基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统的制作方法

1.本发明属于教学管理技术领域，具体涉及一种基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统。


背景技术：

2.工程教育专业认证理念包括以学生为中心的教育理念、成果导向的教育取向以及持续改进的质量文化。以全体学生为中心。学校目前有很多的评估、评比、检查，目的是为了改进教学，由于不具操作性，多半变成了奖励的依据、分级的依据。工程教育专业认证提出的持续改进的质量文化包括建立常态性评价机制并不断改进；培养目标、毕业要求、教学环节都要进行评价；每个教师在持续改进中均承担责任；持续改进的效果要通过学生的表现来体现。
3.课堂教学评价指的是对在课堂教学过程中所出现的客体对象进行的评价活动，评价的范围主要是教和学两个方面，其价值主要在课堂教学，这也是促进学生成长、教师专业发展以及提升课堂教学质量的重要手段。对教师教学质量的评价，关注学生的学情，以学生在课堂教学中呈现的状态和获得的发展作为评定课堂教学质量的重要依据。随着人工智能技术的不断发展，采用图像识别技术，识别授课教师的精神饱满度、讲台活跃度、讲台活跃步长数；识别学生上课的精神面貌愉悦度、听课的专注度以及听课的非常行为如：看手机、打瞌睡、相互聊天等，已经成为可能，采用计算机管理系统监视、管理师生的授课、听课状态，有利于教师课后及时掌握自己的授课效果，查找原因，因生施教，有的放矢，持续改进教学质量；有利于学生课后查看自己的上课状态记录，查找原因，知错就改；有利于学业导师在指导学生的学业时，有因可查，对症下药；有利于心理辅导员及时掌握、关注、辅导具有潜在心理疾病的学生；有利于院领导、教务领导了解、关注学校教学持续改进的进程。
4.优秀教师良好的授课状态，必定会感染到学生，必然会激发出他们的良好状态。因为教育就是一棵树摇动另一棵树，一朵云推动另一朵云，一个灵魂唤醒另一个灵魂。因此，需要对课堂教学质量进行持续的改进和优化，对于提高教学质量和提升教学管理水平具有一定的实际意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统，解决了目前如何对课堂教学质量进行持续的改进和优化，进而提高教学质量和提升教学管理水平的一部分问题。
6.本发明所采用的技术方案是，
7.基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统，包括服务器、听课状态管理系统、电脑管理终端以及移动终端，听课状态管理系统包括摄像头组、控制主机、第一体感传感器和第二体感传感器，其中；
8.服务器位于学校教务处，其与听课状态管理系统、电脑管理终端以及移动终端交
互；其采集和处理课堂教学表征信息，并将课堂教学表征信息进行处理发送至电脑管理终端和移动终端；
9.服务器用于进行信息的储存和管理；其内部存储有学生的基本信息、学籍档案、教学计划以及教学安排的资料；
10.教学表征信息包括上课学生在课堂的平均愉悦度x
平
、平均专注率z
平
、愉悦度x以及专注率z，还包括动态排序前n名与后n名学生的、授课教师课堂授课与学生互动时的图像文件、授课教师在课堂的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h、授课内容关键词重复次数c以及语速；以便具有操作权限的人员查看；
11.系统在每个计算周期计算每位学生在课堂的愉悦度x和专注率z，进行排序后保存前n名与后n名学生的课堂抓拍图像，替换保存文件；
12.听课状态管理系统通过设置于教室内的可旋转摄像头组采集的学生脸部特征，采用人工智能图像识别技术，识别学生的身份，并结合体感传感器识别学生的听课状态，结合第二传感器识别教师的授课状态；
13.听课状态管理系统还通过识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度x和专注率z；听课状态还包括：看手机、打瞌睡以及相互聊天；
14.愉悦度x由学生面带微笑的人数xw、表情平和的人数x
p
、面带愁容的人数xc以及学生的总人数n计算而成，计算公式为如下公式(1)：
[0015][0016]
听课专注率z由学生看手机人数z
sj
、打瞌睡人数z
ks
、相互聊天人数z
lt
以及学生的总人数n计算而成，计算公式为如下公式(2)：
[0017][0018]
听课状态管理系统(2)，可以识别并计算授课教师的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h、授课内容关键词重复次数c；
[0019]
授课教师的精神饱满度j，由授课教师在课堂上呈现的面部表情次数来计算，每堂课时长为m分钟，听课状态管理系统每分钟统计三次授课教师的面部表情，精神饱满记为“2”；表情平和记为“1”；状态不佳记为“0”，对三次状态累加后得到当前一分钟的面部表情次数x(i)；
[0020]
在每五分钟对x
(1)
—x
(5)
进行排序，并取其排序结果的中间值作为本五分钟授课教师的面部表情次数x
(j)
；
[0021]
则授课教师的精神饱满度j为如下公式(3)：
[0022][0023]
授课教师的讲台活跃步长数b为每节课授课教师在讲台上运动的距离；在系统运行时由体感传感器(108)的定位功能来计算授课教师的讲台活跃步长数b；
[0024]
本校本专业授课教师的上课平均讲台运动距离为h
p
，某位教师本节课的上课讲台运动距离为bi，则授课教师的讲台活跃度(h)为如下公式(4)：
[0025][0026]
授课内容关键词重复次数c中，关键词预设于系统；
[0027]
电脑管理终端安装有app程序，教师可采用电脑管理终端上的app程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
[0028]
电脑管理终端可用于使用者在不同地点进行登录，以便查看和管理；
[0029]
移动终端上安装有app程序，教师可采用移动终端上的app程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
[0030]
电脑管理终端和移动终端的用户注册，均需要采集工号或学号、姓名、性别、身份证号以及人脸信息。
[0031]
本发明的特点还在于；
[0032]
听课状态管理系统包括第一可旋转摄像头、第二可旋转摄像头、第三可旋转摄像头、第一体感传感器、控制主机、显示器、第四可旋转摄像头以及第二体感传感器；
[0033]
可旋转摄像头组用于：对学生进行人脸识别，将人脸特征信息传输至控制主机；在上课前后被控制主机自动控制旋转面向出门学生，识别、统计上课早退学生的情况，并与体感传感器一起识别学生的听课状态，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机；
[0034]
第一体感传感器与可旋转摄像头组共同识别学生的脸部表情并将识别信息传输至控制主机；控制主机用于接受可旋转摄像头组及第一体感传感器检测的学生脸部特征信息以及学生的听课状态信息，并将信息发送至服务器；
[0035]
显示器用于显示控制主机的输出信息；
[0036]
第二体感传感器用于采集授课教师的授课状态，并将其上传至控制主机，控制主机计算授课教师的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h以及授课内容关键词重复次数c。
[0037]
第一体感传感器，用于识别感知跟踪人体的骨骼和关节位置，可以捕捉声源位置和音频波方向，识别学生面部表情、听课坐姿，将识别感知的信息输入至控制主机。
[0038]
控制主机，通过第二体感传感器的麦克风，计算和存储授课教师的讲课语速。
[0039]
控制主机可通过第二体感传感器的麦克风：计算和存储授课教师的声纹信息，收集语音文本数据，分析提取数据特征并自动建模，以便听课状态管理系统自动识别该授课教师的授课声音。
[0040]
控制主机用于借助服务器的数据关联统计当前本节课学生看手机、打瞌睡、相互聊天者的人数，学生课前及课后的听课心情愉悦度，并将信息发送至服务器；
[0041]
控制主机还可以借助服务器的数据关联保存、统计当前本节课学生课前及课后听课心情愉悦度及愉悦曲线，并将信息发送至服务器；
[0042]
控制主机用于，在课后将本次教学的教学状态信息发送至服务器，进而由服务器发送至对应的师生账户；
[0043]
控制主机用于，将课堂授课视频实况进行现场视频录制并将录制的视频保存上传至服务器。
[0044]
本发明的有益效果是，本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统，学生可课后登录服务器可查看本人的听课(签到)、迟到早退以及听课状态的信息记录，以及该记录在全班级的排名，促使其查找原因，知错改错；教师可课后登录服务器可查看本人的精神饱满度、讲台活跃步长数、讲台活跃度、授课内容关键词重复次数等以及本人的课堂授课表征在本学院本专业同行中的排名次序，查找原因，因生施教，有的放矢，持续改进教学质量；学业导师可课后登录服务器可查看了解学生上课状态，有利于在指导学生的学业时，有因可查，对症下药；心理辅导员可课后登录服务器有利于及时掌握、关注、辅导具有潜在心理疾病的学生；教学督导可课后登录服务器可查看了解师生上课状态，针对教学工作、教学质量、教学管理、教风与学风等状况制定应对策略，对各教学单位的教学管理、教学方法、教学手段、教学效果进行监督、检查和评价，促进教育教学质量的提高；学校领导可课后登录服务器有利于了解、关注学校教学持续改进的进程，为后续课堂教学质量的提高掌握第一手材料。系统在课后，将课堂教学表征信息发送至师生相关账户下，及时提醒师生采用相关互动措施或改变(改进)授课/学习方法，达到持续改进课堂教学质量的目的。
附图说明
[0045]
图1是本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统中系统框架示意图；
[0046]
图2是本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统中听课状态管理系统的框架结构示意图。
[0047]
1.服务器，2.听课状态管理系统，101.第一可旋转摄像头，102.第二可旋转摄像头，103.第三可旋转摄像头，104.第一体感传感器，105.控制主机，106.显示器，107.第四可旋转摄像头，108第二体感传感器。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施方式对本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统进行详细说明。
[0049]
如图1和图2所示，本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统，包括服务器1、听课状态管理系统2、电脑管理终端3以及移动终端4，其中：
[0050]
服务器1，位于学校教务处机房，接受听课状态管理系统2、电脑管理终端3以及移动终端4的信息访问，进行信息储存、信息管理等；
[0051]
服务器1，内部存储有学生的基本信息、学籍档案、教学计划、教学安排等资料；
[0052]
服务器1，可以在课后，将课堂教学表征信息发送至师生相关账户下，及时提醒师生采用相关互动措施或改变改进授课/学习方法，达到持续改进课堂教学质量的目的；
[0053]
听课状态管理系统2，通过可旋转摄像头学生脸部特征，采用人工智能图像识别技术，识别学生的身份，并结合第一体感传感器识别学生的听课状态及上课教师的授课状态；
[0054]
听课状态管理系统2，可以识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度x和专注率z；
[0055]
心情愉悦度x由学生面带微笑的人数xw、表情平和的人数x
p
、面带愁容的人数xc以
及学生的总人数n计算而成，计算公式为：x
平
x
平
为上课学生在课堂的愉悦度x的平均值；
[0056]
听课专注率z由学生看手机人数z
sj
、打瞌睡人数z
ks
、相互聊天人数z
lt
以及学生的总人数n计算而成，计算公式为：z
平
为学生的课堂平均听课专注率z的平均值；
[0057]
听课状态管理系统2，可以识别授课教师的面部表情、授课步态、授课内容关键词重复次数等，并计算授课教师的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h、授课内容关键词重复次数c；
[0058]
授课教师的精神饱满度j，由授课教师在课堂上呈现的面部表情次数来计算，假设每堂课时长为m分钟，听课状态管理系统每分钟统计三次授课教师的面部表情精神饱满，记为“2”；表情平和，记为“1”；状态不佳，记为“0”，对三次状态累加后得到当前1分钟的面部表情次数x(i)；
[0059]
在每5分钟对x
(1)-x
(5)
进行排序，并取其排序结果的中间值作为本5分钟的授课教师面部表情次数x
(j)
；
[0060]
则授课教师的精神饱满度j为：
[0061][0062]
作为一种实施例；假如第一个5分钟，授课教师的面部表情、累加x(i)、排序、取中x
(j)
统计表及计算结果如下：
[0063][0064]
如果一堂课45分钟，每5分钟的授课教师面部表情次数x
(j)
分别为：4、5、6、6、0、3、1、4、4，则授课教师的精神饱满度j为：
[0065][0066]
授课教师的讲台活跃步长数b，为每节课授课教师在讲台上运动的距离；在安装第二体感传感器108时，由设备调试人员输入讲台的长度和第二体感传感器108与黑板之间的距离并标定授课教师站在讲台左端与右端的位置，系统运行时，由第二体感传感器108的定位功能来计算授课教师的讲台活跃步长数b；
[0067]
讲台活跃度h，由授课教师在讲台上运动的距离体现的讲台活跃步长数b来计算，假如本校本专业授课教师的上课平均讲台运动距离为h
p
，某位教师本节课的上课讲台运动距离为bi，则授课教师的讲台活跃度h为：
[0068][0069]
授课内容关键词重复次数c，为关键词重复次数；关键词设置20个，其可以由授课教师课前并由教研室、教务处审核通过而定；确定后的关键词被预设入系统。
[0070]
电脑管理终端3，为服务器1的多个电脑终端，其上安装有app程序，教师可采用app程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作；
[0071]
电脑管理终端3，可以用于系统管理员、学生、教师、管理人员、学校领导等不同身份的人员在不同地点进行登录；
[0072]
不同身份的人员，如果是教务管理员，登录服务器1可对服务器1接受、保存的数据进行管理，包括对数据的储存、备份、检索、统计、汇总等，同时对注册师生用户进行管理；
[0073]
不同身份的人员，如果是学生，课后可登录服务器1可查看本人的听课签到、迟到早退以及听课状态的信息记录，以及该记录在全班级的排名，促使其查找原因，知错改错；
[0074]
不同身份的人员，如果是教师，课后可登录服务器1可查看本人的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h、授课内容关键词重复次数等c以及本人的课堂授课表征在本学院本专业同行中的排名次序，查找原因，因生施教，有的放矢，持续改进教学质量；
[0075]
不同身份的人员，如果是学业导师，课后可登录服务器1可查看了解学生上课状态，有利于在指导学生的学业时，有因可查，对症下药；
[0076]
不同身份的人员，如果是心理辅导员，课后可登录服务器1有利于及时掌握、关注、辅导具有潜在心理疾病的学生；
[0077]
不同身份的人员，如果是教学督导，课后可登录服务器1可查看了解师生上课状态，针对教学工作、教学质量、教学管理、教风与学风等状况制定应对策略，对各教学单位的教学管理、教学方法、教学手段、教学效果进行监督、检查和评价，促进教育教学质量的提高；
[0078]
不同身份的人员，如果是学校领导，课后可登录服务器1有利于了解、关注学校教学持续改进的进程，为后续课堂教学质量的提高掌握第一手材料。
[0079]
不同身份的人员，如果是学生家长，登录服务器1有利于了解自己孩子及授课教师上课状态、关注学校教学持续改进的进程，为自己孩子加油鼓劲，为学校后续课堂教学质量的提高献计献策。
[0080]
登录服务器1可查看了解师生上课状态，针对教学工作、教学质量、教学管理、教风与学风等状况制定应对策略，对各教学单位的教学管理、教学方法、教学手段、教学效果进行监督、检查和评价，促进教育教学质量的提高；
[0081]
移动终端4，为服务器1的多个移动终端，包括手机、平板电脑等，其上安装有app程序，教师可采用app程序进行用户注册，并依据自己的操作权限进行数据管理操作，操作类似电脑管理终端3；
[0082]
电脑管理终端3及移动终端4，师生在采用其上的app程序进行用户注册时，需要采集学号、姓名、性别、身份证号、人脸信息等；
[0083]
基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统，听课状态管理系统2，具体包括第一可旋转摄像头101、第二可旋转摄像头102、第三可旋转摄像头103、第一体感传感器104、控制主机105、显示器106、第四可旋转摄像头107以及第二体感传感器108；
[0084]
第一可旋转摄像头101，位于教室入门的正对面，在上课前对进门学生进行人脸识别，将人脸特征信息传输至控制主机105；
[0085]
第一可旋转摄像头101，位于教室进入门正对面，在上课后被控制主机105自动控制旋转面向上课学生，与第一体感传感器104一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机105；
[0086]
第二可旋转摄像头102，位于教室黑板的正上方，与第一体感传感器104一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机105；
[0087]
第三可旋转摄像头103，位于教室进入门的正上方，在上课前、后被控制主机105自动控制旋转面向出门学生，识别、统计上课早退学生的情况，并与第一体感传感器104一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率，并将识别信息传输至控制主机105；
[0088]
第一体感传感器104，位于教室黑板正上方，与第一可旋转摄像头101、第二可旋转摄像头102以及第三可旋转摄像头103、第四可旋转摄像头107一起识别学生的听课状态，如：看手机、打瞌睡、相互聊天等，同时可以识别学生的脸部表情并计算学生听课的愉悦度和专注率等，并将识别信息传输至控制主机105；
[0089]
控制主机105，位于教室多媒体操控台里，接受第一可旋转摄像头101、第二可旋转摄像头102、第三可旋转摄像头103及第一体感传感器104检测的学生脸部特征信息以及学生的听课状态信息，并将信息发送至服务器1；
[0090]
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联统计学生的听课签到人数，统计学生看手机、打瞌睡、相互聊天者的姓名、学号等，并将信息发送至服务器1；
[0091]
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联统计当前本节课学生看手机、打瞌睡、相互聊天者的人数，并将信息发送至服务器1；
[0092]
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联统计当前本节课学生课前及课后的听课心情愉悦度，并将信息发送至服务器1；
[0093]
控制主机105，可以借助服务器1的数据关联保存、统计当前本节课学生课前及课后听课心情愉悦度及愉悦曲线，并将信息发送至服务器1；
[0094]
服务器1，可以在课后，将课堂教学表征信息发送至师生相关账户下，及时提醒师生采用相关互动措施或改变改进授课/学习方法，达到持续改进课堂教学质量的目的；
[0095]
所述教学表征信息包括上课学生在课堂的平均愉悦度x
平
、平均专注率z
平
、愉悦度x、专注率z、动态排序前n名与后n名学生的课堂抓拍图像文件，供课后不同身份的人员如：教务处管理人员或教学督导或心理辅导员等具有操作权限的人员查看；
[0096]
教学表征信息，包括授课教师课堂授课与学生互动时的课堂抓拍组合图像文件，供课后不同身份的人员如：教务处管理人员或教学督导或心理辅导员等具有操作权限的人员查看；
[0097]
教学表征信息，包括授课教师课堂的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h、授课内容关键词重复次数c以及语速，供课后不同身份的人员如：教务处管理人员或教学督导或心理辅导员等具有操作权限的人员查看；
[0098]
排名参数n，可由教务处或教学督导进行设置；
[0099]
学生课堂愉悦度x和专注率z的动态排序，系统在每个计算周期，计算每位学生的课堂愉悦度x和专注率z，进行排序后保存前n名与后n名学生的课堂抓拍图像，替换保存文件，供课后不同身份的人员如：教务处管理人员或教学督导或心理辅导员等具有操作权限的人员查看；
[0100]
控制主机105，可以在课后将本次教学的教学状态信息发送至服务器1，进而由服务器1发送至对应的师生账户；
[0101]
控制主机105，可以将课堂授课视频实况包括显示屏上的信息进行现场视频录制并将视频保存上传至服务器1，方便授课教师课后进行访问，进而授课教师结合视频里学生的听课心情愉悦度和听课专注率等信息进行回放，找到提高教学质量的痛点所在；
[0102]
显示器106，位于教室多媒体操控台的上面，显示控制主机105的输出信息；
[0103]
第四可旋转摄像头107，安装在教室中间顶部，可在控制主机105控制下360度旋转；
[0104]
第二体感传感器108，安装在教室中间顶部，可以识别授课教师的面部表情、授课步态、授课内容关键词重复次数等，并计算授课教师的精神饱满度j、讲台活跃步长数b、讲台活跃度h、授课内容关键词重复次数c；
[0105]
本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统，第一体感传感器104，主要识别感知跟踪人体的骨骼和关节位置，可以捕捉声源位置和音频波方向、面部表情等识别学生面部表情、听课坐姿等，将感知位置信息输入至控制主机105；
[0106]
控制主机105可以通过第一体感传感器104的麦克风，计算、存储授课教师的讲课语速；控制主机105可以通过第一体感传感器104的麦克风，计算、存储授课教师的声纹信息，收集大量的语音文本，分析提取数据特征并自动建模，方便听课状态管理系统2以后自动识别该授课教师的授课声音；
[0107]
本发明基于工程教育认证理念的课堂教学质量持续改进系统；通过对教学系统合理化自动化地设计，在一定程度上可以提升上课教师的授课质量，对上课学生也起到一定的积极作用，具有一定的实用性。