第一部分 背景与理论

第1章 背景与意义

1.1 国家重视课堂学习行为分析的引领作用

1.1.1 课堂学习行为分析是落实个性化培养的重要举措

学习行为分析是收集和分析由学生及其学习互动生成的数据，如学生的姿态偏转和视线方向、学生的动作、学生的面部表情等。学习行为分析的目的是从这些数据中得到学生的实时学习状态和学习风格，以便教师能做出更好的决策并提供相关干预措施（注视、提醒等）、调动学生的积极性、激发学习动机、提高学生的学习效率。此外，学生在课堂教学中呈现的状态和获得的发展可作为评定课堂教学质量的重要依据。

2020年年底，党的十九届五中全会明确提出要建设高质量教育体系，到2035年建成教育强国。习近平在全国教育大会上指出，“教育是民族振兴、社会进步的重要基石，是功在当代、利在千秋的德政工程，对提高人民综合素质、促进人的全面发展、增强中华民族创新创造活力、实现中华民族伟大复兴具有决定性意义。教育是国之大计、党之大计。”当今世界正经历百年未有之大变局，教育必须主动变革，有所作为。然而，当前我国学校教育仍以班级授课制的集体化教学为主，应试升学要求高、班级人数规模大、学生课业负担重，教育规模化覆盖和个性化需求满足的基本矛盾依然突出。2018年4月，中华人民共和国教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，提出了“互联网+”条件下的人才培养新模式。2019年2月，中共中央、国务院印发了《中国教育现代化2035》，再次强调“利用现代技术加快推动人才培养模式改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合。”这一系列重要举措的实施，不仅表明国家对于技术赋能教育的认可，更为技术优化规模教育与个性化培养指明了方向。本项目构建了规模化教育与个性化培养的逻辑框架，并提出了具体的实施路径——通过对课堂内的学生进行头部姿态估计、视线估计、面部表情识别、人体姿态估计等，对上述结果进行多模态的数据融合，得到每个学生的实时学习状态，最终实现个性化学习。本书总结过去十余年课题组的实践经验，以期为国内探索实现规模化教育与个性化培养的有机结合提供一定的借鉴和指导。

江浙沪是我国基础教育发展水平较高的地区，同时，这些地区的教育现代化发展水平位于全国前列。以浙江省为例，2021年3月《浙江省教育领域数字化改革工作方案》被提出，全面落实国家智慧教育公共服务平台浙江省试点工作，组织建设区域和学校数字化改革创新试点项目，扩大优质数字资源的有效供给与应用，加快形成“全网互通、学段贯通、学研融通、教企联通”的省域智慧教育平台体系，努力提供惠及全民、覆盖全省的大规模个性化在线教育公共服务。

1.1.2 课堂学习行为分析是加快教育新基建的重要举措

2019年年初，中华人民共和国教育部印发《关于加强网络学习空间建设与应用的指导意见》，提出了利用空间开展基于数据的教育教学和学生综合素质评价，实现个性化教学和精准化施策，促进教育治理现代化；利用空间进行学习评价和问题诊断，开展差异性和个性化教学与指导，促进教育公平，提高教育质量。2021年3月，新华社发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》是我国开启全面建设社会主义现代化国家新征程的宏伟蓝图，内容丰富、意义深远。2018年4月，中华人民共和国教育部印发了《教育信息化2.0行动计划》，其指出“教育信息化是教育现代化的基本内涵和显著特征”。因此，教育信息化必将是教育事业“十四五”发展规划的一个聚焦点。

2021年7月，中华人民共和国教育部等六部门发布了《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出了构建创新应用新型基础设施，依托“互联网+教育”大平台，创新教学、评价、研训和管理等应用，促进信息技术与教育教学深度融合；开发基于大数据的智能诊断、资源推送和学习辅导等应用，促进学生个性化发展；开发基于人工智能的智能助教、智能学伴等教学应用，实现“人机共教、人机共育”，提高教育教学质量。此外，还提出了创新信息化评价工具，全面记录学生学习实践经历，客观分析学生能力，支撑各学段全过程纵向评价和德智体美劳全要素横向评价。推动学生数字档案在评价中的应用，转变简单以考试成绩为唯一标准的学生评价模式。教育部信息化专家组成员、东北师范大学教授钟绍春说：“教育数字化是实现高质量教育体系建设的根本保障和核心内驱力”，教育部信息化专家组成员、西北师范大学教育技术学院院长郭绍青提出：“教育数字化推动教育服务生态重组与再造”。

2021年7月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》，简称为“双减”政策。该政策指出，要全面压减作业总量和时长，减轻学生过重作业负担，把学生从机械、低效、繁重的学习方式中解放出来。2021年6月，教育部办公厅发布《关于成立校外教育培训监管司的通知》，宣布将成立校外教育培训监管司。该部门为直接面向基础教育阶段的教育培训监管部门，行业内的无序竞争乱象和“双减”政策的落地得到更好的监管和实施。2022年3月，国家智慧教育平台正式上线，教育部基础教育司司长吕玉刚介绍：“新平台凸显了服务‘双减’工作的需要，进一步加强了优质教育资源的建设与汇聚。”教育部党组书记、部长怀进鹏强调：“要以平台开通为契机，紧紧抓住数字教育发展战略机遇，以高水平的教育信息化引领教育现代化”。2022年7月，教育部办公厅印发《国家智慧教育公共服务平台接入管理规范（试行）》，该文件加快推进教育数字化转型，促进教育高质量发展，并加强了对接入国家智慧教育公共服务平台的各级管理。

1.1.3 课堂学习行为分析是促进教育“以人为本”发展的重要举措

随着互联网的进步与发展，教育行业愈发强调“以人为本”，并且越来越重视学生在学习过程中的主体地位。对于如何明确学生的“实际需求”，美国非常有名的教育学家泰勒最早提出“教育评价”的概念。2020年10月，中共中央、国务院印发的《深化新时代教育评价改革总体方案》指出“坚持科学有效，改进结果评价，强化过程评价，探索增值评价，健全综合评价，充分利用信息技术，提高教育评价的科学性、专业性、客观性。”这为深度学习技术促进学习指明了方向。本书将信息技术与教育教学深度融合，得到学生的课堂学习状态，即过程评价，以促进学科教学，并促进学生的认知发展和学业水平的提高。2022年年初，中华人民共和国教育部提出了“实施教育数字化战略行动”，并要求“强化需求牵引，深化融合、创新赋能、应用驱动，积极发展‘互联网+教育’，加快推进教育数字转型和智能升级。”

1.1.4 其他国家在“人工智能+教育”领域的行动计划

2020年，欧盟发布的《数字教育行动计划（2021—2027年）》提出“发展高绩效的数字教育生态系统”和“提高数字化转型的数字技能和能力”两大战略及十三项行动计划，支持各成员国的教育和培训系统可持续和有效地适应数字时代新的发展与变化。该计划部署了大量的数字技术，将学生具备数字能力作为战略重点，提出了需要关注基础设施、师生技能、内容、课程、评估等教育的方方面面。2022年7月，欧盟出台《教育培训数字化转型的关键点》一文，该文强调了实现教育数字化转型需要遵循的十项原则。2022年4月，美国发布的《2022地平线报告：教与学版》从重塑未来教与学的五大趋势、教与学六项关键技术、四大教与学场景、应对举措四个维度描绘了未来教与学。2019年4月，英国教育部发布《教育技术战略：释放技术在教育中的潜力》指导文件，提出了一系列行动计划，旨在推动教育数字化转型和发展教育科技。2021年12月，英国政府发布了《2022年国家网络空间战略》，以强化英国的网络空间安全、保护和促进网络空间利益。通过教育领域新技术的开发和融合，在减少非教学工作量、增强教学效果的同时，缩小数字鸿沟，促进教育公平。

“新加坡学生学习平台”是新加坡教育部打造的全国性在线学习平台，所有学生都可以从该平台获取从小学到大学主要学科的相关学习资源，并根据自己的兴趣和需要灵活学习。教师也可以通过该平台分享教学经验。2021年3月，日本出台了《科学技术创新基本计划》，该计划着力强调教育的数字化转型，系统推进STEM教育。当前日本的教育改革，旨在通过信息教育培养学生的学习能力和面向社会5.0时代的生存能力。2022年2月，韩国教育部制定了《2022年教育信息化实施计划》，它的重点是将最新的智能技术融入教育信息化计划，打造以人工智能（AI）+ICBM（物联网IoT、云计算Cloud、大数据BigData、移动Mobile的缩写）为基础的信息通信技术（ICT）教育信息化框架。该框架是指教育信息化由“互联网+”转化为“AI+”，利用AI技术实现以人为中心的智能化教育。此外，印度国家教育研究与培训委员会开发出用于展示和传播的所有教育电子资源，包括教科书、音频、视频、期刊等，并放在印度中央教育技术研究所官网首页，为全印度提供在线教育服务。南澳大利亚推出了“数字化战略”（2022—2025年），旨在“利用数字技术为K-12阶段学校提供世界一流教育，帮助青少年儿童在数字世界中茁壮成长”。该战略的未来教育图景：开展数字化教学，让所有学生拥有良好的数字学习体验；增强各级学校的数据能力，并不断改进；所有教育工作者都具备富有成效的工作所需的技术和数字能力，为教育系统提供世界一流的政策、计划和服务。世界各国在“人工智能+教育”领域的政策文件如图1-1所示。

图1-1 世界各国在“人工智能+教育”领域的政策文件