需求。爲此，本研究設計了如圖1所示的課堂教學自(zì)動評價流程，其目的是使用計算(suàn)技(jì)術，盡量将教育評價專業人員從繁瑣重複的規範性評價工(gōng)作中解放(fàng)出來，使他們将精力投向計算(suàn)機技(jì)術難于處理的評價工(gōng)作中。

如圖1所示，爲了盡量減少教育評價專業人士的工(gōng)作量，課堂教學自(zì)動評價理論将傳統的教師先随班觀察、後給出結論的課堂評價過程進行了深度細化，劃分爲采集課堂教學高(gāo)清視頻、基于視頻生(shēng)成師生(shēng)對話文本、基于對話文本将課堂教學過程解構爲教學場景時間序列、精确标注課堂教學場景、對課堂教學自(zì)動地進行簡單評價、教學場景準靜态分析、采集家長與專業人士的主觀評價、課堂教學綜合評價、輸出評價結果、生(shēng)成評價報告等共10步評價操作，以便于使用視頻采集、語音(yīn)輸入、文本編碼、文本與視頻分析、數據分析、模式識别、信息融合等計算(suàn)機技(jì)術對課堂教學進行自(zì)動分析與自(zì)動評價。需要教育評價專業人員參與的工(gōng)作被壓縮到(dào)：課堂教學場景标注的手動更正、基于視頻的主觀評價（可以省略）、撰寫評價報告這三步操作。因此，課堂教學自(zì)動評價可以減少評價人員的工(gōng)作量、豐富評價指标、擴大課堂評價範圍。

圖1  課堂教學自(zì)動評價的框架與工(gōng)作流程

從課堂教學視頻中可以獲得師生(shēng)對話文本，包括每一(yī)句話的順序、内容、起始時刻、結束時刻。爲了使用對話句進行基于句子的教學場景自(zì)動編碼（Sentence-based Automatic Coding，SAC），本研究基于師生(shēng)互動行爲對課堂教學行爲進行了分類，共分爲9個一(yī)級行爲和33個二級行爲。使用文本編譯技(jì)術可以對師生(shēng)對話文本進行編譯，獲得SAC自(zì)動編碼。基于師生(shēng)對話文本和教學場景編碼，可以對課堂教學過程進行全過程、全自(zì)動的可視化分析與評價。如圖2所示，将連續的課堂教學過程離散爲教學場景時序序列以後，就(jiù)可以基于一(yī)節課的課堂教學場景編碼結果，不僅能(néng)夠對一(yī)級教學行爲分布進行可視化分析，還能(néng)夠對一(yī)級教學行爲内的二級教學行爲進行可視化分析，進而對課堂教學進行直觀的評價，評價結果不依賴評價人員的好惡，因此客觀性比較好。

（A）一(yī)級行爲可視化分布

（B）二級行爲可視化分布

圖2  基于課堂教學場景的可視化自(zì)動評價

1 基于深度學習的課堂教學自(zì)動考勤^[8]

課堂考勤作爲課堂教學日常評價的重要基礎環節，對課堂教學質量有著(zhe)重要的作用。使用深度學習技(jì)術對課堂教學高(gāo)清視頻中的全部學生(shēng)進行自(zì)動人臉檢測與識别，實現課堂教學的全程無擾全自(zì)動考勤，不僅可以對曠課、遲到(dào)、早退、随意出入教室這4項常規考勤指标進行監測，而且可以對學生(shēng)的不認真聽講情況進行監測。如圖3所示，本研究使用基于深度學習技(jì)術的人臉識别軟件(jiàn)SeeTaFace[9]，可以獲得滿意的人臉識别效果。

圖3    SeeTaFace人臉識别效果

2 基于學生(shēng)學習注意力分析的課堂教學自(zì)動評價^[10][11]

在教室前後牆的中間位置進行吸頂安裝兩隻攝像頭。如圖4（A）所示，前攝像頭的視頻用于識别學生(shēng)人臉、檢測臉部特征點、計算(suàn)出學生(shēng)的空間位置/頭部姿态/面部法線的指向。如圖4（B）所示，後攝像頭的視頻用于将學生(shēng)面部法線投射到(dào)視場中，進行注意力的可視化表示，黑(hēi)闆前進行闆書的教師脖子旁處的圓點就(jiù)是教室中聽課學生(shēng)的視線投射點。

（A）前攝像頭的視場

（B）後攝像頭的視場

圖4  基于前後攝像頭的學習注意力分析系統

根據學生(shēng)聽課的注意力分析結果，可以對學生(shēng)的學習狀态粗略地進行分類。如圖5（A）所示，當學生(shēng)注意力聚焦于授課教師時，說明學生(shēng)學習處于專注狀态。如圖5（B）所示，當學生(shēng)注意力遊離于黑(hēi)闆外邊時，說明學生(shēng)學習處于漠視狀态。此外，當學生(shēng)注意力沒有聚焦于教師、但還看(kàn)著(zhe)黑(hēi)闆時，則說明學生(shēng)學習不夠專注，但處于關注狀态，即還保持對授課内容的關注。

（A）專注：視線聚焦于教師

（B）漠視：視線遊離出黑(hēi)闆右側

    圖5  基于前後攝像頭的學習注意力分析系統

3 基于學生(shēng)學習表情分析的課堂教學自(zì)動評價^[12]

通(tōng)過收集并分析一(yī)線教師和教育研究人員關于學生(shēng)聽課表情的相(xiàng)關論述，同時通(tōng)過觀看(kàn)教學視頻對真實課堂教學所做的大量觀察，本研究首先将學習表情粗分爲愉悅（Joy）、驚訝（Sur）、專注（Foc）、困惑（Con）、走神（Dis）等5類，然後自(zì)建了一(yī)個專用于課堂教學自(zì)動評價的學習表情數據庫，最後開發了一(yī)個基于學習表情識别的課堂教學自(zì)動評價系統。

如圖6所示，本研究對一(yī)堂課前15分鍾視頻中的一(yī)個學生(shēng)進行表情識别，表情分析結果表明：課堂教學剛開始的4～5分鍾，由于精神集中，對于教師所導入的教學材料，該生(shēng)呈現了較好的學習表情，表情主要爲愉悅和專注；随著(zhe)教師講授新知識點，該生(shēng)出現了較多(duō)的困惑、走神表情，說明該生(shēng)在理解上(shàng)出現了困難；在後5分鍾，教師對新知識點進行鞏固教學，該生(shēng)的困惑/走神表情減少，出現了較多(duō)的專注/驚訝/愉悅表情，說明該生(shēng)吸收、掌握了這個知識點。因此，學習表情分析可以對學生(shēng)的聽課效果進行評價，即使用表情識别技(jì)術可以對課堂教學過程中的學生(shēng)聽課效果進行自(zì)動評價。

圖6  課堂教學前15分鍾的一(yī)名學生(shēng)的表情分析結果

本研究首先系統地介紹了課堂教學自(zì)動評價理論，接著(zhe)依次介紹了在基于師生(shēng)對話文本的課堂自(zì)動評價和基于計算(suàn)機視覺技(jì)術的課堂教學自(zì)動評價（包括自(zì)動考勤、學習注意力分析和學習表情分析）、課堂教學自(zì)動考勤、學生(shēng)學習注意力/學習表情/學習情感分析技(jì)術等方面取得的初步研究成果。本研究認爲課堂教學自(zì)動評價是一(yī)項非常有前景的課堂評價技(jì)術,能(néng)夠對課堂教學進行常态化、規模化課堂評價，但課堂教學自(zì)動評價應該結合課堂教學的實際需求開展研究，以切實改善課堂教學質量爲主要突破方向，避免單純追求技(jì)術進步的教具式改進研究，同時也要适度考慮師生(shēng)的個人隐私保護問題。