CN104575142A - 体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室 - Google Patents

体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室 Download PDF

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CN104575142A CN201510047546.7A CN201510047546A CN104575142A CN 104575142 A CN104575142 A CN 104575142A CN 201510047546 A CN201510047546 A CN 201510047546A CN 104575142 A CN104575142 A CN 104575142A
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    • G09B5/00Electrically-operated educational appliances
    • G09B5/08Electrically-operated educational appliances providing for individual presentation of information to a plurality of student stations
    • G09B5/14Electrically-operated educational appliances providing for individual presentation of information to a plurality of student stations with provision for individual teacher-student communication

Abstract

体验式数字化多屏无缝跨媒互动开放教学实验室,集测试、研究、分析于一;在真实的教学环境中进行实验与数据分析;在多屏互动技术的支持下,实验室功能分区、运行支持系统、数据工作系统、实验信息采集系统、音视频输入输出设备;实现多种移动终端之间的甩屏功能;数据工作系统中包括服务器、数据库、教育资源云、泛在教学系统、学习分析评估系统,移动设备、跨屏管理模块,录播系统和互联网;提供了跨媒多屏无缝互动的学习空间,融入全息影像、多屏互动、学习分析等技术,实现物理空间与虚拟空间的无缝融合。实现从正式学习到非正式学习、多种学习模式、跨终端跨媒等支撑技术的无缝融合,为学习者提供了良好的学习验。

Description

体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室
技术领域
本发明涉及IPC国际专利分类G09B教育或演示用具设备装置或B01L通用化学或物理实验室设备,尤其是体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室。
背景技术
随着新时期教学的发展,实验室在教学中发挥着越来越重要的作用。实验课是一种常见的理科教学方法。主要是通过现场的实验进行教学,根据实验操作者的不同可分为:教师演示、学生动手、师生协作三类。实验教学法具有以下优点:(1)教学过程直观、明了、生动,易引起学生兴趣。(2)便于加深学生对有关学习内容的理解,加强学生对相关知识的记忆。(3)可以充分的调动学生的积极性,使学生主动地参与到学习过程中去。
虽然实验课优点众多,但实验课所用设备比较贵重,学校建立一个科学探究实验室需要很大的资金,对于偏远地区或实验条件较差地区的学校,由于缺少资金,很难建立科学探究实验室,这些地区的学生也无法享受先进水平的实验课程。传统教学模式受教学经费的限制,很难随时随地带领学生实地讲解。而增加一些实地教学设施,但在资金成本上投入很大,而且这些投入并不能重复利用。在这一方面,传统教学方式明显存在不足。
随着信息技术的发展广播、电视、网络必将在一个平台上统一,跨媒体将成为媒体发展主流。如:利用计算机技术存储和处理信息的电子媒体将取代容量小、成本高、复制困难、不易保存的平面媒体,如报纸、杂志等等。多媒体平台不但能提供声像图文并茂的新闻,而且还能提供电子商务、电子政务、电子公务、电子医务、电子教务等多种服务。信息产业的发展已经经历了3次浪潮,即以硬件为核心的浪潮、以软件为核心的浪潮和以网络为核心的浪潮,因此下一次浪潮应是信息采集、处理和传播的浪潮,也就是以多媒体新闻为核心的多种信息服务崛起的浪潮。
虚拟现实是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学,将计算机处理的数字化信息变为人们所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、听、触觉等作用于使用者,对使用者的控制行为作出动态的交互反应。传统的仿真技术很少研究人的感知模型的仿真,无法模拟人对外界环境的感知--听觉、视觉、触觉,而虚拟现实带来了人机交互的新概念和新方法,计算机模拟外界环境对人的感官刺激已经成为可能。随着网络通信速度的提高和带宽的扩展,信息社会对教育提出了新的需求,VR技术的研究已经从高投入的航天、军事领域开始进入教育领域,国内外都在加紧进行如何在教育领域使用虚拟现实的研究。虚拟现实技术涉及高等教育的各个学科,由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性,使用者能够沉浸其中、超越其上、交时交互,已显示其实用性和先进性,技术潜力巨大,应用前景广阔。采用虚拟现实和数字城市技术,则为传统教育观念和教育模式的转变提供了新的可能。采用虚拟现实和专业显示等先进的技术手段,建设实训模拟教学系统,将彻底解决以上学校目前面临的教学难题,并可大大降低学校的资金投入,成为学校信息化建设和教学模式的重要突破,也成为旅游、动漫专业实训的最重要、最有效的教学手段。
随着实验室教学的快速发展,实现试验教学的互动已经成为试验教学发展的大趋势。互动体验式教学的内涵是根据学生所处年龄段的心理特征,由教学环境境在恰当时机结合情景进行教学活动,从而使学生能够感受到较为真实的交流体验,以期使学生的各项素质和逻辑能力得到综合提升,使其感觉到教学活动与现实更加贴近。而互动体验式教学重视的是从环境入手来完成互动体验式教学。
现有的实验室互动教学是在实验室内安装视音频录入设备记录教师实验过程,教师在实验完成后,将录像内容放在校园网上,由学生下载后观看、实验,学生在实验过程遇到问题不能及时求教。实验过程问题不及时解答,导致实验后解答问题容易造成学生不理解,记不牢等,或者有些学生干脆不求教教师,教师不可能掌握每个学生学习情况,导致互动效果不好。而且,对于实验课技术,许多课程对画质的清晰度、色彩的还原性、动作的连续性有较高的要求,再者,现代教学中为给学生提供名师授课是市场的需要,但名师教师资源的匮乏,与学生的要求产生矛盾。再者,众多的学生可以通过虚拟的系统享受名师授课的优惠。
另一方面,目前的多媒体教学一般只采用一种显示器,所有的教学资源通过该显示器进行显示,然后输送给学生。这样给学生的学习带来了困难,增加了教学的时间,使得教学效率大大降低。新出现的泛在学习Ubiquitous(U-Learning),又名无缝学习、普适学习、无处不在的学习等,顾名思义就是指无时无刻的沟通,无处不在的学习,是一种任何人可以在任何地方、任何时刻获取所需的任何信息的方式。泛在学习(U-learning)是数字学习(e-learning)的延伸,克服了数字学习的缺陷或限制。由于移动通信技术的进步,移动学习(M-Learning)逐渐引入泛在学习体系。泛在学习(U-Learning),顾名思义就是指无时无刻的沟通,无处不在的学习,是一种任何人可以在任何地方、任何时刻获取所需的任何信息的方式。就是利用信息技术提供学生一个可以在任何地方、随时、使用手边可以取得的科技工具来进行学习活动的4A(Anyone,Anytime,Anywhere,Anydevice)学习。泛在学习需要创造智能化的环境让学生充分获取学习信息,这与让学生到图书馆或学校进行学习或通过网络获取学习信息有很大的差异。泛在学习的目标就是创造让学生随时随地、利用任何终端进行学习的教育环境,实现更有效的学生中心教育。在泛在学习环境中,学生根据各自的需要在多样的空间、以多样的方式进行学习,即所有的实际空间成为学习的空间。知识的获得、储存、编辑、表现、传授、创造等的最优化的智能化环境将提高人们的创造性和问题解决能力。
泛在学习体验受到泛在计算的支持,作为一种新型的学习理论体系,泛在学习的实现需要数字化技术环境和学习资源、整合多种教学模式和弹性、灵活的学习支持服务等多方面资源的支撑。同时泛在学习也依赖于跨媒体互动平台,即集成电子书、语音书、视频书、手机书、软件智能书等多种数字出版形式,整合书评、书摘、书讯、书友、博客等多种互动阅读功能,针对读者对一本书的内容需求,提供全方位、多形式的跨媒体互动阅读解决方案。而在跨媒体互动平台的诸备用显示终端之间还需要进行多屏无缝互接转换或同步,才能取得设计预定效果。
相关现有技术公开较少,例如中国专利申请201310059364.2公开了一种数字化局域网电机教学方法,通过组网方式将数字电机教学实训系统和教师及学生用电脑相互连接,并利用电机实训教学软件进行局域网内相互信息的传送和共享。
中国专利申请201210208824.9提供一种互动教学系统及方法,该互动教学系统包括教学内容发送器和教学内容接收器;所述教学内容发送器用于创建无线网络,发送教学信息至教学接收器输入端,并接收由教学内容接收器输出端反馈的信息;所述教学内容接收器通过所述无线网络与教学内容发送器连接,用于接收教学内容发送器发送教学信息,并将投票和课堂测试结果反馈给教学内容发送器。所述的教学内容发送器内安装有互动教学系统数据库,该数据库储存有互动教学系统的教学信息。可以通过互动教学系统,完成课堂测验、投票,并储存答题结果和进行统计显示,可以将作业任务和课程信息发到教学内容接收器,即时地保存在教学内容接收器中,起到提醒作用。
中国专利申请201310082778.7公开了一种云智慧教学助手系统,包括:云服务单元和教学助手单元,所述云服务单元和教学助手单元通过互联网连接,所述云服务单元包括云服务登陆单元和教学资源数据单元,所述教学助手单元包括教学资源引用单元和教学辅助单元,所述云服务登陆单元用于用户登陆并使用云服务单元,所述教学资源,所述教学资源数据单元用于存储教学资源,所述教学资源引用单元用于引用教学资源数据单元用的教学资源,所述教学辅助单元用于辅助学生学习教学资源。
中国专利申请201210156100.4公开了一种多媒体教学系统,包括:校园教学管理中心和教学主机,所述校园教学管理中心连接教学主机,所述教学主机连接信息投放装置,所述信息投放装置包括多个信息显示器,所述信息投放装置与信息显示器之间通过USB接口连接,所述信息显示器连接个人PC。
中国专利申请201310060908.7一种实验室互动教学系统,包括一个演播室和多个教室,演播室内包括有电源控制模块、演播室电源、演播室输入系统和演播室输出系统,教室内包括有教室电源、教室输入系统和教室输出系统,演播室输入系统与教室输出系统通讯连接,演播室输出系统与教室输入系统通讯连接,电源控制模块控制演播室电源与教室电源。本发明的实验室互动教学系统中演播室采用高清的音视频采集、控制、传输设备,经过通信链路传输到教室,教室具有高清的音视频显示、还原设备,并将教室的音视频图像实时传回到演播室。
中国专利申请201320228771.7数字化科学探究流动实验室教学系统,涉及数字化科学实验车的教学系统。包括大巴车,大巴车内上部是实验室,实验室下方是储物箱;实验室内两侧设置有一排实验台,在两排实验台后端设置有教学讲台,在实验室内还设置有理、化、生数字探究实验室设备、实验信息采集器和传感器;在实验室内还设置有通风系统,通风系统包括PVC风管和空调出风口百叶,PVC风管的出风端口位于实验室内后侧上部,PVC风管连接储物箱内的风机,在实验室侧壁设置有空调出风口百叶。
发明内容
本发明的目的是提供一种体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,是一个以信息技术为支撑,集教学、研究、测试、分析和创新于一体的开放教学研究服务平台。可以实现远程管理和维护,互动性好、便于学生掌握课程内容、提高授课质量并方便年轻教师的培养。
本发明的目的将通过以下技术措施来实现:实验室集测试、研究、分析于一体;实验室集多种教学模式于同一空间,在真实的教学环境中进行实验与数据分析;构建数字化教学资源的共建共享和云应用环境,可进行开放远程学习的各类学习模式的应用与测试;包括:提供智能的数字化教学环境,提供多种学习场景的展示和情景模拟,使用各类学习终端进行移动学习,使用多屏互动技术开展跨屏的协作学习,使用3D影像,幻影成像,增强现实等技术进行体验学习,并提供录播、直播及远程交流功能;包括:实验室功能分区、运行支持系统、数据工作系统、实验信息采集系统、音视频输入输出设备;在多屏互动技术的支持下,学习者可以通过不同终端设备,实现多种移动终端之间的甩屏功能;数据工作系统中包括服务器、数据库、教育资源云、泛在教学系统、学习分析评估系统,移动设备、跨屏管理模块,录存系统和互联网;运行支持系统与数据工作系统均与服务器连接,实验信息采集系统和音视频输入输出设备安装在实验室内;数据工作系统中服务器嵌入CPU架构,在网络方面以无线连接为主、有线为辅,使用带有RFID射频识别电子标签、红外数据通信端口、蓝牙端口等通信接口的移动设备,利用无线通信技术,在任何地点、任何时间学习任何自己感兴趣的内容。
尤其是,实验室功能分区包括:教学展示区、教学测试区、学生体验互动区、教育资源展示区、实验数据信息采集区和信息集成设备区;学生体验互动区位于教学测试区和实验数据信息采集区之间,信息集成设备区和教学展示区分别位于实验室的相对较远的两端。
尤其是,服务器包括教学业务层,教学业务层围绕教学业务功能,提供一个统一的管理平台来实现端到端的流程管理,协调各个环节的合作和提高管理效率,具有统一的人机交互界面,权限控制和用户管理等功能;教学业务层的数据层连接实时数据库和文档型数据库;实时数据库包括内存数据库或者内存缓存,用于实时响应非常高的热数据的管理,减少由于磁盘IO带来的影响,适用于流式技术的实时处理分析;文档型数据库主要功能特性有:面向集合存储,易存储对象类型的数据;模式自由;支持动态查询;支持完全索引,包含内部对象;支持复制和故障恢复;使用高效的二进制数据存储,包括大型视频对象;自动处理碎片,以支持云计算层次的扩展性;支持RUBY,PYTHON,JAVA,C++,PHP,C#等多种语言;文件存储格式为BSON;可通过网络访问。
尤其是,学习分析评估系统中包括基于脑波信息的学习效果评测子系统,通过脑波传感器测量出大脑的专注度和放松度,且能全过程记录,评价指标能够支持扩展增强,采用脑波传感,监测学生的学习专注度指标,能根据学生测试的准确度及回答每个问题所持续的时间来绘制脑电波专注力水平线,能够关联实验室现有的各类人的体态动作监测设备系统进行协同分析。
尤其是,音视频输入输出设备包括输入系统、输出系统、高清显示屏、音频矩阵、麦克风矩阵、喇叭矩阵、3D影像,输出系统包括跨屏管理模块、可视展现模块,跨屏管理模块控制展示环境中所有的屏幕,并能指定每块屏幕的显示内容,同时能将现场学员的学习终端当前显示内容在指定的屏幕上展示出来,实现从主流平板终端到大屏幕的跨屏切换功能,画面能够自适应屏幕分辨率要求,切换过程流畅,操作友好,能够自定义不同学习终端和显示屏幕之间的关联关系,实现“1对1”,“1对多”,“多对多”等组合方式,实现方法:技术核心是采用DLNA(Digital Living Network Alliance)协议,实现“甩屏”,达到实验室教学活动所需的效果,比如小组讨论,师生互动讨论等。可视展现模块对各类数据进行不同时间维度的同比、环比分析,业务系统产生的报表图按照折线、柱状图、饼图、散列图等方式来呈现;能提供多形式的第三方学习系统数据导入方式,如数据库、日志文件、excel、webservice接口;后台功能能够自定义建立数据结构,实时读取服务器端的数据,并展示在指定显示大屏上;具有文档资料的检索、保存和全生命周期管理能力,能够定期或者按期生成各种格式的报告。
尤其是,学习分析评估系统中包括多模式体验式开放学习支持系统,具有开放学习功能,可以充分调度实验室已有各类终端设备和屏幕设备,使学习者能充分体验微学习、MOOCs、移动学习、翻转课堂等不同学习模式,同时还能对学习者的学习过程进行管理;实验室中产生的各类学习资源可方便导入本系统中开展学习应用,产生的学习行为数据能输出到实验室已有的学习行为评估分析系统中进行深度分析;开放在线学习模块支持开放式全在线Moocs学习模式,提供用户在线学习过程管理,包括注册、计划安排、搜索功能、已选课程、课程收藏、电子证书、个人资料、密码管理、推荐课程、学习进展和学习测试等,并且在学生、老师用户之间提供类似社交网络方式的相互沟通、联系等服务管理功能;具有课程学习功能,包括公告、评价方式、课程大纲、授课影片、内容搜索、作业、讨论区、课程进度、意见调查等功能,并且能采用机器和助教结合的答疑辅导,线上作业测试的机器批卷;移动学习模块在开放在线学习模块基础上提供基于APP的远程自主移动学习功能以及在课堂环境中应用的师生现场互动控制功能,支持主流平板和手机等移动设备;开放在线学习支持多类型多模式学习方式,如自主学习、协作学习、案例学习、微学习、翻转课堂等,并能记录这些学习模式相关的学习数据用于分析,能对已有的一定数量的优质学习资源在本实验室平台上共享应用和研究。
尤其是,学习分析评估系统包括前端摄像采集系统:前端摄像采集系统通过前端高清摄像设备采集课堂实时图像,经服务器使用快速算法进行图像处理后,能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、头部、脸部、手、人体活动物体追踪等特殊功能展开工作;前端摄像采集系统由两套前置摄像机和两套头顶摄像机组成,从而形成立体的学习对象体位跟踪采集系统,在后台服务器进行矢量位移的迭代计算,建立课堂安静指数,并不断修正,达到丰富课堂行为数据样本库目的。
尤其是,学习分析评估系统包括行为采集模块、行为分析模块和效果评估模块,主要实现实时行为数据采集、分析、存储和归档。行为采集模块包括图像采集模块、环境声场音频采集模块、人体生物信息采集模块和网络痕迹采集模块:检测活动人体区域,完成多张图片活动区域的检测,完成PC机图像采集工作,将采集到的图片放入指定内存,以便系统程序快速处理。图像采集模块还包括人脸检测子模块、人眼定位子模块、形体判断子模块、判断头部特征子模块和追踪子模块;人脸检测子模块快速检测出类似人脸,人眼定位子模块检测出人眼,确定检测对象,形体判断子模块从图片中使用曲线检测,对类似人形做检测;判断头部特征子模块从图片中使用曲线检测,对类似头部做检测。追踪子模块追踪体态判断体态摇动、人物听课专注度;环境声场音频采集模块一方面采集实验室内教学活动音频数据,另一方面采集实验室内部以及外部传入的非教学音频数据;人体生物信息采集模块教学活动参与者的血压、心率、体温以及视听关注持续时间、姿势变化数据;网络痕迹采集模块采集教学活动参与者实验过程中的浏览习惯、词汇习惯、阅读和录入速度、音量等各类行为数据;采集过程:通过摄像机采集课堂实时图像,采用多帧点比较的方式,画出人物活动区域,从当前图像中,分析出肤色区域,判断人物位置移动数据,实时反馈相对体征位置变动数据,并能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、活动物体头部、脸部、手、人体等追踪;采集速度:图像采集速度不低于30帧/秒,数据处理反应速度可达10次/秒以上,可同时跟踪采集人数不少于50人;数据关联:学员取得的学习效果,通过课堂行为数据记录,考试测验成绩以及课后问卷等进行关联;历史数据保存:系统可同时进行录音、录像,可实现行为追溯功能;系统的可扩展性:系统可扩展支持其他教学行为的测试系统及设备接入;评测管理:能完成一套完整的教学行为评测指标体系并具备开放扩展的功能。
尤其是,学习分析评估系统根据网络痕迹采集模块数据,对于在线学习行为分析,能够实时采集数字化学习过程中学习者各类行为数据,并能根据数字化学习过程中产生的各类学习行为数据如浏览习惯、打开web方式等进行快速分析;能在已有学习平台共性学习行为分析基础上,建立在线学习行为模型。能够实时采集用户行为过程分析内容包括学习者个人信息、学习时间记录、学习区域分布、学习测试成果记录以及其他各类客观学习行为表现记录,采集量化学习者在线学习行为数据并存储到行为数据库中,并能够进行深度关联分析及挖掘和可视化展示;统计分析模块主要负责对数据库中的数据进行提取加工实现对学习者在线学习行为的实时统计分析,运用大数据、数据挖掘技术分析评估学习者的学习准备、学习风格、情感交流以及学习行为的有效性等方面的特征,能尽可能发掘出学习者行为背后的学习准备、学习动机、归因和自我效能感以及学习者所掌握的学习策略、学习模式选择等等,为教师和学生提供在线学习多视角的分析意见;系统能提供多形式的第三方学习系统数据导入方式,如数据库、日志文件、excel、webservice接口,支持大数据实时处理;提供依托互联网第三方开放分析平台对在线学习和资源平台开展插入代码方式的分析,提供互联网学习网页、移动应用、视频等各种学习对象的使用行为分析方式和分析流程,对前述提供的客观学习行为分析进行补充以实现完整的综合分析。
尤其是,学习分析评估系统具备开放学习资源分析评估功能,利用大数据技术进行智能统计分析建模,特征数据集包括学习资源的静态属性数据,学习资源应用数据,学习状态数据等。能自动获取实验室设备数据,如能耗、网络、行为分析等;能够完成对学习课件资源在不同教学模式,如微学习、MOOCs、移动学习、终身学习、翻转课堂等下的设计、制作、使用、维护升级的全过程的成效分析和评估。能够通过数据分析、数据挖掘技术,对已有数据信息进行深度分析,帮助教师分析影响学习资源应用成效因素,并对改进学习资源质量提出推荐意见。
尤其是,泛在教学系统包括教学素材库管理子系统、课程多媒体备课子系统、教师授课子系统、后台服务器数据管理和维护子系统,功能如下:
A、利用系统内教学素材,进行信息的添加或修改,无需以调用或链接等形式借助软件外素材进行实现;
B、课程播放时,备注知识信息内容自动弹出,作为教学知识点的提示;
C、支持在同一套软件系统平台内实现各种素材,包括视频、文字、图片、文档、FLASH、虚拟场景的分类统一管理,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
D、在同一软件系统内利用本软件素材库中的各类教学素材进行板书设计和编辑,无需调用或链接等形式借助软件外素材实现;
E、在同一软件内对板书页中的文字、图片、视频进行任意添加、删除、修改和调整位置。
F、在授权范围内,可在系统内新建示意图,也可对系统内保存的数据任意添加、删除和修改热键;
G、可利用系统内教学素材进行图片、高清影片、文字等信息的链接,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
H、可通过链接、热键模式、轨迹等编辑模式对课程进行分层设计;
I、可在系统内利用自由设计和编辑岗位的工作流程图;
J、可在系统内对流程节点进行任意添加、修改和删除;
K、可在系统内利用节点中的测试题设置关卡,辅助学生训练。
L、系统内设有时间轴,使用者能根据教学时间自由设置时间轴长短;
M、可在同一系统软件内的虚拟现实场景、图片、视频、文字、FLASH等教学素材有序整合,将其按照教学需要合理有序安排在时间轨道上,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
N、可将同一软件内的各种教学素材根据上课时间的长短,设置相应的时间刻度;
O、可在同一系统内对时间轨道上的教学素材进行排序和统一播放时间的调整,能够定时、定位的播放各种素材;
P、可对系统内的编排在时间轨道上的完整教案进行一键式播放,使教案可以按时间轨道编排顺序自动播放;
Q、可由用户进行手动方式控制、播放时间轨道上的的各类素材,实现教案的手动播放;
R、能够在播放和编辑某一形式的教学素材的同时,将其它素材嵌入其中,如播放虚拟现实场景时,在触点中插入高清影片、FLASH等。
S、可将教师授课情景同步录制下来,并且在环幕上与授课方案同步呈现,录制内容要包括课件播放情况,讲解人员表情动作和语音。
T、系统支持高清立体的全屏播放,最高能支持2560*768高分辨率立体影片的播放。
本发明的优点和效果:实验室提供了跨媒体多屏无缝互动的学习空间,教学活动参与者之间可以相互视频、音频的双向输入与输出。在多屏互动技术的支持下,融入全息影像、多屏互动、学习分析等技术,实现物理空间与虚拟空间的无缝融合。学习者可以通过不同终端设备,实现从正式学习到非正式学习的无缝融合、多种学习模式的无缝融合、跨终端跨媒体等支撑技术的无缝融合,为学习者提供了良好的学习体验,提升了学习者的学习成效。互动性好,并方便年轻教师的培养,充分开发个性化服务的乐趣,使教师在讲台上即可实时的宏观和微观地了解各位学生的学习实训情况,掌握教学状况。可以节约教育科学实验室装备的资金投入,达到最大限度的资源共享。
附图说明
图1为本发明实施例1中实验室功能分区结构示意图。
图2为本发明实施例1中工作结构关系示意图。
附图标记包括:实验室1、教学展示区2、教学测试区3、学生体验互动区4、教育资源展示区5、实验数据信息采集区6、信息集成设备区7;运行支持系统8、主控台9、电源控制模块10和通风设备11;数据工作系统12、服务器13、数据库14、教育资源云15、泛在教学系统16、学习分析评估系统17,移动设备18、跨屏管理模块19,录存系统20和互联网21。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明意在提出的一类开放教学数字化实验室是一套全新理念的教学研究服务平台,探索远程教育的先进理念、整合先进技术如何在教育上的融合;实验室集测试、研究、分析于一体;实验室集多种教学模式于同一空间,在真实的教学环境中进行实验与数据分析。因此在实验室的建设过程中应遵循以下几点设计原则:整体考虑-内外联动;差异化突显-形式新颖;人性化设计-内容明晰;趣味化风格-印象深刻。
本发明原理在于,构建数字化教学资源的共建共享和云应用环境,可进行开放远程学习的各类学习模式的应用与测试。包括:提供智能的数字化教学环境;提供多种学习场景的展示和情景模拟;使用各类学习终端进行移动学习;使用多屏互动技术开展跨屏的协作学习;使用3D影像,幻影成像,增强现实等技术进行体验学习;并提供录播、直播及远程交流功能;实验室空间包括“现代化教学展示”、“现代化教学测试”、“现代化教学分析与研究”的综合展示及实验平台,具有科技感,艺术感,新颖感,时尚感。以“教育资源云”为创意背景,设置“教学展示区”、“教学测试区”、“学生体验互动区”、“教育资源展示区”、“实验数据信息采集区”、“信息集成设备区”等功能区域。
下面将结合本发明的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明中包括:实验室1功能分区、运行支持系统8、数据工作系统12、实验信息采集系统、音视频输入输出设备。
其中,如附图1所示,实验室1功能分区包括:教学展示区2、教学测试区3、学生体验互动区4、教育资源展示区5、实验数据信息采集区6和信息集成设备区7;学生体验互动区4位于教学测试区3和实验数据信息采集区6之间,信息集成设备区7和教学展示区2分别位于实验室1的相对较远的两端。
如附图2所示,运行支持系统8与数据工作系统12均与服务器13连接,实验信息采集系统和音视频输入输出设备安装在实验室1内。
运行支持系统8包括主控台9、电源控制模块10和通风设备11。
数据工作系统12中包括服务器13、数据库14、教育资源云15、泛在教学系统16、学习分析评估系统17,移动设备18、跨屏管理模块19,录存系统20和互联网21;数据工作系统中服务器13嵌入CPU架构,在网络方面以无线连接为主、有线为辅,使用带有RFID射频识别电子标签、红外数据通信端口、蓝牙端口等通信接口的PDA、智能手机、笔记本电脑等移动设备,利用无线通信技术,在任何地点、任何时间学习任何自己感兴趣的内容。
学习分析评估系统17中还包括多模式体验式开放学习支持系统和学习效果评测子系统。
实验信息采集系统包括高清摄像设备以及各种专业实验数据采集设备。
音视频输入输出设备包括输入系统、输出系统、高清显示屏、音频矩阵、麦克风矩阵、喇叭矩阵、3D影像;配置高清显示屏,高清显示屏需要分辨率较高,尺寸大小适中。
在资源体验方面,实验室提供八大行星、人体奥秘等各类互动体验课件。支持翻转课堂、移动学习、MOOCS学习、游戏化学习等学习模式。同时还充分探索纸质教材、电子书包、在线课程相互融合的新型教学资源模式。
实验室还可以对数字化学习进行学习分析,利用实验室先进的设备,从网络环境、学习者行为体征、脑波、设备能耗等角度进行跨学科教学实验和评估分析。通过对各种数字化学习模式的学习行为进行数据采集与分析,将分析结果应用到课程优化、学习成效评估、学习质量保障、学习模式评价等方面。能对在线课程、微课、电子书包等教学产品进行用户体验测试,通过测试发现教学产品的使用效率、效能和用户满意度。结合眼动仪,追踪用户的视线轨迹、注视时间和兴趣区域等信息,提高用户体验数据的客观性。
录存系统20包括通讯连接的高清录像机与高清播放机,可以方便地录存课程内容,以便于后续学习和交流,而且通过网络传播,方便学生在家中下载课程内容,方便学习。
其中,泛在教学系统包括教学素材库管理子系统、课程多媒体备课子系统、教师授课子系统、后台服务器数据管理和维护子系统,功能如下:
A、利用系统内教学素材,进行信息的添加或修改,无需以调用或链接等形式借助软件外素材进行实现;
B、课程播放时,备注知识信息内容自动弹出,作为教学知识点的提示;
C、支持在同一套软件系统平台内实现各种素材,包括视频、文字、图片、文档、FLASH、虚拟场景的分类统一管理,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
D、在同一软件系统内利用本软件素材库中的各类教学素材进行板书设计和编辑,无需调用或链接等形式借助软件外素材实现;
E、在同一软件内对板书页中的文字、图片、视频进行任意添加、删除、修改和调整位置。
F、在授权范围内,可在系统内新建示意图,也可对系统内保存的数据任意添加、删除和修改热键;
G、可利用系统内教学素材进行图片、高清影片、文字等信息的链接,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
H、可通过链接、热键模式、轨迹等编辑模式对课程进行分层设计;
I、可在系统内利用自由设计和编辑岗位的工作流程图;
J、可在系统内对流程节点进行任意添加、修改和删除;
K、可在系统内利用节点中的测试题设置关卡,辅助学生训练。
L、系统内设有时间轴,使用者能根据教学时间自由设置时间轴长短;
M、可在同一系统软件内的虚拟现实场景、图片、视频、文字、FLASH等教学素材有序整合,将其按照教学需要合理有序安排在时间轨道上,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
N、可将同一软件内的各种教学素材根据上课时间的长短,设置相应的时间刻度
O、可在同一系统内对时间轨道上的教学素材进行排序和统一播放时间的调整,能够定时、定位的播放各种素材;
P、可对系统内的编排在时间轨道上的完整教案进行一键式播放,使教案可以按时间轨道编排顺序自动播放;
Q、可由用户进行手动方式控制、播放时间轨道上的的各类素材,实现教案的手动播放;
R、能够在播放和编辑某一形式的教学素材的同时,将其它素材嵌入其中,如播放虚拟现实场景时,在触点中插入高清影片、FLASH等。
S、可将教师授课情景同步录制下来,并且在环幕上与授课方案同步呈现,录制内容要包括课件播放情况,讲解人员表情动作和语音。
T、系统支持高清立体的全屏播放,最高能支持2560*768高分辨率立体影片的播放。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:开放教学数字化实验室为《星空探秘——太阳系的八大行星》泛在学习课件提供了跨媒体多屏无缝互动的学习空间。学习者在了解有趣的行星特征之外,还可以通过3D资源微课、增强现实AR、全息等数字多媒体的方式互动观察各个行星的运行轨迹及特征,实现无缝学习。
其中,增强现实(Augmented Reality,简称AR),是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术,也被称之为混合现实。是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术,将虚拟的信息应用到真实世界,并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中,从而实现对现实的增强。AR通常是以透过式头盔显示系统和注册(AR系统中用户观察点和计算机生成的虚拟物体的定位)系统相结合的形式来实现的。
学习场所:《太阳系的八大行星》课件所在的学习空间为开放教学数字化实验室,融合了正式学习和非正式学习,嵌入了丰富的信息呈现设备、传感设备和相应的计算机系统,增强了整个教学环境空间三维立体效果,并可实现课堂与远程环境下的实时交互与及时的学习分析。实验室中配备有各种屏幕,包括大屏幕、电视屏、弧幕、平板电脑、手机等多屏设备,并融入的全息影像、多屏互动、学习分析等技术,实现了物理空间与虚拟空间的无缝融合。
前述中,多屏设备是指不同的显示终端设备,智能手机、智能平板、PC、电视平板等,互动是指不同的终端设备之间的相互切换和控制。
该课件可以支持包括翻转课堂、移动学习、MOOCs在内的多种新型学习模式,充分支持正式和非正式学习场所。针对于移动学习者,课件中的移动学习模式减少了与实验室物理环境的实时交互设计,而融入了更为充分的远程学习支持服务,学习者可以通过学习平台,在家中、办公室、机场等任何场所,借助手机、平板、笔记本电脑等移动终端获取教学视频,开展学习测试和互动交流。
其中,MOOCs在线教育的一种典型实现方式,在线教育即e-Learning,或称远程教育、在线学习,现行概念中一般指的是指一种基于网络的学习行为,与网络培训概念相似。
在《太阳系的八大行星》泛在学习课件中,为了实现泛在学习的无缝学习理念,充分融入了多项新兴教学技术。在该泛在学习课件设计中,充分利用了学习空间中的全息影像系统、情景模拟系统等增强现实技术系统。为学习者提供一个体验式的学习环境。学习空间中的大屏幕和弧幕模拟太阳系氛围图,播放太阳系的运行动画;全息影像系统立体、动态地呈现八大行星的运行位置,为学习者创造一个三维、立体、互动的学习环境,营造沉浸式的学习氛围。比起传统课堂教学,增强现实不仅可以具有三维虚拟物件的优势,而且操作简单,能够提高学习者的注意力和学习效果。
在多屏互动技术的支持下,学习者可以通过不同终端设备,如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电视平板等设备,实现多种移动终端之间的甩屏功能。借助这种功能,学习者可以自由灵活地分享自己移动终端中的内容,形成终端设备之间的互联互通和不同屏幕之间的同步显示,使学习资源可以在教师、学生的各种终端设备中实现交互共享,满足泛在学习空间跨终端、跨边界等增强现实的支撑技术无缝融合。
其中,甩屏是手机最新开发的一项功能,当你需要某种功能的变化时,你轻轻甩动手机即可实现.比如你要换手机的开机壁纸时,不需要复杂的操作,甩一下手机就能换出一幅新壁纸。
同时,在整个学习过程之中,利用开放教育数字化实验室中的学习分析评估系统17,可以对学习者的学习过程进行全程跟踪记录,获取数据信息。记录数据可用于测试分析学习者的学习行为,为其提供及时的反馈,以进一步提升学习者的学习效果。而贯穿于学习过程中的学习支持服务,可以为学习者提供必要的帮助和引导,实现以学习者为中心的设计。
学习者特征:《太阳系的八大行星》课件的设计面向的是多层次的终身学习者。与普通课堂教学不同,泛在学习环境中的学习者特征更加丰富、多元化,而且学习目的明确、更加注重学习效率。因此,本课件的设计开发充分考虑了多层次终身学习者的特征。根据学习者多样化的特点,在教学设计中融入了多种学习模式,以满足用户不同的需求。课件设计也分为了不同版本,以支持不同学习环境中学习的有效性。同时,课件呈现形式灵活、直观,可以为学习者提供良好的学习体验,实现以用户为中心的个性化、社会化的无缝融合。
学习成效:在对《太阳系的八大行星》课件原型的学习成效评估中,本研究通过可用性测试方法对学习者代表进行了测试,结果显示:在泛在学习空间中,设计从正式学习到非正式学习的无缝融合、多种学习模式的无缝融合、跨终端跨媒体等支撑技术的无缝融合,为学习者提供了良好的学习体验,提升了学习者的学习成效。
前述中,学习分析评估系统17作为典型的教学行为评测系统,学习分析评估系统17能捕捉学习者在学习过程中的一些行为动作,并能根据这些行为动作的量化数据判断学习者当前学习状态。
学习分析评估系统17包括前端摄像采集系统:前端摄像采集系统通过前端高清摄像设备采集课堂实时图像,经服务器使用快速算法进行图像处理后,能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、头部、脸部、手、人体活动物体追踪等特殊功能展开工作;前端摄像采集系统由两套前置摄像机和两套头顶摄像机组成,从而形成立体的学习对象体位跟踪采集系统,在后台服务器进行矢量位移的迭代计算,建立课堂安静指数,并不断修正,达到丰富课堂行为数据样本库目的。
学习分析评估系统17包括行为采集模块、行为分析模块和效果评估模块,主要实现实时行为数据采集、分析、存储和归档。
行为采集模块包括图像采集模块、环境声场音频采集模块、人体生物信息采集模块和网络痕迹采集模块:检测活动人体区域,完成多张图片活动区域的检测,完成PC机图像采集工作,将采集到的图片放入指定内存,以便系统程序快速处理。
图像采集模块还包括人脸检测子模块、人眼定位子模块、形体判断子模块、判断头部特征子模块和追踪子模块;人脸检测子模块快速检测出类似人脸,人眼定位子模块检测出人眼,确定检测对象,形体判断子模块从图片中使用曲线检测,对类似人形做检测。判断头部特征子模块从图片中使用曲线检测,对类似头部做检测。追踪子模块追踪体态判断体态摇动、人物听课专注度。
环境声场音频采集模块一方面采集实验室内教学活动音频数据,另一方面采集实验室内部以及外部传入的非教学音频数据。
人体生物信息采集模块教学活动参与者的血压、心率、体温以及视听关注持续时间、姿势变化数据。
网络痕迹采集模块采集教学活动参与者实验过程中的浏览习惯、词汇习惯、阅读和录入速度、音量等各类行为数据。
例如:采集过程:通过摄像机采集课堂实时图像,采用多帧点比较的方式,画出人物活动区域,从当前图像中,分析出肤色区域,判断人物位置移动数据,实时反馈相对体征位置变动数据,并能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、活动物体头部、脸部、手、人体等追踪;采集速度:图像采集速度不低于30帧/秒,数据处理反应速度可达10次/秒以上,可同时跟踪采集人数不少于50人;数据关联:学员取得的学习效果,通过课堂行为数据记录,考试测验成绩以及课后问卷等进行关联;历史数据保存:系统可同时进行录音、录像,可实现行为追溯功能;系统的可扩展性:系统可扩展支持其他教学行为的测试系统及设备接入;评测管理:能完成一套完整的教学行为评测指标体系并具备开放扩展的功能。
其中,例如,高清显示大屏采用17块触摸或非触摸的大屏平板显示器,其中3台为46寸,用作教学成果显示;6台为42寸带触摸功能,用作交互演示;8台为42寸不带触摸功能,用作监测数据及报表图展示;分区域分类别地按照实验室科研活动或者教学活动的要求,展示各类数据、报表、报告、课件、教学研究成果等相关的视频、音频和图片内容。
学习分析评估系统17支持统一登录、用户使用同一用户名、密码可访问各应用子系统。学习分析评估系统支持单点登录统一身份认证;可简洁、方便地开发同各类应用系统的接口;支持在流程设计阶段可直接配置邮件服务;学习分析评估系统后台能够自定义建立数据库的数据结构,实时读取服务器端的数据,并展示在高清显示大屏指定显示区域。采用结构化和非结购化数据聚合技术,能够对原始数据按照规则和元数据模型以适当方式进行可视化展示。
输出系统包括跨屏管理模块、可视展现模块。跨屏管理模块控制展示环境中所有的屏幕,并能指定每块屏幕的显示内容,同时能将现场学员的学习终端当前显示内容在指定的屏幕上展示出来,实现从主流平板终端到大屏幕的跨屏切换功能,画面能够自适应屏幕分辨率要求,切换过程流畅,操作友好。能够自定义不同学习终端和显示屏幕之间的关联关系,实现“1对1”,“1对多”,“多对多”等组合方式。实现方法:技术核心是采用DLNA(Digital Living Network Alliance)协议,实现“甩屏”,达到实验室教学活动所需的效果,比如小组讨论,师生互动讨论等。
其中,DLNA(Digital Living Network Alliance)由索尼、英特尔、微软等发起成立、旨在解决个人PC,消费电器,移动设备在内的无线网络和有线网络的互联互通,使得数字媒体和内容服务的无限制的共享和增长成为可能,是通过WiFi无线连接方式,将不同操作系统的终端设备连接起来,组成一个无线局域网,终端设备之间可以相互操作,相互传输高清视频、音频、图片等内容,实现不同屏幕间的同步显示。
利用DLNA技术使用智能手机、PAD等移动设备将存储在服务器、NAS、手机或PAD中的媒体内容推送到大屏幕或智能电视机上或网内的其它电脑屏幕上供大家观看。
其中,网络接入服务器(Network Access Server,缩写为NAS)是远程访问接入设备。它位于公用电话网(PSTN/ISDN)与IP网之间,将拨号用户接入IP网;它可以完成远程接入、实现拨号虚拟专网(VPDN)、构建企业内部Intranet等网络应用。NAS网络连接存储-将储存设备连接到现有网络上,提供数据和文件服务。与客户通信通常采用NFS、CIFS协议。
通过不同配置支持不同学习终端和显示屏幕之间的关联关系,实现“1对1”,“1对多”,“多对多”等组合方式。
可视展现模块对各类数据进行不同时间维度的同比、环比分析,业务系统产生的报表图按照折线、柱状图、饼图、散列图等方式来呈现。能提供多形式的第三方学习系统数据导入方式,如数据库、日志文件、excel、webservice接口等。后台功能能够自定义建立数据结构,实时读取服务器端的数据,并展示在指定显示大屏上。具有文档资料的检索、保存和全生命周期管理能力。能够定期或者按期生成各种格式的报告。
数据关联采用多形式学习数据导入方式是开放教学资源实验室系统支持开放教学服务的重要功能。数据库提供人工数据导入,批量数据导入,以及导入日志查询功能,支持数据库、日志文件、excel,csv,word,webservce接口等各种形式。数据库按照设置的报告模版,创建各种报告,包括检测报告,按照需要的格式(PDF,Word)定期生成或者立即生成。
数据关联采用分布式大数据平台,运用云计算的SaaS服务交付、部署和使用的模式实现。
本实施例中,基于学习分析评估系统17以及开放教学的数字化泛在学习实验条件,利用先进的异构数据处理技术和人工智能等大数据挖掘工具,实现对学习资源和学习行为进行跟踪、数据采集与分析评估。平台具有开放性、集成性、可扩展性,采用软件即服务SaaS的云计算模式,充分利用云计算的应用虚拟化生成、发布和使用的全过程服务。支持MOOCs、微学习、翻转课堂、移动学习等多种学习模式下的学习资源、学习应用全方位的评估分析,建设一个多角度的学习分析评估系统17,具有完整的评估指标体系,且可编辑、可扩充、可导入。系统可采集学生在学习过程中的各类数据,并分析评估提供智能化的分析。具备扩展为大数据存储云计算资源池的能力,适合运行在commodity hardware通用硬件上的分布式文件系统。能提供高吞吐量的数据访问,适合大规模数据集上的应用。满足大规模网上教学的海量数据的要求。用于保存历史数据、行为数据、档案数据、原始资料数据等使用频度较低的冷数据。
本实施例中,学习分析评估系统17根据网络痕迹采集模块数据,对于在线学习行为分析,能够实时采集数字化学习过程中学习者各类行为数据,并能根据数字化学习过程中产生的各类学习行为数据如浏览习惯、打开web方式等进行快速分析。能在已有学习平台共性学习行为分析基础上,建立在线学习行为模型。能够实时采集用户行为过程分析内容包括学习者个人信息、学习时间记录、学习区域分布、学习测试成果记录以及其他各类客观学习行为表现记录,采集量化学习者在线学习行为数据并存储到行为数据库中,并能够进行深度关联分析及挖掘和可视化展示。统计分析模块主要负责对数据库中的数据进行提取加工实现对学习者在线学习行为的实时统计分析,运用大数据、数据挖掘技术分析评估学习者的学习准备、学习风格、情感交流以及学习行为的有效性等方面的特征,能尽可能发掘出学习者行为背后的学习准备、学习动机、归因和自我效能感以及学习者所掌握的学习策略、学习模式选择等等,为教师和学生提供在线学习多视角的分析意见。系统能提供多形式的第三方学习系统数据导入方式,如数据库、日志文件、excel、webservice接口等,支持大数据实时处理。提供依托互联网第三方开放分析平台对在线学习和资源平台开展插入代码方式的分析,提供互联网学习网页、移动应用、视频等各种学习对象的使用行为分析方式和分析流程,对前述提供的客观学习行为分析进行补充以实现完整的综合分析。
另外,学习分析评估系统17具备开放学习资源分析评估功能,利用大数据技术进行智能统计分析建模,特征数据集包括学习资源的静态属性数据,学习资源应用数据,学习状态数据等。能自动获取实验室设备数据,如能耗、网络、行为分析等;能够完成对学习课件资源在不同教学模式,如微学习、MOOCs、移动学习、终身学习、翻转课堂等下的设计、制作、使用、维护升级的全过程的成效分析和评估。能够通过数据分析、数据挖掘技术,对已有数据信息进行深度分析,帮助教师分析影响学习资源应用成效因素,并对改进学习资源质量提出推荐意见。
同样的,数据库能够适用于实验室资源平台产生的课件资源,并且,实验室以及学习分析评估系统建有一套完整的评估策略和数据分析指标体系,在接口标准统一的规范内,具备开放的独立的课件资源的审计和分析评估。评估策略和数据分析指标体系可预置、可扩展、具有与平台历史数据的聚合和关联能力。系统可按照设定的机制,自动或周期性生成评估报告。数据库建立开放学习资源评估分析的参考资料库,支持协作和开放,包括创建新条目、编辑现有条目,或者为条目增加插图等。
服务器包括教学业务层,教学业务层围绕教学业务功能,提供一个统一的管理平台来实现端到端的流程管理,协调各个环节的合作和提高管理效率,具有统一的人机交互界面,权限控制和用户管理等功能;教学业务层的数据层连接实时数据库和文档型数据库;实时数据库包括内存数据库或者内存缓存,用于实时响应非常高的热数据的管理,减少由于磁盘IO带来的影响,适用于流式技术的实时处理分析;文档型数据库主要功能特性有:面向集合存储,易存储对象类型的数据;模式自由;支持动态查询;支持完全索引,包含内部对象;持查询;支持复制和故障恢复;使用高效的二进制数据存储,包括大型视频对象;自动处理碎片,以支持云计算层次的扩展性;支持RUBY,PYTHON,JAVA,C++,PHP,C#等多种语言;文件存储格式为BSON;可通过网络访问。BSON为一种JSON的扩展形式。
学习分析评估系统中包括基于脑波信息的学习效果评测子系统;通过脑波传感器测量出大脑的专注度和放松度,且能全过程记录,评价指标能够支持扩展增强。采用脑波传感,监测学生的学习专注度指标。能根据学生测试的准确度及回答每个问题所持续的时间来绘制脑电波专注力水平线。能够关联实验室现有的各类人的体态动作监测设备系统进行协同分析。
学习分析评估系统17中包括多模式体验式开放学习支持系统;具有开放学习功能,可以充分调度实验室已有各类终端设备和屏幕设备,使学习者能充分体验微学习、MOOCs、移动学习、翻转课堂等不同学习模式,同时还能对学习者的学习过程进行管理。实验室中产生的各类学习资源可方便导入本系统中开展学习应用,产生的学习行为数据能输出到实验室已有的学习行为评估分析系统中进行深度分析。开放在线学习模块支持开放式全在线Moocs学习模式,提供用户在线学习过程管理,包括注册、计划安排、搜索功能、已选课程、课程收藏、电子证书、个人资料、密码管理、推荐课程、学习进展和学习测试等,并且在学生、老师用户之间提供类似社交网络方式的相互沟通、联系等服务管理功能。具有课程学习功能,包括公告、评价方式、课程大纲、授课影片、内容搜索、作业、讨论区、课程进度、意见调查等功能,并且能采用机器和助教结合的答疑辅导,线上作业测试的机器批卷。移动学习模块在开放在线学习模块基础上提供基于APP的远程自主移动学习功能以及在课堂环境中应用的师生现场互动控制功能,支持主流平板和手机等移动设备。开放在线学习支持多类型多模式学习方式,如自主学习、协作学习、案例学习、微学习、翻转课堂等,并能记录这些学习模式相关的学习数据用于分析。能对已有的一定数量的优质学习资源在本实验室平台上共享应用和研究。
作为数据库资源的进一步开发利用,实验室根据学习分析评估系统17提供已有的一定数量的可应用于开放教学数字化学习的创新模式案例和数据,集成到系统中供学习者体验和研究。这一工作的实现方法包括;采用分布式大数据平台,运用云计算的SaaS服务交付、部署和使用的模式,围绕教学业务功能,提供一个统一的管理平台来实现端到端的流程管理,协调各个环节的合作和提高管理效率。统一的人工交互界面,权限控制和用户管理等功能。
本实施例中,能够为教师及研究人员在实验室环境中提供高水平的数字化学习评测和资源制作的技术环境,并提供多模式的开放学习体验支持。利用该系统可以探索创新教学资源基于云计算模式的教学模式,实现在互联网、移动互联网等不同网络使用环境下针对文字、图像、声音跨媒体、跨PC和智能终端终端或跨Windows、IOS、Android、Linux平台的课件制作、管理、评测与分析体系。
本实施例具有开放性、集成性、可扩展性。平台采用软件即服务SaaS的云计算模式。充分利用云计算的应用虚拟化生成、发布和使用的全过程服务,支持MOOCs、微学习、翻转课堂、移动学习等多种学习模式下的学习资源、学习应用全方位的可用性评估分析和基于脑波信息的学习效果评测系统。能提供学习者在实验室环境中体验不同新型学习模式,如微学习、MOOCs、移动学习、终身学习、翻转课堂等,开展各类实验学习活动。能对学生的学习过程进行记录,其数据能与开放教学数字化学习分析评估系统实现无缝对接,还可与以后开发的其它系统进行数据共享。系统架构具备支持PB(1015字节数)级海量教学资源管理的扩充能力。
本实施例中,设备间通讯以无线连接为主,通讯有线连接采用专业网络、视频线缆以及接插件采用聚乙烯绝缘,对绞组铜线编织,分屏蔽及总屏蔽,聚氯乙烯护套计算机电缆。
本实施例中,主控台9采用优质冷轧钢板,先磷化后静电喷涂,能防火、防盗、防电、防水等性能好;尺寸:1300*750*800;配套椅子1把。专业机柜采用钢制结构,防火性强;耐磨耐用;符合ANSI/EIA RS-310-D、IEC297-2、DIN41491;PART1、DIN41494;PART7、GB/T3047.2-92标准;兼容ETSI标准;尺寸:高1.8米、宽0.6米、深0.8米。
本实施例中,输入系统包括高清摄像设备和麦克风矩阵。高清摄像设备的摄像头采用CMOS传感器,视频录制像素高达1080p全高清视频拍摄;拍摄照片像素:高达1500万像素(软件增强效果);捕获幅面像素1920x 1080;视像解像度(分辨率)1920x 1080;最大帧数30帧/秒;接口USB。麦克风为超心型收音头,带有自动降噪功能,动圈式指向特征,阻抗600欧姆,立体声,频率范围:50-15000Hz;灵敏度:2.8mV/Pa±3dB。
本实施例中,输出系统包括音频输出、视频输出以及文字信息发布,其中视频输出包括三通道立体环幕系统。
音频输出包括调音台和功放设备、音箱,音箱支架可伸缩时尚支架,与音响配套。
调音台通道数:10;编组数:2;频率响应20Hz-20KHz±1dB;通道串音衰减度>80dBu;AUX辅助输出(组)2;主输出电压4V Max。
功放设备为立体声:8Ω500Wx2;立体声4Ω800Wx2;桥接8Ω1500W,频响20Hz-20KHz±0.5dB;产品尺寸(WxDxH mm):460x427x89,重量22KG;信噪比>98dB。
音箱功率:250W;8欧姆,高频率两分频1×12";频率范围:35Hz-18KHz(-10dB);频率响应:40Hz-18KHz(±3dB);灵敏度:98dB,75°×75°;120dB,375×355×620mm;重量:21KG。
三通道立体环幕系统包括高性能图像校正融合播放一体机、投影机、金属幕布、投影机吊架、立体眼镜。
高性能图像校正融合播放一体机;支持虚拟现实系统显示及高清多媒体播放;运行速度26帧/秒以上;同时预留多个设备接口,可随时接入各类操作设备;支持3通道主动和被动立体投影系统;支持16倍抗锯齿,32倍各项异性过滤;支持5.1声道环绕立体声效果;千兆高速以太网,保证高效实时连接;1T数据存储空间;图像输出总分辨率:2560*768;电压:180-260VAC,50HZ;预置投影机控制系统,可直接在主控机上对各投影仪组进行开关机;具备边缘融合,画面非线性矫正。各通道基色平衡功能;保证投影图像在环幕上进行无缝拼接;带1路VGA信号采集,支持学生端电脑屏幕画面在大环幕上切换显示;环幕上整屏显示一个windows窗口;三维虚拟现实场景与其它多媒体播放文件、windows程序同步播放,不需要矩阵切换;Windows窗口可在环幕的不同通道之间移动、缩放。环幕实现真正立体显示;除立体播放虚拟现实场景外,windows窗口、视频等非立体影像在环幕上也能立体播放。与宽屏显示器配合,所播放内容通过左眼、右眼两个通道分上下两层呈现在环幕上。色彩质量24位真彩色;带高清显示器1台。
投影机的显示技术采用德州仪器DLP®技术/XGADMD芯片;分辨率:1024x768(XGA),支持PC信号可达UXGA(1600x1200)60Hz;输出亮度(高亮模式):6600流明;对比度:3500:1(IMAGEAI);可显示色彩:1073.4百万色;投影镜头:F#1.77-1.93,f=28.6-34.3mm,1.2x倍手动缩放/光学变焦;投影尺寸(对角线):24.7-319.9寸(4:3);投射比:2.0~2.4:1(投影距离/屏幕宽度);数字梯形校正:±20°(垂直);影像格式:4:3,兼容16:9;扫描频率水平:15.31-90KHz/垂直:50-85Hz,120Hzfor3D;计算机兼容格式:UXGA,SXGA+,SXGA,XGA,SVGA,VGACompression,VESAstandards,PC;及Macintosh相容;视频兼容格式:HDTV(720p,1080i/p),SDTV(480i/p,576i/p),NTSC,PAL,SECAM;3D兼容性:影像信号:480i;电脑信号:1024x768/800x600/1280x720120Hz信号输出入接口:HDMI(支持声音输入)x1,DVI-Dx1,VGA(YPbPr/RGB)x2,S-VideoX1,Videox1,色差(YpbPr)x1;Mini-Jack立体声输入x3,Mini-Jack立体声输出x1,VGA-outx1,USB(TypeB,供遥控鼠标/维护)x1,mini-USB(USB显示)x1,UDB(TypeA,供U盘直读/无线简报)x1,RS-232(9pin)x1,RJ-45x1,+12V继电器输出x1;扬声器:8W扬声器x2;均匀度:85%;工作噪音:31dB(标准模式);灯泡规格:300W可换式高效能灯泡;灯泡寿命:3000小时(标准模式)/2000小时(高亮模式);整机功耗:545W(明亮模式)/小于0.5W(待机);额定电压:AC100-240V±10%,50/60Hz110VAC;体积(宽x深x高)/重量:997.5pxx772.5pxx372.5px/6.6kg;六台投影的亮度和色差一致,带高清接口。
金属幕布为正投弧形金属硬幕(尺寸可根据现场情况微调;含金属边框和支架及安装施工);幕面材料:无缝PVC;物理指标:幕基材料无缝PVC,圆柱度不大于3‰,表面粗糙度小于12.5μm,膨胀系数30X10-61/℃4;光学指标:增益1.0-3.0,视角:水平120°-160°,垂直170°,解像力大于100线对/mm,均匀度95%;弧长:8米。幕高:2.5,中心距:2米。
投影机吊架满足三通道立体投影系统,含6块偏振镜片;吊架白色。
立体眼镜为塑料偏光立体眼镜,45度/135度,滤光性97%以上。
本发明工作时,该实验室启动互动教学时通过服务器打开实验室电源,教师实验时高清摄像机将教师实验过程通过高清视频矩阵传输到实验室内的高清显示器上显示,教师的实验讲解语音由麦克风通过音频矩阵传输到喇叭上,使实验室的学生听到声音都一样高低;并且实验室内学生的实验过程由球式摄像机传输到标清视频矩阵,由标清视频矩阵显示到实验室内的电视墙,学生在实验过程遇到的问题,也由麦克风经过音频矩阵传输到实验室喇叭,教师针对学生的问题一一解答。
由此可见,本发明解决了目前互动教学系统应用传统思路下学生通过观看实验教学视频后再提问的缺点,以高清视频、音频技术呈现教师的实验过程,同时以标清视频、音频技术也反映学生的实验过程及遇到问题,以避免有些在教师无法照看下偷懒不动手做实验,事后通过其他同学了解实验目的,从而互动教学的效果。将以web2.0为核心的多种技术和功能整成到跨媒体互动平台。多种阅读方式结合多种互动方式,形成一个跨媒体的数字化互动教学环境。基于知识信息的获取、交流、表达,实现泛在在学。实验室内教学活动参与者之间可以相互视频、音频的双向输入与输出,互动性好、便于学生掌握课程内容、提高授课质量并方便年轻教师的培养。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,实验室集测试、研究、分析于一体;实验室集多种教学模式于同一空间,在真实的教学环境中进行实验与数据分析;构建数字化教学资源的共建共享和云应用环境,可进行开放远程学习的各类学习模式的应用与测试;提供智能的数字化教学环境,提供多种学习场景的展示和情景模拟,使用各类学习终端进行移动学习,使用多屏互动技术开展跨屏的协作学习,使用3D影像,幻影成像,增强现实等技术进行体验学习,并提供录播、直播及远程交流功能;包括:实验室功能分区、运行支持系统、数据工作系统、实验信息采集系统、音视频输入输出设备;在多屏互动技术的支持下,学习者可以通过不同终端设备,实现多种移动终端之间的甩屏功能;数据工作系统中包括服务器、数据库、教育资源云、泛在教学系统、学习分析评估系统,移动设备、跨屏管理模块,录播系统和互联网;运行支持系统与数据工作系统均与服务器连接,实验信息采集系统和音视频输入输出设备安装在实验室内;数据工作系统中服务器嵌入CPU架构,在网络方面以无线连接为主、有线为辅,使用带有RFID射频识别电子标签、红外数据通信端口、蓝牙端口等通信接口的移动设备,利用无线通信技术,在任何地点、任何时间学习任何自己感兴趣的内容;实验室功能分区包括:教学展示区、教学测试区、学生体验互动区、教育资源展示区、实验数据信息采集区和信息集成设备区;学生体验互动区位于教学测试区和实验数据信息采集区之间,信息集成设备区和教学展示区分别位于实验室的相对较远的两端。
2.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,服务器包括教学业务层,教学业务层围绕教学业务功能,提供一个统一的管理平台来实现端到端的流程管理,协调各个环节的合作和提高管理效率,具有统一的人机交互界面,权限控制和用户管理等功能;教学业务层的数据层连接实时数据库和文档型数据库;实时数据库包括内存数据库或者内存缓存,用于实时响应非常高的热数据的管理,减少由于磁盘IO带来的影响,适用于流式技术的实时处理分析;文档型数据库主要功能特性有:面向集合存储,易存储对象类型的数据;模式自由;支持动态查询;支持完全索引,包含内部对象;支持复制和故障恢复;使用高效的二进制数据存储,包括大型视频对象;自动处理碎片,以支持云计算层次的扩展性;支持RUBY,PYTHON,JAVA,C++,PHP,C#等多种主流语言;文件存储格式为BSON;可通过网络访问。
3.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,学习分析评估系统中包括基于脑波信息的学习效果评测子系统,通过脑波传感器测量出大脑的专注度和放松度,且能全过程记录,评价指标能够支持扩展增强,采用脑波传感,监测学生的学习专注度指标,能根据学生测试的准确度及回答每个问题所持续的时间来绘制脑电波专注力水平线,能够关联实验室现有的各类人的体态动作监测设备系统进行协同分析。
4.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,音视频输入输出设备包括输入系统、输出系统、高清显示屏、音频矩阵、麦克风矩阵、喇叭矩阵、3D影像,输出系统包括跨屏管理模块、可视展现模块,跨屏管理模块控制展示环境中所有的屏幕,并能指定每块屏幕的显示内容,同时能将现场学员的学习终端当前显示内容在指定的屏幕上展示出来,实现从主流平板终端到大屏幕的跨屏切换功能,画面能够自适应屏幕分辨率要求,切换过程流畅,操作友好,能够自定义不同学习终端和显示屏幕之间的关联关系,实现“1对1”,“1对多”,“多对多”等组合方式,实现方法:技术核心是采用DLNA(Digital Living Network Al liance)协议,实现“甩屏”,达到实验室教学活动所需的效果,比如小组讨论,师生互动讨论等。可视展现模块对各类数据进行不同时间维度的同比、环比分析,业务系统产生的报表图按照折线、柱状图、饼图、散列图等方式来呈现;能提供多形式的第三方学习系统数据导入方式,如数据库、日志文件、excel、webservice接口;后台功能能够自定义建立数据结构,实时读取服务器端的数据,并展示在指定显示大屏上;具有文档资料的检索、保存和全生命周期管理能力,能够定期或者按期生成各种格式的报告。
5.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,学习分析评估系统中包括多模式体验式开放学习支持系统,具有开放学习功能,可以充分调度实验室已有各类终端设备和屏幕设备,使学习者能充分体验微学习、MOOCs、移动学习、翻转课堂等不同学习模式,同时还能对学习者的学习过程进行管理;实验室中产生的各类学习资源可方便导入本系统中开展学习应用,产生的学习行为数据能输出到实验室已有的学习行为评估分析系统中进行深度分析;开放在线学习模块支持开放式全在线Moocs学习模式,提供用户在线学习过程管理,包括注册、计划安排、搜索功能、已选课程、课程收藏、电子证书、个人资料、密码管理、推荐课程、学习进展和学习测试等,并且在学生、老师用户之间提供类似社交网络方式的相互沟通、联系等服务管理功能;具有课程学习功能,包括公告、评价方式、课程大纲、授课影片、内容搜索、作业、讨论区、课程进度、意见调查等功能,并且能采用机器和助教结合的答疑辅导,线上作业测试的机器批卷;移动学习模块在开放在线学习模块基础上提供基于APP的远程自主移动学习功能以及在课堂环境中应用的师生现场互动控制功能,支持主流平板和手机等移动设备;开放在线学习支持多类型多模式学习方式,如自主学习、协作学习、案例学习、微学习、翻转课堂等,并能记录这些学习模式相关的学习数据用于分析,能对已有的一定数量的优质学习资源在本实验室平台上共享应用和研究。
6.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,学习分析评估系统包括前端摄像采集系统:前端摄像采集系统通过前端高清摄像设备采集课堂实时图像,经服务器使用快速算法进行图像处理后,能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、头部、脸部、手、人体活动物体追踪等特殊功能展开工作;前端摄像采集系统由两套前置摄像机和两套头顶摄像机组成,从而形成立体的学习对象体位跟踪采集系统,在后台服务器进行矢量位移的迭代计算,建立课堂安静指数,并不断修正,达到丰富课堂行为数据样本库目的。
7.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,学习分析评估系统包括行为采集模块、行为分析模块和效果评估模块,主要实现实时行为数据采集、分析、存储和归档。行为采集模块包括图像采集模块、环境声场音频采集模块、人体生物信息采集模块和网络痕迹采集模块:检测活动人体区域,完成多张图片活动区域的检测,完成PC机图像采集工作,将采集到的图片放入指定内存,以便系统程序快速处理。图像采集模块还包括人脸检测子模块、人眼定位子模块、形体判断子模块、判断头部特征子模块和追踪子模块;人脸检测子模块快速检测出类似人脸,人眼定位子模块检测出人眼,确定检测对象,形体判断子模块从图片中使用曲线检测,对类似人形做检测;判断头部特征子模块从图片中使用曲线检测,对类似头部做检测。追踪子模块追踪体态判断体态摇动、人物听课专注度;环境声场音频采集模块一方面采集实验室内教学活动音频数据,另一方面采集实验室内部以及外部传入的非教学音频数据;人体生物信息采集模块教学活动参与者的脑电波、血压、心率、体温以及视听关注持续时间、姿势变化数据;网络痕迹采集模块采集教学活动参与者实验过程中的浏览习惯、词汇习惯、阅读和录入速度、音量等各类行为数据;采集过程:通过摄像机采集课堂实时图像,采用多帧点比较的方式,画出人物活动区域,从当前图像中,分析出肤色区域,判断人物位置移动数据,实时反馈相对体征位置变动数据,并能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、活动物体头部、脸部、手、人体等追踪;采集速度:图像采集速度不低于30帧/秒,数据处理反应速度可达10次/秒以上,可同时跟踪采集人数不少于50人;数据关联:学员取得的学习效果,通过课堂行为数据记录,考试测验成绩以及课后问卷等进行关联;历史数据保存:系统可同时进行录音、录像,可实现行为追溯功能;系统的可扩展性:系统可扩展支持其他教学行为的测试系统及设备接入;评测管理:能完成一套完整的教学行为评测指标体系并具备开放扩展的功能。
8.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,学习分析评估系统根据网络痕迹采集模块数据,对于在线学习行为分析,能够实时采集数字化学习过程中学习者各类行为数据,并能根据数字化学习过程中产生的各类学习行为数据如浏览习惯、打开web方式等进行快速分析;能在已有学习平台共性学习行为分析基础上,建立在线学习行为模型。能够实时采集用户行为过程分析内容包括学习者个人信息、学习时间记录、学习区域分布、学习测试成果记录以及其他各类客观学习行为表现记录,采集量化学习者在线学习行为数据并存储到行为数据库中,并能够进行深度关联分析及挖掘和可视化展示;统计分析模块主要负责对数据库中的数据进行提取加工实现对学习者在线学习行为的实时统计分析,运用大数据、数据挖掘技术分析评估学习者的学习准备、学习风格、情感交流以及学习行为的有效性等方面的特征,能尽可能发掘出学习者行为背后的学习准备、学习动机、归因和自我效能感以及学习者所掌握的学习策略、学习模式选择等等,为教师和学生提供在线学习多视角的分析意见;系统能提供多形式的第三方学习系统数据导入方式,如数据库、日志文件、excel、webservice接口,支持大数据实时处理;提供依托互联网第三方开放分析平台对在线学习和资源平台开展插入代码方式的分析,提供互联网学习网页、移动应用、视频等各种学习对象的使用行为分析方式和分析流程,对前述提供的客观学习行为分析进行补充以实现完整的综合分析。
9.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,学习分析评估系统具备开放学习资源分析评估功能,利用大数据技术进行智能统计分析建模,特征数据集包括学习资源的静态属性数据,学习资源应用数据,学习状态数据等。能自动获取实验室设备数据,如能耗、网络、行为分析等;能够完成对学习课件资源在不同教学模式,如微学习、MOOCs、移动学习、终身学习、翻转课堂等下的设计、制作、使用、维护升级的全过程的成效分析和评估。能够通过数据分析、数据挖掘技术,对已有数据信息进行深度分析,帮助教师分析影响学习资源应用成效因素,并对改进学习资源质量提出推荐意见。
10.如权利要求1所述的体验式数字化多屏无缝跨媒体互动开放教学实验室,其特征在于,泛在教学系统包括教学素材库管理子系统、课程多媒体备课子系统、教师授课子系统、后台服务器数据管理和维护子系统,功能如下:
A、利用系统内教学素材,进行信息的添加或修改,无需以调用或链接等形式借助软件外素材进行实现;
B、课程播放时,备注知识信息内容自动弹出,作为教学知识点的提示;
C、支持在同一套软件系统平台内实现各种素材,包括视频、文字、图片、文档、FLASH、虚拟场景的分类统一管理,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
D、在同一软件系统内利用本软件素材库中的各类教学素材进行板书设计和编辑,无需调用或链接等形式借助软件外素材实现;
E、在同一软件内对板书页中的文字、图片、视频进行任意添加、删除、修改和调整位置;
F、在授权范围内,可在系统内新建示意图,也可对系统内保存的数据任意添加、删除和修改热键;
G、可利用系统内教学素材进行图片、高清影片、文字等信息的链接,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
H、可通过链接、热键模式、轨迹等编辑模式对课程进行分层设计;
I、可在系统内利用自由设计和编辑岗位的工作流程图;
J、可在系统内对流程节点进行任意添加、修改和删除;
K、可在系统内利用节点中的测试题设置关卡,辅助学生训练。
L、系统内设有时间轴,使用者能根据教学时间自由设置时间轴长短;
M、可在同一系统软件内的虚拟现实场景、图片、视频、文字、FLASH等教学素材有序整合,将其按照教学需要合理有序安排在时间轨道上,无需以调用或链接等形式借助软件外素材实现;
N、可将同一软件内的各种教学素材根据上课时间的长短,设置相应的时间刻度;
O、可在同一系统内对时间轨道上的教学素材进行排序和统一播放时间的调整,能够定时、定位的播放各种素材;
P、可对系统内的编排在时间轨道上的完整教案进行一键式播放,使教案可以按时间轨道编排顺序自动播放;
Q、可由用户进行手动方式控制、播放时间轨道上的的各类素材,实现教案的手动播放;
R、能够在播放和编辑某一形式的教学素材的同时,将其它素材嵌入其中,如播放虚拟现实场景时,在触点中插入高清影片、FLASH;
S、可将教师授课情景同步录制下来,并且在环幕上与授课方案同步呈现,录制内容要包括课件播放情况,讲解人员表情动作和语音;
T、系统支持高清立体的全屏播放,最高能支持2560*768高分辨率立体影片的播放。6 -->
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