一种课堂教学效果检测系统及其检测方法

1.本发明属于教育教学管理硬件设施的技术领域。更具体地说本发明涉及一种课堂教学效果检测系统。本发明还涉及该检测系统的检测方法。


背景技术：

2.目前，教师的课堂教学效果一般是通过学生的课堂反应，学生的考试成绩、课后问卷调查等方式进行综合评价。
3.其中，考试成绩反应的是学生对课堂教学内容掌握情况，但是其是对教学效果来说是滞后的，即使学生对学习内容掌握的不好，也与事无补；
4.问卷调查方式较为主观，无法完全真实客观的反应课堂教学效果；
5.而学生的课堂现场状态能够及时反应较为客观、真实，如果能够及时掌握现场教学效果，对老师的教学工作最有帮助。但由于学生人数较多，教师无法兼顾到每个人的课堂反应。
6.现在，虽然公开的文献资料中有一些关于教学效果现场检测的思路，但是，都仅仅限于构思，没有具体应用的实例。
7.如中国专利文献：“辅助现实在实验室远程服务、教学、现场管理中的装置”(202010165429.1)，其技术方案是：
8.一种辅助现实在实验室远程服务、教学、现场管理中的装置，包括头戴设备、手部控制装置和身体震动装置，头戴设备包括电源、显示屏、气味装置、声音装置和蓝牙装置，电源用于提供头戴设备电力，显示屏用于播放不同场景，蓝牙装置用于连接手部控制装置和身体震动装置，手部控制装置，身体震动装置包括电源、震动器、固定装置和蓝牙装置，电源用于提供电能，固定装置用于固定于人体身体上，蓝牙装置用于接受头戴设备电信号，头戴设备信号连接有数据库。
9.显然，该技术方案的应用受到设备的限制，难以推广应用。


技术实现要素：

10.本发明提供一种课堂教学效果检测系统，其目的是提高课堂教学效果。
11.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
12.本发明的课堂教学效果检测系统，包括处理器、人体姿态装置、面部识别装置、监视器、报警器、终端；所述的人体姿态装置、面部识别装置、监视器、报警器、终端分别通过信号线路与处理器连接；所述的处理器接收人体姿态装置、面部识别装置的信号；所述的处理器向监视器、报警器发送信号；所述的处理器与终端进行信号交互。
13.所述的监视器与终端通过信号线路连接；所述的监视器向终端发送信号。
14.所述的面部识别装置包括：获取模块、识别模块和处理模块。
15.所述的获取模块用于获取第一预设时长内的n帧图像，其中，每帧图像包括至少一个面部检测区域；n为正整数；所述获取模块还用于基于面部检测模型，获取每帧图像中每
个面部检测区域对应的面部图像信息；
16.所述的识别模块用于对应每帧所述图像，将图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息输入不听课识别模型，得到每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果。
17.所述的处理模块根据每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果的数量和第一阈值范围，确定每帧图像的第二不听课识别结果；所述处理模块还用于当所述n帧图像的n个第二不听课识别结果中包括目标不听课识别结果的数量在第二阈值范围内时，确定所述第一预设时长内包括不听课面部。
18.所述的人体姿态装置包括行为检测平台、动作传感器，所述的行为检测平台包括视频采集层、视频识别层和识别输出层。
19.所述的视频采集层获得目标视频段；所述目标视频段为采集学生在教室中的行为视频；分析所述目标视频段的所属行为步骤，获取识别特征集合。
20.将所述的目标视频段输入所述的视频识别层中，根据所述识别特征集合对所述目标视频段中的每一视频帧进行特征定位，输出特征识别帧集合；判断所述特征识别帧集合是否满足预设特征识别率；若所述的特征识别帧集合满足所述预设特征识别率，获取行为检测指令；根据所述的行为检测指令，将所述特征识别帧集合输入所述的视频识别层中嵌有的行为变化检测模型中，获取用于标识行为变化异常的行为检测结果；
21.根据新增识别帧集合和所述的特征识别帧集合进行特征识别率计算，判断是否满足所述预设特征识别率；若不满足所述预设特征识别率，启动所述动作传感器对用户进行动作数据采集，获取实时传感数据；将所述的实时传感数据作为辅助数据源，输入所述视频识别层中进行行为变化检测。
22.为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供以上所述的课堂教学效果检测系统的检测方法，其技术方案是：
23.人体姿态装置对学生在课堂中的姿态进行感应，对应生成姿态感应信号；
24.面部识别装置对学生在课堂中的面部表情进行感应，对应生成面部表情感应信号；
25.处理器对姿态感应信号和面部表情感应信号进行处理，当姿态感应信号和面部表情感应信号同时触发的次数超过其对应阈值时，处理器记录次数并把监视器监视的视频一起上传到远程终端；
26.当学生课堂不良行为超过一定的次数，报警器就会报警，提示教师控制课堂秩序；
27.课后终端根据记录课堂不良行为的次数占到上课学生的百分比，来判断此次教学效果。
28.本发明采用上述技术方案，通过人体姿态装置和面部识别装置实现对学生的课堂不良行为进行感应识别，并将其与阈值进行比对，从而确定学生课堂上的课堂不良行为，当出现较多违纪行为时，会提醒教师要进一步把控课堂秩序和氛围，并最终把课堂上出现的课堂不良行为记录下来，更加客观地评测现场教学效果。
附图说明
29.附图所示内容分别是：
30.图1是本发明的检测系统模块框图；
31.图2是本发明的课堂教学效果检测方法的流程图；
32.图3是本发明的面部识别检测流程图；
33.图4是本发明的人体姿态检测流程图。
具体实施方式
34.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
35.如图1所示本发明的硬件结构，为一种课堂教学效果检测系统。本发明的要解决的问题是：根据学生在课堂上的行为、身体姿态、面部表情和总体课堂表现，进行感应和分析，检测课堂教学效果，进而提高课堂教学效果。通过对学生在课堂上的行为，包括身体姿态和面部表情进行感应和分析，检测课堂教学效果。
36.为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高课堂教学效果的发明目的，本发明采取的技术方案为：
37.本发明的课堂教学效果检测系统，包括：处理器、人体姿态装置、面部识别装置、处理器、监视器、终端。
38.人体姿态装置对学生在课堂中的姿态进行感应，对应生成姿态感应信号；面部识别装置对学生在课堂中的面部表情进行感应，对应生成面部表情感应信号；处理器对姿态感应信号和面部表情感应信号进行处理，当姿态感应信号和面部表情感应信号同时触发的次数超过其对应阈值时，处理器记录次数并把监视器监视的视频一起上传到远程终端。在课上，当学生课堂不良行为超过一定的次数，报警器就会报警，提示教师调整课堂纪律，课后终端根据记录课堂不良行为的次数占到上课学生的百分比来判断此次教学效果。
39.其中：
40.一、面部识别装置，如图3所示：
41.面部识别装置对学生在课堂中的面部表情进行感应，检测学生不听课面部表情。
42.所述的面部识别装置获取的每帧图像包括至少一个面部检测区域，n为正整数，将图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息输入不听课面部特征模型，得到每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课面部特征；
43.根据每帧图像中每个面部图像信息的不听课识别结果的数量和第一阈值范围，确定每帧图像的第二不听课特征识别结果；当所述n帧图像的n个第二不听课面部特征识别结果中包括目标不听课识别结果的数量在第二阈值范围内时，确定所述第一预设时长内包括不听课面部。
44.所述面部图像信息包括每个所述面部检测区域对应的子图像和每个所述面部检测区域对应的面部标识，所述面部识别装置的面部图像信息输入不听课学生的面部特征模型，得到每帧图像中每个面部图像信息，包括每个所述面部检测区域对应的子图像和每个所述面部检测区域对应的面部标识，
45.对应每帧所述图像，将图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息输入不听课识别模型，得到每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果，包括：将每帧图像中
的面部检测区域对应的子图像输入不听课识别模型，得到对每个子图像的不听课面部检测信息；对应每个所述面部标识，从所述n帧图像中分别获取所述面部检测区域对应的子图像的不听课面部检测信息，得到每个所述面部标识对应m个不听课面部检测信息，m为小于或等于n的正整数；确定每个所述面部标识对应m个不听课面部检测信息包括不听课面部信息的数量；根据每个所述面部标识对应不听课面部信息的数量和第三阈值范围，确定每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果。
46.所述面部识别装置：当所述不听课面部信息的数量在所述第三阈值范围内时，确定所述面部标识对应不听课面部信息，并将所述对应不听课面部信息对应的面部标识为目标标识；对应每帧图像，确定所述目标标识对应面部图像信息的第一不听课识别结果，包括目标不听课识别结果。
47.所述面部识别装置基于面部检测模型，获取每帧图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息，包括：根据所述面部检测模型识别每帧图像中包括的面部检测区域，确定每个所述面部检测区域对应的初始子图像和每个所述面部检测区域对应的面部标识；将每帧图像中面部检测区域对应的初始子图像的分辨率调整为目标分辨率，得到所述面部检测区域对应的子图像。
48.所述面部识别装置根据每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果的数量和第一阈值范围，确定每帧图像的第二不听课识别结果，包括：对应每帧图像，当所述第一不听课识别结果为目标不听课识别结果的数量在第一阈值范围内时，确定所述图像的第二不听课识别结果包括目标不听课识别结果。
49.所述面部识别装置，在当所述n帧图像的n个第二不听课识别结果中包括目标不听课识别结果的数量在第二阈值范围内时，确定所述第一预设时长内包括不听课面部之后，所述方法还包括：在获取第一预设时长的n帧图像与下一次获取第一预设时长的n帧图像之间的时间间隔为第二预设时长。
50.所述面部识别装置包括：获取模块、识别模块和处理模块。
51.其中：
52.获取模块：用于获取第一预设时长内的n帧图像，其中，每帧图像包括至少一个面部检测区域，n为正整数；所述获取模块，还用于基于面部检测模型，获取每帧图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息；
53.识别模块：用于对应每帧所述图像，将图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息输入不听课识别模型，得到每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果；
54.处理模块：用于根据每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果的数量和第一阈值范围，确定每帧图像的第二不听课识别结果；所述处理模块，还用于当所述n帧图像的n个第二不听课识别结果中包括目标不听课识别结果的数量在第二阈值范围内时，确定所述第一预设时长内包括不听课面部。
55.二、人体姿态装置，如图4所示：
56.人体姿态装置对学生在课堂中的姿态进行感应，检测学生不听课动作行为。
57.所述人体姿态装置包括：搭建行为检测平台，其中，所述行为检测平台包括视频采集层、视频识别层和识别输出层；
58.所述视频采集层，获得目标视频段，其中，所述目标视频段为采集学生在教室中的
行为视频；分析所述目标视频段的所属行为步骤，获取识别特征集合；
59.将所述目标视频段输入所述视频识别层中，根据所述识别特征集合对所述目标视频段中的每一视频帧进行特征定位，输出特征识别帧集合；判断所述特征识别帧集合是否满足预设特征识别率，若所述特征识别帧集合满足所述预设特征识别率，获取行为检测指令；根据所述行为检测指令，将所述特征识别帧集合输入所述视频识别层中嵌有的行为变化检测模型中，获取用于标识行为变化异常的行为检测结果；
60.将所述行为检测结果通过所述识别输出层进行输出。
61.所述人体姿态装置：所述特征识别帧集合是否满足预设特征识别率。
62.所述的检测方法还包括：若所述特征识别帧集合不满足所述预设特征识别率，获取特征添加指令；根据所述特征添加指令，对所述目标视频段进行新增特征分析，获取新增特征集合；根据所述新增特征集合对每一视频帧进行特征定位，输出新增识别帧集合；将所述新增识别帧集合对应添加至所述特征识别帧集合中。
63.所述人体姿态装置分析所述目标视频段的所属行为步骤，获取识别特征集合，所述方法还包括：通过对所述目标视频段进行所属行为步骤分析，按照各个行为步骤划分所述目标视频段，输出视频段划分结果；根据所述视频段划分结果，确定各个划分段对应的特征关键点，其中，所述特征关键点为学生在对应行为步骤中存在行为变化相关性的人体关键点；根据所述特征关键点，输出所述识别特征集合。
64.所述人体姿态装置的检测方法还包括：获取j个特征关键点，其中，所述j个特征关键点为每一行为步骤对应的视频段中存在行为变化的关键点；通过对所述j个特征关键点进行动态指数计算，获取j个动态指数；以所述j个动态指数，对所述j个特征关键点进行排序，输出关键点序列；将所述关键点序列中的首序作为所述特征关键点输出。
65.所述人体姿态装置将所述特征识别帧集合输入所述视频识别层中嵌有的行为变化检测模型中之前，所述方法还包括：通过对所述特征识别帧集合进行周期分析，获取周期节点集合；按照所述周期节点集合对所述特征识别帧集合进行周期节点标识，输出周期特征识别帧；将所述周期特征识别帧输入所述行为变化检测模型中进行行为变化检测。
66.所述人体姿态装置的检测方法还包括：
67.将所述特征识别帧集合输入所述行为变化检测模型中，根据所述行为变化检测模型，获取行为停滞性和行为轨迹性；根据所述行为停滞性和所述行为轨迹性进行异常概率计算，获取行为变化检测结果，其中，所述行为变化检测结果包括行为异常概率，用于标识行为变化异常的行为检测结果。
68.所述人体姿态装置还包括动作传感器，其检测方法包括：
69.根据所述新增识别帧集合和所述特征识别帧集合进行特征识别率计算，判断是否满足所述预设特征识别率；若不满足所述预设特征识别率，启动所述动作传感器对用户进行动作数据采集，获取实时传感数据；将所述实时传感数据作为辅助数据源，输入所述视频识别层中进行行为变化检测。
70.三、本发明的检测系统还包括：
71.处理器：对姿态感应信号和面部表情感应信号进行处理，当姿态感应信号与面部表情感应信号在同一时间内均检测到犯规行为的次数超过其对应阈值k1时，处理器就会记录次数n上报给远程终端。
72.监视器：把学生课堂不良行为保存并上传到终端。
73.报警器：当超过设定阈值k2，报警器报警。
74.终端：在课后记录课堂不良行为的总次数l占到上课学生人数m的百分比来判断此次教学效果。
75.所述报警器值k2取决于定时器设定最大值j与上课学生数m的比值，即k2＝j/m。
76.当学生课堂不良行为次数n超过报警器计时器设定最大值j，即超过阈值k2，报警器就会报警，提示教师调整课堂纪律，此时报警计时器就会重置为0，下一轮超过k2，就会再次报警，需再次调整课堂纪律。
77.四、本发明实现多课堂教学效果检测的方法主要包括以下步骤，如图4所示：
78.1、对考生在教学过程中的姿态进行感应，生成姿态感应信号；对考生在考试过程中的面部表情进行感应，生成面部表情感应信号；
79.2、处理器对姿态感应信息和面部表情信息进行处理，当姿态越界与面部表情装置在同一时间内均检测到犯规行为的次数超过其对应阈值k1时，记录次数n。
80.3、课上，当n/m大于报警器报警阈值k2，报警器报警，报警计时器重置，后面记录次数为当前n倍数时报警器就会报警。
81.4、课后，根据l/m的比值来判断本次教学效果，从而客观地反映课堂效果。
82.五、本发明的有益效果：
83.通过人体姿态装置和面部识别装置实现对学生的课堂不良行为进行感应识别，并将其与阈值进行比对，从而确定学生课堂上的课堂不良行为，当出现较多违纪行为时，会提醒教师要进一步把控课堂纪律，并最终把本次课堂出现的课堂不良行为记录下来，更加客观地评测本次教学效果。
84.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的检测系统包括处理器、人体姿态装置、面部识别装置、监视器、报警器、终端；所述的人体姿态装置、面部识别装置、监视器、报警器、终端分别通过信号线路与处理器连接；所述的处理器接收人体姿态装置、面部识别装置的信号；所述的处理器向监视器、报警器发送信号；所述的处理器与终端进行信号交互。2.按照权利要求1所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的监视器与终端通过信号线路连接；所述的监视器向终端发送信号。3.按照权利要求1所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的面部识别装置包括：获取模块、识别模块和处理模块。4.按照权利要求3所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的获取模块用于获取第一预设时长内的n帧图像，其中，每帧图像包括至少一个面部检测区域；n为正整数；所述获取模块还用于基于面部检测模型，获取每帧图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息。5.按照权利要求3所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的识别模块用于对应每帧所述图像，将图像中每个面部检测区域对应的面部图像信息输入不听课识别模型，得到每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果。6.按照权利要求3所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的处理模块根据每帧图像中每个面部图像信息的第一不听课识别结果的数量和第一阈值范围，确定每帧图像的第二不听课识别结果；所述处理模块还用于当所述n帧图像的n个第二不听课识别结果中包括目标不听课识别结果的数量在第二阈值范围内时，确定所述第一预设时长内包括不听课面部。7.按照权利要求1所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的人体姿态装置包括行为检测平台、动作传感器，所述的行为检测平台包括视频采集层、视频识别层和识别输出层。8.按照权利要求7所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：所述的视频采集层获得目标视频段；所述目标视频段为采集学生在教室中的行为视频；分析所述目标视频段的所属行为步骤，获取识别特征集合。9.按照权利要求8所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：将所述的目标视频段输入所述的视频识别层中，根据所述识别特征集合对所述目标视频段中的每一视频帧进行特征定位，输出特征识别帧集合；判断所述特征识别帧集合是否满足预设特征识别率；若所述的特征识别帧集合满足所述预设特征识别率，获取行为检测指令；根据所述的行为检测指令，将所述特征识别帧集合输入所述的视频识别层中嵌有的行为变化检测模型中，获取用于标识行为变化异常的行为检测结果。10.按照权利要求9所述的课堂教学效果检测系统，其特征在于：根据新增识别帧集合和所述的特征识别帧集合进行特征识别率计算，判断是否满足所述预设特征识别率；若不满足所述预设特征识别率，启动所述动作传感器对用户进行动作数据采集，获取实时传感数据；将所述的实时传感数据作为辅助数据源，输入所述视频识别层中进行行为变化检测。11.按照权利要求1至10中任意一项所述的课堂教学效果检测系统的检测方法，其特征在于：人体姿态装置对学生在课堂中的姿态进行感应，对应生成姿态感应信号；
面部识别装置对学生在课堂中的面部表情进行感应，对应生成面部表情感应信号；处理器对姿态感应信号和面部表情感应信号进行处理，当姿态感应信号和面部表情感应信号同时触发的次数超过其对应阈值时，处理器记录次数并把监视器监视的视频一起上传到远程终端；当学生课堂不良行为超过一定的次数，报警器就会报警，提示教师控制课堂秩序；课后，终端根据记录课堂不良行为的次数占到上课学生的百分比，来判断此次教学效果。

技术总结
本发明公开了一种课堂教学效果检测系统，包括处理器、人体姿态装置、面部识别装置、监视器、报警器、终端；人体姿态装置、面部识别装置、监视器、报警器、终端分别通过信号线路与处理器连接；处理器接收人体姿态装置、面部识别装置的信号；处理器向监视器、报警器发送信号；处理器与终端进行信号交互。本发明还公开了该检测系统的检测方法。采用上述技术方案，对学生的课堂不良行为进行感应识别，并将其与阈值进行比对，从而确定学生课堂上的课堂不良行为，当出现较多违纪行为时，会提醒教师要进一步把控课堂秩序和氛围，并最终把课堂上出现的课堂不良行为记录下来，更加客观地评测现场教学效果。果。果。


技术研发人员：王羲献 徐伟凡 李津津 潘玥 刘正男
受保护的技术使用者：安徽信息工程学院
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/9/20