CN109615961A - 一种课堂教学师生互动网络系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种课堂教学师生互动网络系统和方法，包括教师终端设备、网络服务器装置和学生终端设备，教师终端设备用于在上课时演示电子教案文档，采集教师讲课时的语音信息，同时拷贝电子教案文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成讲课视频信息，将讲课视频信息进行视频压缩编码后传输到网络服务器装置，共享到所有学生终端设备。学生终端设备对讲课视频信息解码播放。学生可发送文字或表情信息到教师终端设备，以弹幕形式进行滚动显示，以提醒教师及时调整讲课速度或进行针对性答疑。本发明可用于大、中小学课堂教学，避免老师和学生之间的脱节，从而提高教学效率和教学质量。

Description

一种课堂教学师生互动网络系统与方法

技术领域

本发明涉及互动网络教学技术领域，具体涉及一种课堂教学师生互动网络系统和方法，特别适用大、中小学课堂教学，有益于促进教学过程中师生互动，避免教师和学生之间的脱节，从而提高教学效率和效果。

背景技术

目前虽然在绝大多数学校中，有线和无线网络已经覆盖整个校园，但是占绝对主导地位的仍然是在固定时间固定教室授课的面对面传统教学模式。换句话说，在校园日常教学中网络教学仅仅是一种可有可无的补充手段，主要应用于精品课堂展示、中小学生课外辅导等。造成这种现象的原因一方面在于目前网络教学实时性差，数据量大，例如以录制和传输老师讲课的高清影像为主的典型网络教学模式，由于高清影像数据量非常大，如果全校所有课堂同时采用网络授课，向全校成千上万的学生同步传输高清影像，可能导致校园网严重卡顿甚至崩溃。另一方面在于现有网络教学与传统面对面的教学模式相比，并没有带来更多的内涵，从而促进教学效果的提升，相反师生更加缺乏直观互动。因此网络教学目前只是偶尔为之的一种补充教学手段，网络系统在日常课堂教学过程中所起作用非常小。

另外在教学方法上，虽然电子教学手段已经在很大程度上取代传统教学手段，教室前面的大屏幕取代了传统黑板，以老师讲课过程中使用最多的PPT为例，无论在美观上、使用方便性上，还是速度上，PPT都远超以前的手工黑板书写，但教学手段的升级并没有带来教学效果的显著提高，有些问题甚至比以前更加严重，例如老师与学生的脱节。轻击鼠标，PPT一瞬之间就可以翻动一页，而以前老师手工黑板板书要写半天。学生还来不及消化旧的知识点，新的知识点又开始了。知识一环扣一环，特别讲究内在逻辑连贯性。久而久之，学生抱怨老师，讲得太难，听不懂，不愿学习。老师同时也抱怨学生太懒，太笨，不好好学习。于是老师教得累，学生学得苦，互相埋怨。而造成这一现象的根本原因就在于老师和学生的脱节，即老师输出知识的速度和学生接收知识的速度不匹配。

老师和学生的脱节有其客观的物理原因，那就是知识是不可见的。老师教学生和父母喂小孩非常相似。父母喂小孩，速度快了，会溢出，小孩会咳嗽、哭闹，父母于是自动放慢速度。老师教学生，速度快了，也会溢出，但老师看不见知识流动的轨迹，即使溢出了老师还在滔滔不绝自顾自地讲，因为老师要按时完成教学进度。在信息社会，海量信息每时每刻都在网络上从一个终端传到另一个终端。信息与知识一样也是看不见的，为什么信息可以在两个电子设备之间快速完整无误地传递呢？这是因为电子设备在传递信息时严格遵循相关协议。例如同步传输协议和异步传输协议。所谓同步通信，就是信息传输双方采用共同的时钟信号，按照固定的时钟周期发送和接收数据。且在信息发送前，通过发送特定的同步信息确认双方已处于同步状态。这样发送的数据就会有条不紊地一个一个被顺序正确接收。所谓异步通信就是通过握手信号实现信息的正确传送。发送方每发送一个信息，都要停下来等待接收方的反馈信息，只有接收方回答说已经正确接收，才开始传输下一个信息。类比到课堂教学过程，老师敢于一页PPT接着一页PPT滔滔不绝地满堂灌，显然老师心中默认自己和学生时刻处于同步状态，自己所做的PPT已经足够简明易懂，自己说的每句话，每个字，学生都能正确地同步理解接收。而事实上，要想在2接课90分钟时间内，所有学生和老师都处于同步状态基本不可能。越难理解的知识，在传送时要达到同步越难。每个学生的前期基础知识准备和课外功夫所花不同，与老师同步的时间长短也不一样。一般而言，如果有50％的同学在50％的时间内能够与老师处于同步状态，可能就已经要谢天谢地了。因此在一节课中，如果老师总是滔滔不绝自顾自地讲，老师和学生的脱节或迟或早总是要发生的。因此更理想的方式是异步通信，即学生发现自己听不懂，跟不上老师进度时，即时报告，打断老师的讲课。但是打断老师的讲课，往往被认为是极不礼貌的事情，极少有学生有这样的胆识和勇气，尽管及时与老师互动是他们的义务和权力。归结为一句话，现有教学方法将提高教学质量的焦点放在教师身上，以老师为主体，而忽略了学生的接收过程和消化能力，缺乏学生与老师之间的即时互动同步机制。实际上，老师是为学生服务的，学习的主体应该是学生，即使简单地从商业角度来分析，学生是顾客，顾客是上帝。但是传统教学模式中学生的主体地位没有得到充分尊重和体现，学生很少有发言权和发言的机会。与之成鲜明对比的是，由于无线网络和智能手机的普及，无论学生还是老师，每个人都拥有便捷的发言手段与工具，人与人之间的即时互动和沟通已经变得非常便捷，但是这些硬件资源并没有在日常课堂教学中充分发挥作用，相反在课堂上玩手机成为了学生逃避听课、打发时间的手段，成为了他们学习成绩下降的罪魁祸首，被老师和学校反复明令禁止。

现有技术和方法没有很好地解决上述课堂教学中存在的问题，例如日常教学中应用最多的PPT等办公软件都是单机运行，缺乏学生的参与和反馈。再如在专利号为CN105405325A的发明专利中提出的网络教学方法及系统，虽然对数据采集、同步显示、实时录制和点播回放四个步骤进行了详细论述，但是同样缺乏本发明最关心的学生上课过程中实时点评反馈步骤。而且现有四个步骤技术相对落后，例如采用图像压缩技术，而不是H.264、H.265或MPEG-4等视频压缩技术，需要自己监测图像的改变并添加时间戳。而视频压缩编码利用帧间压缩技术可以自动监测帧间图像变化，自动添加时间戳。而且该发明专利中对最新的与即时互动有关的通信群的概念和直播弹幕的概念也没有涉及。有些网络教学方法及系统虽然具有学生反馈功能，但是在学生反馈信息的收集和展示方面缺乏快捷、便捷和醒目特点，不方便使用。例如有的需要学生和老师一对一网络交流，如视频通话，只适用于个别辅导；有的采用留言方式提问，可以用于事后网络答疑，但对实时调控教师讲课进度帮助不大。另外现有网络教学、会议软件和直播软件，运行于广域英特网，不可避免地存在受网络实时速度影响大，经常出现大延时卡顿问题。这些软件和方法没有重视课堂教学的特点，即教学通常是在一个小范围，如一个教室内进行的，局域网就足够了，从而缺乏对网络系统硬件构建的改进和简化，从硬件系统上减小通信延时。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种课堂教学师生互动网络系统和方法，使得学生可以礼貌，而且即时、便捷地向老师反馈意见，增进老师和学生的互动，使得老师和学生经常性地处于同步状态，即通过现代网络通信技术，弥补传统教学模式中学生不敢发言，学生反馈不足导致师生经常脱节的痼疾，避免问题越积越多，提高教学效率。久而久之，使得学生愿学，老师愿教，从而改变互相埋怨的现状。归结为一句话，本发明的首要目的不仅在于提供一种便捷的电子教学网络系统与方法，更关键的是通过增加师生的即时互动提高教学质量和教学效率，弥补传统教学模式的不足，使得网络教学手段不是可有可无，而是必须。

本发明的次一个目的在于集中解决传统教学中的一些难题，例如屏幕字太小，学生坐的远看不清的问题，学生上完课后不方便复习的问题，老师在使用PPT时不方便现场划着重线进行强调和输入文字符号的困难，同时减轻老师在收集、批改和统计电子版课堂测试答案和作业时的负担等。

本发明的再次一个目的在于通过网络系统硬件构架结构的简化，减少网络信息传输延时，变即时通信为实时通信，同时改进网络教学的方法模式，减小上课视频的数据量，从而促进网络教学的普及，将网络教学逐步变成一种常态。

为了实现上述目的，本发明提出了如下实现方案。

一种课堂教学师生互动网络系统，包括一台教师终端设备、至少一台学生终端设备，以及至少一台网络服务器装置，

教师终端设备通过有线或无线网络访问网络服务器装置，教师终端设备用于在上课时演示电子教案文档，采集教师讲课时的语音信息，同时拷贝电子教案文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置，并共享到所有学生终端设备，教师终端设备同时用于接收网络服务器装置共享传输过来的学生终端设备发送的文字或表情信息，并以弹幕形式滚动显示在电子教案文档的演示界面边沿；教师终端设备另外还用于创建师生聊天群，采集教师自己的头像，在上课过程中或下课后发布、收集、统计和管理教学活动信息，教学活动信息包括提问信息、课堂测试信息、课堂测试答题信息、作业信息、成绩信息、所有听课学生的个人信息、出勤率，并将教学活动信息和上述视频信息整理后，通过网络传输到网络服务器装置进行保存；

学生终端设备通过有线或无线网络访问网络服务器装置，学生终端设备用于在听课时接收由网络服务器装置共享传输过来的上述经过视频压缩编码的视频信息，并对视频信息解码后进行播放，学生终端设备同时还用于采集学生在听课过程中遇到疑问时输入的文字或表情信息，并将该文字或表情信息通过网络服务器装置共享到教师终端设备；学生终端设备还用于学生在回答问题时，现场生成学生演示电子文档，采集学生回答问题时的语音信息，同时拷贝学生演示电子文档的演示界面作为图像信息，并与上述学生的语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置，并共享到教师终端设备和其他学生终端设备；另外学生终端设备还用于采集学生个人信息，学生个人信息包括姓名、学号、头像，并把学生个人信息通过网络服务器装置传输到教师终端设备；学生终端设备还用于采集学生的作业信息、课堂测试答题信息，并把作业信息和课堂测试答题信息通过网络服务器装置传输到教师终端设备，集中到教学活动信息中；

网络服务器装置由计算机主机和网络部件组成，计算机主机为服务器主机，或个人计算机主机，或笔记本电脑，或平板电脑，网络部件为网卡，或无线网络收发器，网络服务器装置通过网络部件与有线或无线网络相连。

如上所述教师终端设备和学生终端设备均包括中央控制装置、显示屏、喇叭、麦克风、摄像头和无线通信模块，显示屏、喇叭、麦克风、摄像头和无线通信模块分别与中央控制装置连接；

中央控制装置采用以ARM芯片，或DSP芯片，或FPGA芯片为核心控制芯片的电子装置，或直接采用平板电脑，或笔记本电脑，或智能手机，或台式电脑；通过网络接口或无线通信模块访问网络服务器装置；

显示屏采用普通平板显示器或带触摸功能的平板显示器；如果显示屏采用普通平板显示器，则另外配备键盘和鼠标，键盘和鼠标分别连接到中央控制装置。

一种课堂教学师生互动网络系统，至少包含两台网络服务器装置，其中一台网络服务器装置为近端网络服务器装置，另外一台网络服务器装置为远端网络服务器装置，近端网络服务器装置通过网络和远端网络服务器装置连接；在近端网络服务器装置的服务范围内的教师终端设备和学生终端设备通过有线或无线网络访问近端网络服务器装置；不在近端网络服务器装置的服务范围内的教师终端设备和学生终端设备则通过有线或无线网络直接访问远端网络服务器装置，并由远端网络服务器装置访问近端网络服务器装置；近端网络服务器装置临时保存来自教师终端设备和学生终端设备的教学活动信息和视频信息，并在下课时上传到远端网络服务器装置进行长期保存和管理；上传完毕后近端网络服务器装置上临时保存的教学活动信息和视频信息将删除。

一种用于上述课堂教学师生互动网络系统的方法，包括以下步骤：

步骤1、如果是首堂课，教师在教师终端设备上创建一个师生聊天群，并通过网络通知网络服务器装置开辟一个存储空间用于注册、管理、传输和保存上述师生聊天群的信息；学生在学生终端设备上申请加入上述师生聊天群，并通过网络通讯，将申请信息发送到教师终端设备，经教师同意后加入师生聊天群；以后每堂课开始讲课前，由教师在教师终端设备上登录进入师生聊天群，并检查师生聊天群里的每位学生是否到现场或在线，并保存作为每位学生的出勤记录；

步骤2、教师在教师终端设备上将自己设置为主讲人，教师终端设备为主讲人终端设备；所有学生为听课人，学生终端设备为听课人终端设备；

步骤3、主讲人讲课或回答问题，在主讲人终端设备上演示电子文档，主讲人终端设备采集主讲人的语音信息，同时拷贝电子文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置，并共享到所有听课人终端设备，听课人终端设备接收上述经过视频压缩编码的视频信息，并对该视频信息解码后进行播放；

步骤4、任何听课人如果有疑问，可以在听课人终端设备上输入文字信息或表情符号，并通过网络传输到网络服务器装置，然后共享到主讲人终端设备，主讲人终端设备将上述文字信息以弹幕方式滚动显示在主讲人终端设备的屏幕边沿；主讲人看到上述信息后自行决定继续讲授或停止讲授进行答疑；

步骤5、讲课过程中，教师根据需要通过发布问题或课堂测试题进行提问，并在听课学生中选择某一个学生回答问题，或所有学生提交课堂测试题答案；

步骤6、在学生回答问题时，如果需要看学生的终端设备的屏幕，教师通过教师终端设备将回答问题的学生设置为临时主讲人，此时回答问题的学生的终端设备转换为主讲人终端设备，主讲教师的终端设备转换为听课人终端设备，而其他学生的终端设备仍然为听课人终端设备，然后循环执行步骤3和4直到学生回答问题结束，再然后转步骤2；如果不需要看学生的屏幕，则学生直接口头回答问题，直到回答完毕；

步骤7、步骤3至步骤6不停循环，直到课堂结束；

步骤8、课堂结束时，教师通过教师终端设备选择由网络服务器装置对上课期间保存的教学活动信息和视频信息进行整理，削减既无图像变化也无语音信息的空白视频段，然后将各个视频片段串接成为一个整体视频，并将整体视频进行长期保存和管理；

在执行步骤1后，在需要进行聊天室聊天的时候，执行聊天室聊天步骤：教师终端设备和学生终端设备启动聊天室聊天模式，教师和学生通过师生聊天群交流信息，任何学生终端设备发送的消息首先集中到教师终端设备，再由教师终端设备经网络服务器装置共享到所有学生终端设备，禁止两台学生终端设备之间直接传输信息，交流信息结束后退出聊天室聊天模式。

在步骤1中，在首堂课，当教师在教师终端设备上创建师生聊天群时，借助教师终端设备上的摄像头和人脸识别技术拍摄教师自己的头像，并上传保存到网络服务器装置；当学生申请加入师生聊天群时，借助学生终端设备上的摄像头和人脸识别技术拍摄学生自己的头像，上传保存到网络服务器装置，并共享到教师终端设备；以后每堂课开始讲课前，当教师借助教师终端设备检查师生聊天群里的每位学生是否到现场或在线时，通知学生借助学生终端设备上的摄像头和人脸识别技术拍摄学生自己头像，并经由网络服务器装置共享到教师终端设备，以供教师检查和监督。

在步骤3中，网络服务器装置将压缩编码后的视频信息通过网络以广播方式共享到所有听课人终端设备。

在步骤3中，当听课人终端设备播放解码后的视频信息时，自动根据听课人终端设备的屏幕大小对播放视频的画面进行缩小或放大调整，以及横向显示或竖向显示调整；或者由听课人对听课人终端设备上播放的视频画面大小手动进行缩小或放大。

在步骤5中，当主讲教师发布问题或课堂测试题时，以口头形式发布问题，或通过电子教案发布问题或课堂测试题，或执行聊天室聊天步骤，在教师终端设备上启动聊天室聊天模式，通过聊天窗口发布问题或课堂测试题。

在步骤5中，当主讲教师在听课学生中选择某一个学生回答问题时，执行聊天室聊天步骤，在教师终端设备上启动聊天室聊天模式，在听课师生聊天群成员中选择学生，此时群成员的头像和姓名显示在教师终端设备的屏幕上以供老师进行选择。

在步骤8中，在网络服务器装置上对上课期间记录的视频文件进行保存时，网络服务器装置通过网络询问是否需要加密保存；如果需要加密保存，则提示教师输入密码，并根据该密码进行加密保存，在课后只有获得授权的学生才能解码打开该加密保存的视频文件。

本发明首先基于大量的实际观察和自身以及同行长期教学实践经验，根据通信理论对日常授课教学过程中的知识传输过程进行了可视化分析，借助同步通信与异步通信的概念，揭示了导致教学效果低下的根源在于老师和学生的脱节，即老师讲授速度和学生接收理解的速度不匹配。话句话说，传统教学模式缺乏一种方便、礼貌的师生同步互动机制，学生在学习过程中的主体地位没有得到充分尊重和体现。针对此问题，本发明充分利用无线网络时代的通信便捷优势，综合各种聊天软件、直播软件、办公软件、会议软件和多媒体软件的优点，针对课堂教学的特点进行整合优化设计，所提出的课堂教学师生互动网络系统与方法，方便了学生在听课过程中提问，使得主讲教师可以及时了解学生的困难，实时调整讲课进度和讲课内容，增进师生互动，从而避免老师满堂灌、而学生由于理解进度跟不上听不懂造成的左耳朵进右耳朵出的现象，有助于提高课堂信息传递效率，提高教学质量。具体来说，与现有网络硬件构架和软件方法相比，本发明有如下优势和效果：

1、传统教学模式在硬件设备上采用教室内的台式电脑或教师自带笔记本电脑，单机运行PPT、WORD、金山和PDF等办公软件，在教室前的投影屏幕上或液晶屏上展示电子教案，尽管教室内的台式电脑或教师自带笔记本电脑都可以上网，但是网络在教学过程中基本不起作用，而且学生自带的便携终端设备也对教学过程毫无帮助。另外整个教学过程缺乏有效电子记录，学生下课后无法回看教学过程，很难进行课后复习，因此问题越积越多。本发明将教师终端设备上展示的电子教案通过网络推送到每个学生的终端设备，同时通过网络即时收集学生的听课反馈信息，并以弹幕形式显示在教师终端设备上，时刻提醒老师，从而提供了一种有效、便捷、礼貌的师生即时互动同步机制与手段。另外上课过程中记录的视频信息被完整保存到网络服务器，方便学生课后针对难点问题反复回看。

2、现有即时通讯方法，如会议软件，QQ和微信等，采用英特网云端服务器，其优点是服务面广，用户地域跨度大，但传递图像或视频信息时，往往达到数秒甚至数分钟的网络延时，会导致严重卡顿。而且QQ和微信的信息一条条新旧替换向上滚动显示，不适合日常课堂教学。本发明针对师生上课时同在一个教室，同在一个校园的特点，对网络硬件构建进行了简化。在最简模式下，只要一台无线WIFI路由器在教室内构建一个临时局域网，彻底摆脱了对英特网的依赖，同时避免学生在上课期间上英特网，让学生集中注意力听课，而且学生和老师终端设备，如智能手机，不需要支付流量费或通话费。另外针对上课时，只有一个主讲人的特点，在将上课视频信息共享到所有听课人终端设备时，采用广播模式，一次性传输到所有听课人终端设备，而不是轮流传输到每一个听课人终端设备；在收集听课人的反馈信息时，所有听课人的反馈信息全部集中到主讲人终端设备，反馈信息不允许直接在听课人终端设备之间相互传输，从而保证了广播模式的有效性，同时避免学生在上课期间两两私下通信聊天。另外在群成员信息管理方面增加了符合日常教学活动需求的出勤统计、作业统计和成绩统计等功能，并且只有教师具有师生聊天群的最大与最多权限，例如出勤统计、作业统计和成绩统计出勤统计权限、主讲人和听课人设置权限、下课后视频整理和保存权限等。

3、现有网络直播方法，尽管可以以弹幕的方式即时反馈观众的评论意见，但是直播内容局限于实时录制的高清视频影像，数据流量太大，而且需要昂贵的摄像设备和照明充足的演播室，成本太高。而本发明直接截取教师终端设备上的电子教案演示界面，同时采集教师的讲课语音信息，合并生成视频信息，可以兼容各种现有办公软件，不仅成本低廉，而且数据量小，更方便保存和传输。正是由于这种便捷性，主讲教师讲的每一节课都可以永久保留下来，授课过程录制将变成一种常态。

4、与传统课堂在黑板或大屏幕上展示教学内容的方法相比，本发明将主讲老师的屏幕拷屏推送到每一个学生的智能手机、平板或笔记本电脑上，画面可以随意缩小放大，避免字太小，坐在远处看不清的烦恼。同时也打破了师生必须在同一教室的空间限制。另外学生还可以带着耳机听课，避免干扰周围人或被周围环境干扰。换话句话说，只要主讲教师和学生在约定的同一时间打开本发明提出的软件，老师可以在自己的办公室，而学生可以在教室、图书馆或宿舍，甚至操场、医院，开展实时互动性课堂教学。这种突破空间限制带来的另一好处是，一个课堂可以容纳更多学生，而传统课堂在人数超过60以上时，由于教室太大，教学效果大打折扣。而且空间上的突破还可以带来时间上的突破，由于不一定必须在学校课表安排的特定时间在特定教室上课，因此不用当心教室被其他课程占用，师生可以自行约定上课时间，这样可以补救由于节假日冲突等情况所耽误的教学进度。而且由于教学过程被保存下来，学校可以后期检查教学执行和完成情况，分析教学效果。归结为一句话，网络教学有望变成一种常态，老师和学生可以更加轻松舒适。

附图说明

图1为本发明提出的课堂教学师生互动网络系统在采用一台网络服务器装置时的构架示意图。

图2为本发明提出学生终端设备采用以ARM芯片为核心控制芯片时的结构示意图。

图3为本发明提出的网络服务器装置结构示意图。

图4为本发明提出的课堂教学师生互动网络系统在采用两台网络服务器装置时的构架示意图。

图5为本发明提出的用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法的步骤流程示意图。

图6为本发明实施时，教师终端设备和学生终端设备启动聊天室聊天模式时的软件界面示意图。

图7为本发明实施时，教师终端设备在聊天室聊天模式查看成员简略列表时的软件界面示意图。

图8为本发明实施时，教师终端设备在聊天室聊天模式查看某一成员甲详细情况时的软件界面示意图。

具体实施方式

本说明书所用术语说明：参见由高等教育出版社出版、孙德文主编的教科书《微型计算机技术》第3版，第3页第17行：“微型计算机系统是指由微型计算机配以相应的外围设备和其他专用电器、电源、面板、机架以及足够的软件而构成的系统。”教科书明确定义一个计算机系统包括硬件和软件两个方面，只有硬件的裸机什么也做不了。由微处理器控制的电子装置，其功能同样由硬件和软件共同决定。一台硬件结构相同的由微处理器控制的电子装置，如果它们所装软件不同，其性能和用途会完全不同。本发明所涉及的教师终端设备、学生终端设备以及网络服务器装置都需采用微处理器进行控制，参照上述定义，本说明书默认教师终端设备、学生终端设备以及网络服务器装置都包括硬件和软件两个方面，必须安装按照本发明所提出的方法所编制的软件。即使这些教师终端设备、学生终端设备和网络服务器装置在硬件上都采用普通个人计算机，如果不安装上述特定软件，就无法完成本发明所提出的功能。

本发明依据的原理以及特点可以归纳为如下五点：

1、以网络服务器装置为桥梁，将教师终端设备和学生终端设备组成一个网络系统，进一步类似QQ，以主讲教师为群主，以每个听课学生为成员建立一个师生聊天群。上课过程中，实时收集学生的听课反馈意见，并以类似直播的形式，在教师终端设备的屏幕上以弹幕形式进行滚动显示，帮助教师及时了解学生的听课情况及遇到的问题，从而实时调整教学进度和教学内容，实现老师和学生之间的互动和同步。

2、主讲教师和平时上课一样，采用PPT、WORD、PDF和金山等办公软件进行讲课，演示电子教案，教师终端设备对电子教案的演示界面进行拷屏，并将拷屏图像信息与教师讲课语音信息结合，生成讲课视频信息，该讲课视频信息经过视频压缩编码后，通过网络推送到每个学生的终端设备。由于讲课视频的图像信息来自于电子教案的演示界面，而2节课90分钟，如果采用PPT，往往不超过1百页。H264、H265和MPEG-4等视频压缩编码会充分利用帧间信息进行压缩编码，即连续多帧相似图像，每帧只传输较上帧新增的信息，也就是说90分钟内只有1百帧左右的图像信息需要传输，这相对于每秒25帧以上的高清影像传输来说，信息量减少了至少90*60*25/100＝1350倍，极大地降低了对网络传输带宽的需求和网络服务器装置的存储空间需求。

3、在非讲课时段，教师和学生在各自的终端设备上启动聊天室聊天模式，交流信息，传输文件，实现课堂测试发布与回收，布置作业、收集作业等功能。同时针对教学场景增加特定的群成员管理功能，如学生课堂测试题自动批改与统计、作业统计、成绩统计和出勤统计等。

4、教师终端设备采用带触摸功能的显示屏，利用触摸屏的手写功能，教师在讲课过程中，可以随意在电子教案上实时画着重线或书写文字，或手指划动翻页。同样听课学生终端设备也采用带触摸功能的显示屏，通过手指的对角拉伸，将屏幕显示图像进行缩小或放大，克服教室前方屏幕字太小，坐得远看不清的困难。

5、采用近端网络服务器装置，将教师和学生连接到同一局域网，从而缩短师生之间的通信延时。普通即时通信软件如QQ和微信需要功能强大的远程云服务器，采用云服务器的好处在于覆盖区域大，服务面广，但不足之处在于从远端云服务器到每一个用户存在相对较大的时延，例如传输一幅图像可能需要几秒钟。在同一教室内，主讲教师已经将PPT翻了一页，而学生终端设备上的画面还停留在上一页，这种延时会影响听课效果。而增加一个临时近端网络服务器装置后，主讲教师和听课学生位于同一局域网，使得他们之间的通信延时可以忽略不记。

下面进一步结合附图对本发明原理和具体实施方法进行说明。

一种课堂教学师生互动网络系统，包括一台教师终端设备1、至少一台学生终端设备2，以及至少一台网络服务器装置3，

教师终端设备1通过有线或无线网络访问网络服务器装置3，教师终端设备1用于在上课时演示电子教案文档，采集教师讲课时的语音信息，同时拷贝电子教案文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到所有学生终端设备2，教师终端设备1同时用于接收网络服务器装置3共享传输过来的学生终端设备2发送的文字或表情信息，并以弹幕形式滚动显示在电子教案文档的演示界面边沿；教师终端设备1另外还用于创建师生聊天群，采集教师自己的头像，在上课过程中或下课后发布、收集、统计和管理教学活动信息，教学活动信息包括提问信息、课堂测试信息、课堂测试答题信息、作业信息、成绩信息、所有听课学生的个人信息、出勤率，并将教学活动信息和上述视频信息整理后，通过网络传输到网络服务器装置3进行保存；

学生终端设备2通过有线或无线网络访问网络服务器装置3，学生终端设备2用于在听课时接收由网络服务器装置3共享传输过来的上述经过视频压缩编码的视频信息，并对视频信息解码后进行播放，学生终端设备2同时还用于采集学生在听课过程中遇到疑问时输入的文字或表情信息，并将该文字或表情信息通过网络服务器装置3共享到教师终端设备1；学生终端设备2还用于学生在回答问题时，现场生成学生演示电子文档，采集学生回答问题时的语音信息，同时拷贝学生演示电子文档的演示界面作为图像信息，并与上述学生的语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到教师终端设备1和其他学生终端设备；另外学生终端设备2还用于采集学生个人信息，学生个人信息包括姓名、学号、头像，并把学生个人信息通过网络服务器装置3传输到教师终端设备1；学生终端设备2还用于采集学生的作业信息、课堂测试答题信息，并把作业信息和课堂测试答题信息通过网络服务器装置3传输到教师终端设备1，集中到教学活动信息中；

网络服务器装置3由计算机主机16和网络部件组成，计算机主机16为服务器主机，或个人计算机主机，或笔记本电脑，或平板电脑，网络部件为网卡17，或无线网络收发器18，网络服务器装置3通过网络部件与有线或无线网络相连；网络服务器装置3用于接收教师终端设备1通过网络发送的信息，并共享推送到学生终端设备2，网络服务器装置3同时用于接收学生终端设备2通过网络发送的信息，并共享推送到教师终端设备1；网络服务器装置3另外还用于整理、保存和管理所接收到的教师终端设备1和学生终端设备2发送的所有教学活动信息和视频信息；

所述教师终端设备1和学生终端设备2均包括中央控制装置4、显示屏5、喇叭6、麦克风7、摄像头8和无线通信模块9，显示屏5、喇叭6、麦克风7、摄像头8和无线通信模块9分别与中央控制装置4连接；

中央控制装置4采用以ARM芯片，或DSP芯片，或FPGA芯片为核心控制芯片的电子装置，或直接采用平板电脑，或笔记本电脑，或智能手机，或台式电脑；通过网络接口或无线通信模块9访问网络服务器装置3；

显示屏5采用普通平板显示器或带触摸功能的平板显示器；如果显示屏5采用普通平板显示器，则另外配备键盘10和鼠标11，键盘10和鼠标11分别连接到中央控制装置4。

一种课堂教学师生互动网络系统，至少包含两台网络服务器装置3，其中一台网络服务器装置为近端网络服务器装置12，另外一台网络服务器装置为远端网络服务器装置13，近端网络服务器装置12通过网络和远端网络服务器装置13连接；在近端网络服务器装置12的服务范围内的教师终端设备1和学生终端设备2通过有线或无线网络访问近端网络服务器装置12；不在近端网络服务器装置12的服务范围内的教师终端设备1和学生终端设备2则通过有线或无线网络直接访问远端网络服务器装置13，并由远端网络服务器装置13访问近端网络服务器装置12；近端网络服务器装置12临时保存来自教师终端设备1和学生终端设备2的教学活动信息和视频信息，并在下课时上传到远端网络服务器装置13进行长期保存和管理；上传完毕后近端网络服务器装置12上临时保存的教学活动信息和视频信息将删除。

图1为本发明提出的课堂教学师生互动网络系统在采用单一网络服务器装置配置时的构架示意图。从图中可以看出该网络系统包括一台教师终端设备1，一台学生甲终端设备2(其他学生的终端设备未画出，另外教室内讲台上标配的台式电脑，运行与学生终端设备类似的软件后也等同于学生终端设备，用于在教室前投影屏幕或大尺寸液晶屏上显示讲课内容。)和一台网络服务器装置3。图1中教师终端设备1和学生终端设备2皆采用带触摸屏、前置摄像头、内嵌麦克风和喇叭的平板电脑。如果平板电脑的内嵌麦克风拾音效果差，可以另配有线或无线耳麦，或专业麦克风。听课学生如果在当前上课教室内，因为可以直接听到讲课老师的声音，他们的平板电脑上的喇叭应该关闭。如果在教室外，为了避免打搅别人或被别人打搅，听课学生可以在平板电脑上外接耳机。图1中网络服务器装置3采用教室内讲台上标配的台式电脑，运行根据本发明提出的方法编制的网络服务器软件后作为网络服务器装置。网络服务器装置3通过网线或USB无线WIFI收发器连接到无线WIFI路由器15，教师终端设备1和学生甲终端设备2通过无线WIFI路由器15访问网络服务器装置3，构成一个临时局域网。如果无线WIFI路由器15不外连到校园因特网，则本发明提出的课堂教学师生互动网络系统不依赖于因特网，是一种最简实施例。

图1中带箭头的直线和折线示意表示了设备之间的连接关系和/或信息传输路径与方向。在图1中，教师终端设备1通过无线WIFI路由器15访问网络服务器装置3。教师终端设备1用于在上课时演示电子教案文档，教师终端设备1采集教师讲课时的语音信息，同时拷贝电子教案文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成讲课视频信息，进一步将该讲课视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到所有学生终端设备2。教师终端设备1同时用于接收网络服务器装置3共享传输过来的学生终端设备1发送的文字或表情信息，并以弹幕形式滚动显示在电子教案文档的演示界面边沿(如图1中屏幕下方的听课人提问文字滚动显示窗口)，以提醒教师及时调整讲课速度或进行针对性答疑，实现上课过程中教师和学生之间有礼貌的及时良性互动。教师终端设备1另外还用于创建师生聊天群，采集教师自己的头像，在上课过程中或下课后发布、收集、统计和管理提问信息、课堂测试、作业信息、所有听课学生的个人信息、出勤率等与教学活动有关的信息，并将这些信息整理后，通过网络传输到网络服务器装置3进行保存。

图1中，学生终端设备2通过无线WIFI路由器15访问网络服务器装置3。学生终端设备2用于在听课时接收由网络服务器装置3共享传输过来的上述经过视频压缩编码的讲课视频信息，对该讲课视频信息解码后进行播放。学生终端设备2同时还用于采集学生在听课过程中遇到疑问时输入的文字或表情信息，并将该文字或表情信息通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到教师终端设备1。学生终端设备2还用于学生在回答问题时，现场生成和/或演示电子文档，采集学生回答问题时的语音信息，同时拷贝上述电子文档的演示界面作为图像信息，并与上述学生的语音信息合并生成回答问题视频信息，进一步将该回答问题视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到教师终端设备1和其他学生的终端设备；另外学生终端设备2还用于采集学生的姓名、学号和头像等个人信息，以及回答问题信息、作业信息等，并将这些信息通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到教师终端设备1。

图1中，网络服务器装置3一方面接收教师终端设备1通过无线WIFI路由器15发送的信息，并共享推送到学生终端设备2，另一方面，接收学生终端设备2通过无线WIFI路由器15发送的信息，并共享推送到教师终端设备1，作为教师终端设备1和学生终端设备2之间的通信桥梁。网络服务器装置3同时还用于整理、保存和管理所接收到的教师终端设备1和学生终端设备2发送的信息。以便于学生课后复习和学校检查教学执行情况以及教学效果。如果无线WIFI路由器15不外连到校园因特网，则下课后，保存在网络服务器装置3上的所有上课信息，在下课后必须由教师整理，并拷贝带走。如果无线WIFI路由器15外连到校园因特网，保存在网络服务器装置3上的上课信息，在下课后可以上传到校园机房中心的网络服务器，进行整理和长久保存。随着5G和网络区块链技术的普及，如果校园因特网网络传输速度足够快，则无线WIFI路由器15可以取消，网络服务器装置3直接采用校园机房中心的网络服务器，教师终端设备1和学生终端设备2通过校园无线网直接访问校园机房中心的网络服务器，使得师生上课时不再被局限于必须位于同一教室，这是本发明提出的课堂教学师生互动网络系统在未来的一种理想模式。

在图1中，在教师终端设备1的屏幕上的菜单按钮A₁、B₁、C₁和D₁，以及学生终端设备2的屏幕上的菜单按钮A₂、B₂、C₂和D₂，是为了在各个功能之间进行切换。当学生或老师触摸屏幕(如果不是触摸屏，则点击鼠标，或按下键盘的任一键)，对应屏幕上的菜单按钮A₁、B₁、C₁和D₁，或者A₂、B₂、C₂和D₂会显示出现，而长期无操作时，这些菜单按键会自动隐藏。当学生想提问时，可以点击特定按钮，例如点击B₂弹出提问文字输入窗口，提问结束后，可以再次点击该按钮，以隐藏提问文字输入窗口；再如点击按钮C₁、C₂可以进入聊天室聊天模式，此时停止主讲人屏幕的拷屏和推送，再次点击按钮C₁、C₂可以退出聊天室聊天模式；点击按钮D₁、D₂分别退出课堂教学互动软件，一般在讲课结束后使用。

图2为本发明提出的学生终端设备采用以ARM芯片为核心控制芯片时的结构示意图，老师终端设备也可采用同样硬件结构。在图2中，学生终端设备2包括中央控制装置4，显示屏5，喇叭6,麦克风7，摄像头8，WIFI无线通信模块9，键盘10和鼠标11。中央控制装置4具有网络接口，可以通过网线连接到网络，或者通过无线通信模块9进行网络访问。中央控制装置4还有USB、SPI和音、视频接口，用于连接各个外围模块。图2中，显示屏5采用普通平板显示器(如果采用带触摸功能的平板显示器，则可省略键盘10和鼠标11)通过视频接口连接到中央控制装置4。喇叭6和麦克风7通过音频接口(如果采用无线麦克风，则通过无线接口)连接到中央控制装置4。摄像头8通过USB接口(也可通过视频接口，如AV)连接到中央控制装置4。鼠标10和键盘11通过USB接口(也可通过PS/2接口)连接到中央控制装置4。

学生终端设备和老师终端设备的中央控制装置采用ARM芯片为核心控制芯片的好处是成本低廉。由于在本发明提出的课堂教学师生互动网络系统中，学生终端设备和教师终端设备的主要作用是音视频采集、合成、编解码、网络传输等，不涉及大型3D游戏等，这些功能用ARM芯片都可以实现。类似地，中央控制装置还可以以DSP芯片，或FPGA芯片为核心控制芯片。为了简单省事，中央控制装置还可以直接采用平板电脑，或笔记本电脑，或智能手机，或台式电脑，并采用自配或另配的显示屏、鼠标、键盘、WIFI通信模块、麦克风和摄像头等。

图3为本发明提出的网络服务器装置结构示意图。在图3中，虚框所示网络服务器装置3由计算机主机16和网络部件组成。计算机主机16一般采用高性能服务器主机。但在本发明中，网络服务器装置可以仅为一个班的课堂教学提供网络服务，此时计算机主机16可以采用一般配置的个人计算机主机，或笔记本电脑，或平板电脑。网络部件为网卡17，或无线网络收发器18。网络服务器装置3通过网络部件与网络相连，具体来说，可以通过网卡的网络接口，用网线连接到校园英特网或WIFI无线路由器15，也可通过连接到计算机主机的USB接口的无线WIFI网络收发器18连接到WIFI无线路由器15。网络服务器装置3用于接收教师终端设备1通过网络发送的信息，并共享推送到学生终端设备2。网络服务器装置3同时用于接收学生终端设备2通过网络发送的信息，并共享推送到教师终端设备1。网络服务器装置3另外还用于整理、保存和管理所接收到的教师终端设备1和学生终端设备2发送的所有教学活动信息和视频信息。

在本发明提出课堂教学师生互动网络系统中，教师终端设备1、学生终端设备2和网络服务器装置3要发挥指定的功能，必须配备相应的软件，由这些软件实现网络通信、创建聊天群和聊天室、拷屏、语音信息采集、讲课视频合成、压缩编码、解码播放、图像采集、人脸识别、加密保存、数据库管理与保存，以及人机交互等各种功能。虽然这些功能，单独而言，都有现存的解决方案与软件代码，但只有按照本发明提出的方法，将这些功能合理有序组合起来，才能在日常教学中达到促进课堂教学师生互动，提高教学效率与教学质量的效果。

图4为本发明提出的课堂教学师生互动网络系统在采用两台网络服务器装置时的构架示意图。在图4中系统包含两台网络服务器装置，分别为近端网络服务器装置12和远端网络服务器装置13，近端网络服务器装置12离教师和学生较近，如图中虚框所示位于当前授课教室内，远端网络服务器装置13离教师和听课学生较远，如图中虚框所示位于学校机房中心。在图4中，近端网络服务器装置12和教师终端设备1都采用教室讲台前标配的台式电脑。教师终端设备1和学生终端设备2通过WIFI无线路由器15优先访问近端网络服务器装置12，并以近端网络服务器装置12为桥梁，进行网络即时通信。由于教师终端设备1、学生终端设备2和近端网络服务器装置12都位于同一局域网，因此它们之间的网络通信延时可以大幅度减少。而且近端网络服务器装置12可以采用广播模式向教室内所有听课人推送讲课视频信息。图3中新增加的学生终端设备2，如图中虚框所示位于学校图书馆内，不在近端网络服务器装置12的服务范围内，因此通过无线网络直接访问远端网络服务器装置13，并借助远端网络服务器装置13进行网络即时通信。近端网络服务器装置12为临时网络服务器装置，临时保存和管理来自教师终端设备1和学生终端设备2的信息，并将这些信息及时发送到远端网络服务器装置13。下课时优先由近端网络服务器装置12对上课期间录制的视频信息进行整理，并上传到远端网络服务器装置13进行长期保存和管理，上传完毕后近端网络服务器装置12上临时保存的信息将删除。如果近端网络服务器装置12的处理速度较慢，则选择由远端网络服务器装置13对上课期间录制的视频信息进行整理，并负责长期保存和管理。

本发明进一步提出了一种与上述课堂教学师生互动网络系统配套的方法，包括以下步骤(参见图5)：

步骤1、如果是首堂课，教师在教师终端设备1上创建一个师生聊天群，并通过网络通知网络服务器装置3开辟一个存储空间用于注册、管理、传输和保存上述师生聊天群的信息，如课程名称，教师的头像，学生的头像和学号等。学生在学生终端设备2上申请加入上述师生聊天群，并通过网络通讯，将申请信息发送到教师终端设备1，经教师同意后加入师生聊天群。以后每堂课开始讲课前，由教师在教师终端设备1上登录进入师生聊天群，并检查师生聊天群里的每位学生是否到现场或在线，并保存作为每位学生的出勤记录。如果有近端网络服务器装置12，则上述任务首先在近端网络服务器装置12上执行，然后拷贝传送到远端网络服务器装置13，进行长期保存。如果没有近端网络服务器装置12，则直接在远端网络服务器装置13上执行上述任务。

步骤2、教师在教师终端设备1上将自己设置为主讲人，教师终端设备1此时称为主讲人终端设备；由于主讲人的唯一性，所有学生此时被设置为听课人，学生终端设备2称为听课人终端设备。

步骤3、主讲人讲课或回答问题，在主讲人终端设备上演示电子文档，主讲人终端设备采集主讲人的语音信息，同时拷贝电子文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置3，并共享到所有听课人终端设备，听课人终端设备接收上述经过视频压缩编码的视频信息，并对该视频信息解码后进行播放，以便听课人听课。

步骤4、任何听课人如果有疑问，可以在听课人终端设备上输入文字信息或表情符号，并通过网络传输到网络服务器装置3，然后共享到主讲人终端设备，主讲人终端设备将上述文字信息以弹幕方式滚动显示在主讲人终端设备的屏幕边沿。为了避免听课人提问时难为情，可以采用匿名方式提问或发送表情。主讲人看到上述信息后自行决定继续讲授或停止讲授进行答疑。

步骤5、讲课过程中，教师根据需要通过发布问题或课堂测试题进行提问，并在听课学生中选择某一个学生回答问题，或所有学生提交课堂测试题答案。

步骤6、在学生回答问题时，如果需要看学生的终端设备的屏幕，教师通过教师终端设备1将回答问题的学生设置为临时主讲人，此时回答问题的学生的终端设备转换为主讲人终端设备，由于主讲人的唯一性，主讲教师的终端设备1转换为听课人终端设备，而其他学生的终端设备仍然为听课人终端设备，然后循环执行步骤3和4直到学生回答问题结束，再然后转步骤2；如果不需要看学生的屏幕，则学生直接口头回答问题，直到回答完毕。

步骤7、步骤3至步骤6不停循环，直到课堂结束。

步骤8、课堂结束时，教师通过教师终端设备1选择由网络服务器装置3对上课期间保存的教学活动信息和视频信息进行整理，削减既无图像变化也无语音信息的空白视频段，然后将各个视频片段串接成为一个整体视频，并将整体视频进行长期保存和管理。

聊天室聊天步骤：在执行步骤1后任何需要的时候，教师终端设备1和学生终端设备2启动聊天室聊天模式，教师和学生通过师生聊天群交流信息，任何学生终端设备2发送的消息首先集中到教师终端设备1，再由教师终端设备1经网络共享到所有学生终端设备2，禁止两台学生终端设备2之间直接传输信息，以避免学生不听课，私下两两聊天。交流信息结束后退出聊天室聊天模式。在执行步骤1后，聊天室聊天步骤可以在任何需要的时候独立执行，可以是上课过程中，也可以是课后，主要用于老师发布问题，发布课堂测试题和收集统计答案，发布作业和收集学生已完成的作业等。

上述聊天室聊天步骤未在图5中画出。

下面对上述步骤进行进一步补充说明。

在上述步骤1中，在首堂课，当教师在教师终端设备1上创建师生聊天群时，借助教师终端设备1上的摄像头和人脸识别技术拍摄教师自己的头像，并上传保存到网络服务器装置3。当学生申请加入师生聊天群时，借助学生终端设备2上的摄像头和人脸识别技术拍摄学生自己的头像，上传保存到网络服务器装置3，并共享到教师终端设备1。以后每堂课开始讲课前，当教师借助教师终端设备1检查师生聊天群里的每位学生是否到现场或在线时，通知学生借助学生终端设备2上的摄像头和人脸识别技术拍摄学生自己头像，并经由网络服务器装置3共享到教师终端设备1，以供教师检查和监督(如果拍摄人脸头像失败，则默认该学生缺席)。在开始讲课后，学生终端设备2可以周期性地(如每隔1分钟)拍摄学生头像，并将该头像传送给教师的终端设备1(如果拍摄人脸头像失败，则默认该学生中途退出)，以监督学生是否一直在听课及听课表情。此时为了监督师生聊天群里所有成员学生，主讲教师需要另外打开一套终端设备，进入聊天室聊天模式，查看成员状况。学生终端设备2上的摄像头在对学生进行拍摄时往往会捕捉到学生全身图像，通过人脸识别技术裁取头部图像，一方面可以保护学生隐私，一方面可以降低数据量。

特别值得说明的是，由教师创建的师生聊天群主要服务于课程教学，与普通QQ和微信聊天群有很大不同，主要表现在如下3个方面。第一，权限差异：教师在师生聊天群中具有最大、最多的权限，独享课堂问题、课堂测试题与作业等的发布、回收、批改与统计，以及上课点名、出勤率统计、设置主讲人、下课后视频整理和保存等独属于教师的权限。第二，通信模式差异：上课时只允许一个主讲人，一般是教师自己，所有听课人反馈的信息都必须集中传输到教师，再由教师广播到所有听课人，不允许听课人两两之间互相传输信息，以避免学生私聊不听讲，同时禁止学生上课期间访问英特网。第三，功能差异：增加了很多服务于课堂教学的功能，如课堂测试题的发布与答案回收、自动统计批改，学生作业回收与成绩统计和出勤率统计等。由于教师创建的师生聊天群主要服务于课程教学，只是参考了聊天群的形式，但并不是为了聊天，所以称作师生通信群可能更好一些。

在上述步骤3中，当主讲人在主讲人终端设备上演示电子文档时，采用创建该电子文档时采用的办公软件，如PPT，或WORD，或金山，或PDF阅读软件，或画图软件等常用办公软件，打开该电子文档。这样做的好处是可以充分利用第三方软件，减轻自身软件的负担。但是如果当初创建该电子文档时采用的办公软件与主讲人的终端设备或操作系统不兼容，可能无法打开该电子文档，或打开出现乱码。例如安装安卓系统的平板电脑有时打不开安装WINDOWS系统的笔记本电脑创建的电子文档。此时可以采用主讲端软件内嵌的解码算法打开该电子教案，克服不兼容的问题。但这种做法会极大增加主讲端软件的复杂度和程序长度，一般只建议对最常用的电子文档格式，例如PDF，提供内嵌解码算法代码。

在上述步骤3中，网络服务器装置3将压缩编码后的视频信息通过网络以广播方式共享到所有听课人终端设备。因为课堂教学只有一个主讲人，所有听课人接收的信息相同，所以可以基于这一特点采用广播方式进行信息共享，这比将信息逐一共享到每个听课人效率要提高几十倍。

在上述步骤3中，当听课人终端设备播放解码后的视频信息时，自动根据听课人终端设备的屏幕大小对播放视频的画面进行缩小或放大调整，以及横向显示或竖向显示调整；或者由听课人对听课人终端设备上播放的视频画面大小手动进行缩小或放大，以便看清细节或全貌。

在上述步骤5中，当主讲教师发布问题时，以口头形式发布问题或课堂测试题，或通过电子教案发布问题或课堂测试题，或执行聊天室聊天步骤，在教师终端设备1上启动聊天室聊天模式，通过聊天窗口发布问题。图6给出了教师终端设备1和学生终端设备2启动聊天室聊天模式时的软件界面示意图。如同QQ软件一样，老师或学生可以在聊天信息输入窗口输入文字或选择文件进行发送，以便教师发布问题和学生提交WORD、PDF或图画等格式的作业文档。

在上述步骤5中，当教师在听课学生中选择某一个学生回答问题时，执行聊天室聊天步骤，在教师终端设备1上启动聊天室聊天模式，在听课师生聊天群成员中选择学生，此时群成员的头像和姓名显示在教师终端设备1的屏幕上以供老师进行选择，方便老师不断熟悉班上每一位学生。图7给出了教师终端设备1启动聊天室聊天模式查看成员简略列表时的软件界面示意图，而图8给出了教师终端设备1启动聊天室聊天模式查看某一成员甲详细情况时的软件界面示意图。图7中示例显示了5个学生及他们的姓名甲、乙、丙、丁和戊。此时如果点击某一个成员，例如学生甲，则可以显示该学生的更多信息，如图8所示。在图8中，可以看到学生甲的姓名、学号、作业登记和出勤记录等各种详细信息。

在上述步骤8中，在网络服务器装置3上对上课期间记录的视频文件进行保存时，网络服务器装置3通过网络询问是否需要加密保存；如果需要加密保存，则提示教师输入密码，并根据该密码进行加密保存，以便进行版权保护，在课后只有获得授权的学生才能解码打开该加密保存的视频文件。

值得特别说明的是，由上述步骤组成的方法必须得到上述课堂教学师生互动网络系统的硬件支持，且仅限用于该课堂教学师生互动网络系统，不能脱离该系统独立执行，两者相互配合才能达到课堂教学过程中师生有序互动的目的。

Claims (10)

1.一种课堂教学师生互动网络系统，其特征在于：包括一台教师终端设备（1）、至少一台学生终端设备（2），以及至少一台网络服务器装置（3），

教师终端设备（1）通过有线或无线网络访问网络服务器装置（3），教师终端设备（1）用于在上课时演示电子教案文档，采集教师讲课时的语音信息，同时拷贝电子教案文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置（3），并共享到所有学生终端设备(2)，教师终端设备（1）同时用于接收网络服务器装置（3）共享传输过来的学生终端设备（2）发送的文字或表情信息，并以弹幕形式滚动显示在电子教案文档的演示界面边沿；教师终端设备（1）另外还用于创建师生聊天群，采集教师自己的头像，在上课过程中或下课后发布、收集、统计和管理教学活动信息，教学活动信息包括提问信息、课堂测试信息、课堂测试答题信息、作业信息、成绩信息、所有听课学生的个人信息、出勤率，并将教学活动信息和上述视频信息整理后，通过网络传输到网络服务器装置（3）进行保存；

学生终端设备（2）通过有线或无线网络访问网络服务器装置（3），学生终端设备（2）用于在听课时接收由网络服务器装置（3）共享传输过来的上述经过视频压缩编码的视频信息，并对视频信息解码后进行播放，学生终端设备（2）同时还用于采集学生在听课过程中遇到疑问时输入的文字或表情信息，并将该文字或表情信息通过网络服务器装置（3）共享到教师终端设备（1）；学生终端设备（2）还用于学生在回答问题时，现场生成学生演示电子文档，采集学生回答问题时的语音信息，同时拷贝学生演示电子文档的演示界面作为图像信息，并与上述学生的语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置（3），并共享到教师终端设备(1)和其他学生终端设备；另外学生终端设备（2）还用于采集学生个人信息，学生个人信息包括姓名、学号、头像，并把学生个人信息通过网络服务器装置（3）传输到教师终端设备（1）；学生终端设备（2）还用于采集学生的作业信息、课堂测试答题信息，并把作业信息和课堂测试答题信息通过网络服务器装置（3）传输到教师终端设备（1），集中到教学活动信息中；

网络服务器装置（3）由计算机主机（16）和网络部件组成，计算机主机（16）为服务器主机，或个人计算机主机，或笔记本电脑，或平板电脑，网络部件为网卡（17），或无线网络收发器（18），网络服务器装置（3）通过网络部件与有线或无线网络相连。

2.根据权利要求1所述的一种课堂教学师生互动网络系统，其特征在于：所述教师终端设备（1）和学生终端设备（2）均包括中央控制装置（4）、显示屏（5）、喇叭（6）、麦克风（7）、摄像头（8）和无线通信模块（9），显示屏（5）、喇叭（6）、麦克风（7）、摄像头（8）和无线通信模块（9）分别与中央控制装置（4）连接；

中央控制装置（4）采用以ARM芯片，或DSP芯片，或FPGA芯片为核心控制芯片的电子装置，或直接采用平板电脑，或笔记本电脑，或智能手机，或台式电脑；通过网络接口或无线通信模块（9）访问网络服务器装置（3）；

显示屏（5）采用普通平板显示器或带触摸功能的平板显示器；如果显示屏（5）采用普通平板显示器，则另外配备键盘（10）和鼠标（11），键盘（10）和鼠标（11）分别连接到中央控制装置（4）。

3.根据权利要求1所述的一种课堂教学师生互动网络系统，其特征在于：至少包含两台网络服务器装置（3），其中一台网络服务器装置为近端网络服务器装置（12），另外一台网络服务器装置为远端网络服务器装置（13），近端网络服务器装置（12）通过网络和远端网络服务器装置（13）连接；在近端网络服务器装置（12）的服务范围内的教师终端设备（1）和学生终端设备（2）通过有线或无线网络访问近端网络服务器装置（12）；不在近端网络服务器装置（12）的服务范围内的教师终端设备（1）和学生终端设备（2）则通过有线或无线网络直接访问远端网络服务器装置（13），并由远端网络服务器装置（13）访问近端网络服务器装置（12）；近端网络服务器装置（12）临时保存来自教师终端设备（1）和学生终端设备（2）的教学活动信息和视频信息，并在下课时上传到远端网络服务器装置（13）进行长期保存和管理；上传完毕后近端网络服务器装置（12）上临时保存的教学活动信息和视频信息将删除。

4.一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、如果是首堂课，教师在教师终端设备（1）上创建一个师生聊天群，并通过网络通知网络服务器装置（3）开辟一个存储空间用于注册、管理、传输和保存上述师生聊天群的信息；学生在学生终端设备（2）上申请加入上述师生聊天群，并通过网络通讯，将申请信息发送到教师终端设备（1），经教师同意后加入师生聊天群；以后每堂课开始讲课前，由教师在教师终端设备（1）上登录进入师生聊天群，并检查师生聊天群里的每位学生是否到现场或在线，并保存作为每位学生的出勤记录；

步骤2、教师在教师终端设备（1）上将自己设置为主讲人，教师终端设备（1）为主讲人终端设备；所有学生为听课人，学生终端设备（2）为听课人终端设备；

步骤3、主讲人讲课或回答问题，在主讲人终端设备上演示电子文档，主讲人终端设备采集主讲人的语音信息，同时拷贝电子文档演示时的界面作为图像信息，并与上述语音信息合并生成视频信息，进一步将该视频信息进行视频压缩编码后通过网络传输到网络服务器装置（3），并共享到所有听课人终端设备，听课人终端设备接收上述经过视频压缩编码的视频信息，并对该视频信息解码后进行播放；

步骤4、任何听课人如果有疑问，可以在听课人终端设备上输入文字信息或表情符号，并通过网络传输到网络服务器装置（3），然后共享到主讲人终端设备，主讲人终端设备将上述文字信息以弹幕方式滚动显示在主讲人终端设备的屏幕边沿；主讲人看到上述信息后自行决定继续讲授或停止讲授进行答疑；

步骤5、讲课过程中，教师根据需要通过发布问题或课堂测试题进行提问，并在听课学生中选择某一个学生回答问题，或所有学生提交课堂测试题答案；

步骤6、在学生回答问题时，如果需要看学生的终端设备的屏幕，教师通过教师终端设备（1）将回答问题的学生设置为临时主讲人，此时回答问题的学生的终端设备转换为主讲人终端设备，主讲教师的终端设备（1）转换为听课人终端设备，而其他学生的终端设备仍然为听课人终端设备，然后循环执行步骤3和4直到学生回答问题结束，再然后转步骤2；如果不需要看学生的屏幕，则学生直接口头回答问题，直到回答完毕；

步骤7、步骤3至步骤6不停循环，直到课堂结束；

步骤8、课堂结束时，教师通过教师终端设备（1）选择由网络服务器装置（3）对上课期间保存的教学活动信息和视频信息进行整理，削减既无图像变化也无语音信息的空白视频段，然后将各个视频片段串接成为一个整体视频，并将整体视频进行长期保存和管理。

5.根据权利要求4所述的一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于在：

在执行步骤1后，在需要进行聊天室聊天的时候，执行聊天室聊天步骤：教师终端设备（1）和学生终端设备（2）启动聊天室聊天模式，教师和学生通过师生聊天群交流信息，任何学生终端设备（2）发送的消息首先集中到教师终端设备（1），再由教师终端设备（1）经网络服务器装置（3）共享到所有学生终端设备（2），禁止两台学生终端设备（2）之间直接传输信息，交流信息结束后退出聊天室聊天模式。

6.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于：

在步骤1中，在首堂课，当教师在教师终端设备（1）上创建师生聊天群时，借助教师终端设备（1）上的摄像头和人脸识别技术拍摄教师自己的头像，并上传保存到网络服务器装置（3）；当学生申请加入师生聊天群时，借助学生终端设备（2）上的摄像头和人脸识别技术拍摄学生自己的头像，上传保存到网络服务器装置（3），并共享到教师终端设备（1）；以后每堂课开始讲课前，当教师借助教师终端设备（1）检查师生聊天群里的每位学生是否到现场或在线时，通知学生借助学生终端设备（2）上的摄像头和人脸识别技术拍摄学生自己头像，并经由网络服务器装置（3）共享到教师终端设备（1），以供教师检查和监督。

7.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于：

在步骤3中，网络服务器装置（3）将压缩编码后的视频信息通过网络以广播方式共享到所有听课人终端设备，

在步骤3中，当听课人终端设备播放解码后的视频信息时，自动根据听课人终端设备的屏幕大小对播放视频的画面进行缩小或放大调整，以及横向显示或竖向显示调整；或者由听课人对听课人终端设备上播放的视频画面大小手动进行缩小或放大。

8.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于：

在步骤5中，当主讲教师发布问题或课堂测试题时，以口头形式发布问题，或通过电子教案发布问题或课堂测试题，或执行聊天室聊天步骤，在教师终端设备（1）上启动聊天室聊天模式，通过聊天窗口发布问题或课堂测试题。

9.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于：

在步骤5中，当主讲教师在听课学生中选择某一个学生回答问题时，执行聊天室聊天步骤，在教师终端设备（1）上启动聊天室聊天模式，在听课师生聊天群成员中选择学生，此时群成员的头像和姓名显示在教师终端设备（1）的屏幕上以供老师进行选择。

10.根据权利要求5所述的一种用于权利要求1所述课堂教学师生互动网络系统的方法，其特征在于：

在步骤8中，在网络服务器装置（3）上对上课期间记录的视频文件进行保存时，网络服务器装置（3）通过网络询问是否需要加密保存；如果需要加密保存，则提示教师输入密码，并根据该密码进行加密保存，在课后只有获得授权的学生才能解码打开该加密保存的视频文件。