CN109697904A - 机器人智慧课堂辅助教学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人智慧课堂辅助教学系统及方法，教学系统包含一管理平台、一数据中心、若干机器人、若干电子黑板及若干用户终端。方法包含：管理平台根据第一指令推送相应的教学任务至各教室端的机器人；各教室端的机器人根据接收到的教学任务从数据中心获取相应的教学数据；各教室端的机器人及与其配合使用的电子黑板协同输出所述教学数据。本发明的机器人智慧课堂辅助教学系统及方法以管理平台为核心，以机器人、电子黑板、PC、移动终端等为输出终端，可实现教育资源的统一管理以及教学内容的多样性输出，建设涵盖多媒体信息化教学、远程教学、录播系统等的教学系统，有效实现科技教育良性延展与智能化提升，实现学生受教育的质量均匀化。

Description

机器人智慧课堂辅助教学系统及方法

技术领域

本发明涉及教育系统领域，特别是涉及一种机器人智慧课堂辅助教学系统及方法。

背景技术

电子信息化已经成为带动教育现代化、智能化，实现教育跨越式发展的重要手段。国家对教育信息化的重视和投入前所未有，在《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》中也特别提出“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，“探索现代信息技术与教育的全面深度，以信息化引领教育理念和教育模式”。

教育信息化的目的是利用先进的信息化手段和工具，实现从环境(网络基础、设备、课室等)、资源(课件、视频、电子图书等)到活动(教、学、管理、沟通、办公等)的全部数字化，为师、生提供开放式的数字化教学环境，最终实现教育过程的全面信息化，从而达到提升教育管理水平和效率的目的。

智慧课堂是教育信息化重要组成部分——也是利用“数字化”、“网络化”、“智能化”等新一代信息技术集成发展的必然趋势，随着技术发展，特别是交互智能平板硬件的成熟，系统软件开发的迅速跟进，智慧学校已是教育信息化、智慧应用水到渠成的产物。

目前，市面上还没有成熟的智慧课堂解决方案，所谓的教育信息化仍停留在利用投影仪播放PPT的阶段。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种信息化程度较高的机器人智慧课堂辅助教学系统及方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的机器人智慧课堂辅助教学系统，包含

一管理平台，其作为协调其他组件的总控制中心；

一数据中心，其存储有教学数据；

若干机器人，其为教室端的执行主体，其可受所述管理平台调度管理，且可与所述数据中心互通数据；

若干电子黑板，其为教室端的展示主体，与所述机器人配套使用，且可与所述机器人互通数据；及若干用户终端，其为用户端的访问主体，可与所述管理平台通信。进一步地，所述用户终端包含教师终端、家长终端、学生终端、教育局终端。

机器人智慧课堂辅助教学方法，应用于机器人智慧课堂辅助教学系统，所述方法包括：

管理平台根据第一指令推送相应的教学任务至各教室端的机器人；

各教室端的机器人根据接收到的教学任务从数据中心获取相应的教学数据；

各教室端的机器人及与其配合使用的电子黑板协同输出所述教学数据。

进一步地，所述方法还包括：

管理平台获取每个所述机器人采集的课堂数据；

管理平台对获取到的课堂数据进行筛选并将筛选出的课堂数据作为新的教学数据存储至所述数据中心。

进一步地，所述方法还包括：

管理平台根据所述教学数据构建各班级和/或各学生的知识图谱；

管理平台根据所述知识图谱生成针对各班级和/或各学生的教学建议。

进一步地，所述管理平台根据所述教学数据构建各班级和/或各学生的知识图谱包括：

建立对应于各班级或各学生知识图谱框架；其中，所述知识图谱框架包含班级或学生的基础信息及多个信息维度；

从所述教学数据中获取对应于各信息维度的数据补充至所述知识图谱框架中构成所述知识图谱；

所述管理平台根据所述知识图谱生成针对各班级和/或各学生的教学建议包括：

根据班级的知识图谱生成适宜班级情况的教学计划，根据学生的知识图谱生成适宜学生个人学习情况的作业规划。

进一步地，所述方法还包括：

管理平台接收用户终端或外部系统发来的针对相应数据的数据交互请求；

管理平台判断用户终端或外部系统对其请求交互的相应数据是否具有访问权限；

当用户终端或外部系统对其请求交互的相应数据具有访问权限时，管理平台受理用户终端的数据交互请求，并建立用户终端与相应数据的连接。

进一步地，所述管理平台根据第一指令推送相应的教学任务至各教室端的机器人包括：

管理平台接收所述机器人发来的就绪信息并根据机器人所在教室端对应的课表与教学进度推送相应的教学任务至所述机器人，或管理平台根据用户终端的控制指令或用户通过机器人返回的请求指令推送相应的教学任务至所述机器人；其中，所述控制指令或请求指令包含所需调取的教学任务。

进一步地，所述教学数据包含音频、文字、图像、视频、课堂互动规则以及针对机器人的动作指令，所述各教室端的机器人及与其配合使用的电子黑板协同输出所述教学数据包括：

机器人执行所述动作指令并输出所述音频；

机器人将所述文字、图像、视频投影至与其配套的所述电子黑板；

机器人执行所述课堂互动规则与学生互动。

进一步地，所述方法还包括：

管理平台从所述数据中心的教学数据中提取特定数据并将其发布至预设的互动社区。

有益效果：本发明的机器人智慧课堂辅助教学系统及方法以管理平台为核心，并以机器人、电子黑板、PC、移动终端为输出终端，可实现教育资源的统一管理以及教学内容的多样性输出，实现信息化教学，使得教育管理智能化，学生受教育的质量均匀化。

附图说明

附图1为本发明各实施例之机器人智慧课堂辅助教学系统的系统构成示意图；

附图2为本发明一实施例之机器人智慧课堂辅助教学方法的流程示意图；

附图3为本发明一实施例之机器人智慧课堂辅助教学方法中采集课堂数据并存储至数据中心的流程示意图；

附图4为本发明一实施例之机器人智慧课堂辅助教学方法中构建知识图谱并给出教学建议的流程示意图；

附图5为本发明一实施例之机器人智慧课堂辅助教学方法中管理平台管理数据交互权限的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1所示的机器人智慧课堂辅助教学系统(以下简称“教学系统”)，包含一管理平台100、一数据中心200、若干机器人300、若干电子黑板400及若干用户终端500。

其中管理平台100作为协调其他组件的总控制中心，其利用各种接口和线路连接整个教学系统的各个组成部分，管理平台100自身包含有处理器与存储芯片，存储芯片内存储有处理器可执行的软件程序和/或模块，处理器通过运行或执行预设的软件程序和/或模块，以及调用数据中心200内的数据，可执行教学系统的各种功能，管理平台100的形式可以是计算机、机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器(包括独立的服务器，或者多个服务器所组成的服务器集群)等具有数据处理能力的设备；

数据中心200具有存储数据并供其他组件访问数据及修改数据的功能，其内主要存储有各类教学数据，此处所述的教学数据包含但不限于教学课件、视频、音频、学生个人数据、班级集体数据、学生作业数据、考试数据等，此处教学数据的类型可根据实际教学的需要进行增减，这些都应当视作落入本发明的保护范围；此外，此处的数据中心200的形式可以是硬盘(包含机械硬盘与固态硬盘)等实体存储设备，也可以是云盘等云端数据存储设备。

机器人300为教室端的执行主体，其可受所述管理平台100调度管理，且可与所述数据中心200互通数据；机器人300由可移动底盘、触摸屏、电池、控制器以及传感器组等模块构成，各类模块间，采用总线式通信，满足机器人300各模块间大数据、多节点通信要求，同时便于后续模块的扩展、升级。控制器可控制可移动底盘移动，使得机器人300整体可移动，触摸屏可输出用户界面用于人机交互，并可输出文字、图像、视频等信息供用户参考，所述传感器组包括用于采集声音的麦克风阵列、用于输出声音的扬声器、用于采集图像的相机以及用于辅助机器人自主导航的传感器，如激光雷达、深度相机、IMU、里程计等，其中激光雷达用于采集障碍物信息，深度相机用于采集环境中的图像数据及图像数据对应的景深数据，IMU用于采集加速度数据，里程计用于采集移动底盘的主动轮的里程数据，激光雷达、深度相机、IMU、里程计等采集的数据可为机器人300在运动区域内进行地图构建、机器人自主定位与路径规划(SLAM)提供数据基础，基于激光雷达与深度相机的SLAM技术为现有技术，此处不对其进行具体介绍。此外，机器人300还可以包含超声波传感器、红外传感器等探测传感器，为机器人300的自主导航与智能避障提供补充数据，提高机器人300的行走安全性且确保其不会撞到人或物。

电子黑板400为教室端的展示主体，其与所述机器人300配套使用，且可与所述机器人300互通数据；电子黑板400可以是显示屏、大屏电视等形式，机器人300可将PPT、文字、图像、视频等内容通过无线传输技术投送至电子黑板400，学生通过看电子黑板400获得知识，解决了机器人300只能一对一交互，不能一对多交互的问题，将机器人300输出的教学数据输出给教师内所有的学生。优选地，本实施例中电子黑板400采用具有触控功能的纳米触控黑板，其既可作为具有触摸功能的显示屏使用，用手触控观看PPT、视频、图片、动画等各种丰富的多媒体应用，还可以充当黑板的作用，用粉笔正常书写。

用户终端500，其为用户端的访问主体，可与所述管理平台100通信。具体地，所述用户终端500包含教师终端、家长终端、学生终端、教育局终端。用户终端500的形式可以但不限于是手机、平板电脑、台式电脑等，也可以是特制的交互装置，如可为课堂定制学生用的答题器以方便学生与机器人300互动交流。教师通过教师终端可以进行上传教材、调度机器人300查看教师内情况等操作，家长通过家长终端可获知学生的学习状况，学生通过学生终端可以上传作业、查询成绩等，教育局工作人员通过教育局终端可以在线听课、获取各学校的各项数据等。当然，用户终端500也可直接或间接与机器人300通信。

如附图2所示的机器人300智慧课堂辅助教学方法，应用于机器人300智慧课堂辅助教学系统，所述方法包括如下步骤S601-S603，，应该知晓，此处及以下的步骤序号不用于限定步骤的执行顺序，其中若干步骤的执行顺序可根据需要颠倒。

步骤S601，管理平台100根据第一指令推送相应的教学任务至各教室端的机器人300；

本步骤中，所述第一指令的形式可以是：(1)用户终端500的控制指令；(2)用户通过机器人300返回的请求指令；(3)机器人300端发来的就绪信息；前两种情况下，用户可通过用户终端500或机器人300向管理平台100请求对应的教学内容，每节课的教学内容与教学进度由教师人为掌控，所述控制指令或请求指令包含所需调取的教学任务；最后一种情形下，管理平台100掌握各教室端的教学进度，只需收到机器人300发来的就绪信息，表示学生已作好上课准备，管理平台100根据教学进度安排教学任务并将其推送至相应教室端的机器人300，该情形下管理平台100介入教学的程度更深，人工智能化程度更高。

步骤S602，各教室端的机器人300根据接收到的教学任务从数据中心200获取相应的教学数据；

本步骤中所述相应的教学数据包含PPT、音频、文字、图像、视频、课堂互动规则以及针对机器人300的动作指令，其中，课堂互动规则包含在课程进行到一定程度时提问、组织讨论等互动形式；针对机器人300的动作指令包含机器人300在讲课过程中的动作步骤，使得机器人300可以像人一样在讲课时可以根据需要走动位置，或者可在自习课在教室巡回等。

步骤S603，各教室端的机器人300及与其配合使用的电子黑板400协同输出所述教学数据。

本步骤中，具体包含如下内容：(1)机器人300执行所述动作指令并输出所述音频；(2)机器人300将所述文字、图像、视频投影至与其配套的所述电子黑板400；(3)机器人300执行所述课堂互动规则与学生互动。

此外，本步骤中，机器人300可自主完成所有的教学工作，或者也可以充当助教角色，由真人教师充当主讲老师，教师教学过程中通过向机器人300发送指令使机器人300配合其输出相应的教学数据，教师可通过机器人300自带的人机交互单元(如通过语音发送指令“助教，播放观赏视频”，控制机器人300的控制器通过其搭载的麦克风收到语音指令并执行对应任务)控制机器人300执行所需的任务，也可以通过可与机器人300通信的电子教鞭等外设设备向机器人300发送指令，如：教师可通过外设设备上的按钮发出PPT翻页指令。

可选地，如附图3所示，所述方法还包括如下步骤S701-S702：

步骤S701，管理平台100获取每个所述机器人300采集的课堂数据；

本步骤中，课堂数据由机器人300上的相机、阵列式麦克风等传感器采集得到，也可以是学生通过学生终端上传的针对课堂互动规则的提问给出的答案等；

步骤S702，管理平台100对获取到的课堂数据进行筛选并将筛选出的课堂数据作为新的教学数据存储至所述数据中心200。

本步骤中，筛选出的数据可以是根据相机采集的图像分析出的上课学生积极性情况，如提问时学生的举手数量，也可以是根据学生发言转换成的文字信息，或者是根据学生通过学生终端上传的答案数据统计出的正确率信息，根据这些数据管理平台100可以分析上课的效果、掌握学生对知识点的掌握情况、统计重点难点。

在一种实施例中，当一种学生终端为定制的答题器时，教室内的学生均配有答题器，答题器上具有人机交互单元，人机交互单元的形式可以但不限于包含按钮、触摸屏、麦克风，通过按钮与触摸屏学生可以进行电子举手、输入机器人300所提问问题的答案等操作，通过麦克风学生可语音回答机器人300所提问的问题。这种方式更方便机器人300与学生之间进行互动，也更方便机器人300进行课堂数据的采集。

机器人300与学生进行互动的一种实施例如下述步骤A1-A5：

步骤A1，机器人300的讲课进程到达一个预设节点，提出问题；

步骤A2，机器人300统计预设时间段内所有学生终端中反馈的电子举手的数量与学生信息；

步骤A3，机器人300随机抽取一位进行电子举手的学生回答问题，并接收学生通过人机交互单元反馈的答案；此处反馈的答案可以是A、B、C、D等选项，也可以是学生通过输入的数值结果，或者是学生通过麦克风输入的语音；

步骤A4，机器人300判断学生通过人机交互单元反馈的答案的正确性；

步骤A5，当学生的答案正确，结束当前进程，当学生的答案错误，继续进行步骤A2-A4，直至有学生的答案正确或错误回答的数量超过设定阈值机器人300自行公布答案。

另一种交互方式如下述步骤B1-B2：

步骤B1，机器人300的讲课进程到达一个预设节点，提出问题，并要求所有学生通过学生终端输入答案；

步骤B2，机器人300接收学生输入的答案，统计正确率，并公布正确答案。

在上述步骤A1-A5与步骤B1-B2中，机器人300可采集的数据有：(1)学生的电子举手数量；(2)各学生在一段学习时间内的举手次数，由该数据可获知学生的活跃度；(3)问题的答错率，由此数据可获知相应知识点的难度。

需要说明的是，数据中心200中存储的教学数据的来源很多，采集并筛选出的课堂数据只是其中的一种。

进一步地，如附图4所示，所述方法还包括如下步骤S801-S802：

步骤S801，管理平台100根据所述教学数据构建各班级和/或各学生的知识图谱；

本步骤中，构建知识图谱具体包括如下步骤S801a-S801b：

步骤S801a，建立对应于各班级或各学生知识图谱框架；其中，所述知识图谱框架包含班级或学生的基础信息及多个信息维度；如，针对班级的知识图谱框架可包含如下信息维度：各科平均成绩、各科平均成绩在学校的排名走势、各科学生成绩的分布状况、各科易错知识点、学生的排名变化等；针对学生个人的知识图谱框架可包含如下信息维度：各科成绩、各科成绩走势、作业完成情况、课堂积极性、作业错题数据等。

步骤S801b，从所述教学数据中获取对应于各信息维度的数据补充至所述知识图谱框架中构成所述知识图谱；

步骤S802，管理平台100根据所述知识图谱生成针对各班级和/或各学生的教学建议。

本步骤具体包括：根据班级的知识图谱生成适宜班级情况的教学计划，根据学生的知识图谱生成适宜学生个人学习情况的作业规划。具体表现为：如针对班级的知识图谱，可以知道班级整体在哪一科目比较薄弱，各科平均成绩在学校的排名走势在走低，可适当地调整课表，使得薄弱科目的课程适当增多。针对学生的知识图谱，可根据其个人的错题数据为其安排适应其个人的作业，使其在易错的知识点上加强训练，举一反三，最终掌握易错知识点。

可选地，如附图5所示，所述方法还包括如下步骤S901-S903：

步骤S901，管理平台100接收用户终端500或外部系统发来的针对相应数据的数据交互请求；

步骤S902，管理平台100判断用户终端500或外部系统对其请求交互的相应数据是否具有访问权限；

步骤S903，当用户终端500或外部系统对其请求交互的相应数据具有访问权限时，管理平台100受理用户终端500的数据交互请求，并建立用户终端500与相应数据的连接。

通过上述步骤S901-S903，对应的用户终端500可以访问相应的数据内容并与其交互，如教师可通过教师终端访问、修改、上传教学课件并下发作业、公布成绩等，学生可通过学生终端上传作业、回答课堂提问答案、查询成绩等，学校领导可通过领导终端发布公告，家长可通过家长终端访问学生的学习状况，教育局可通过教育局终端发布公告、采集学校的各项数据等。

此处以学生终端的使用场景为例，学生终端可以是PC或智能手机、平板电脑等移动终端，学生除了通过学生终端上传作业、查询成绩外，还可以通过学生终端进行远程课程学习以及录播课程学习。

先以远程课程学习为例，学生可在任意场合通过学生终端向管理平台100发送登入请求，管理平台100通过步骤S901-S903验证学生终端的权限并确认通过后，学生终端可用过管理平台100连接特定的机器人300，此情况下，在步骤步骤S603中机器人300及与其配合使用的电子黑板400协同输出所述教学数据的同时，机器人300将教学数据以同步传送的方式推送至学生终端，这里的教学数据可以包含机器人300投射在电子黑板400上的内容、同步讲解音频以及机器人300与学生互动的实时语音数据与画面数据，在此情况下，学生可通过学生终端进行远程课程学习，学生在远程学习过程中可通过学生终端实时参与课堂互动，学习过程具有较好的临场感，学习效果较好。

再以录播课程学习为例，学生可在任意场合通过学生终端向管理平台100发送登入请求，管理平台100通过步骤S901-S903验证学生终端的权限并确认通过后，学生可点播特定的录播课程视频或音频进行学习，录播课程视频或音频可由机器人300在教学过程中通过其搭载的相机实时录取，可选地也可以在每个教室端设置专门用于录播课程的录播设备，录播设备可直接与管理平台100通信或通过机器人300与管理平台100通信，其录播的视频或音频内容也作为教学数据存储至管理平台100，工作人员可通过用户终端500对录下的视频或音频内容进行处理精选后发布至用户可访问的数据中心200。

上述远程课程学习以及录播课程学习方式可实现各校共享教学数据的目的，实现教育资源的公平共享，打破资源孤岛造成的教育不公平。

优选地，所述方法还包括：管理平台100从所述数据中心200的教学数据中提取特定数据并将其发布至预设的互动社区。管理平台100管理用户终端500访问互动社区的权限，当用户有权限登入互动社区，可以进行相应的互动操作，如可进行教师点评、作业分享、同学点赞等互动操作，使得学习过程变得生动有趣。

本发明的机器人智慧课堂辅助教学系统及方法以管理平台为核心，并以教室端的机器人与电子黑板为输出终端，可实现教育资源的统一管理以及教学内容的多样性输出，实现信息化教学，使得教育管理智能化，学生受教育的质量均匀化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.机器人智慧课堂辅助教学系统，其特征在于，包含

一管理平台，其作为协调其他组件的总控制中心；

一数据中心，其存储有教学数据；

若干机器人，其为教室端的执行主体，其可受所述管理平台调度管理，且可与所述数据中心互通数据；

若干电子黑板，其为教室端的展示主体，与所述机器人配套使用，且可与所述机器人互通数据；及

若干用户终端，其为用户端的访问主体，可与所述管理平台通信。

2.由权利要求1所述的机器人智慧课堂辅助教学系统，其特征在于，所述用户终端包含教师终端、家长终端、学生终端、教育局终端。

3.机器人智慧课堂辅助教学方法，应用于机器人智慧课堂辅助教学系统，其特征在于，所述方法包括：

管理平台根据第一指令推送相应的教学任务至各教室端的机器人；

各教室端的机器人根据接收到的教学任务从数据中心获取相应的教学数据；

各教室端的机器人及与其配合使用的电子黑板协同输出所述教学数据。

4.由权利要求3所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述方法还包括：

管理平台获取每个所述机器人采集的课堂数据；

管理平台对获取到的课堂数据进行筛选并将筛选出的课堂数据作为新的教学数据存储至所述数据中心。

5.由权利要求4所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述方法还包括：

管理平台根据所述教学数据构建各班级和/或各学生的知识图谱；

管理平台根据所述知识图谱生成针对各班级和/或各学生的教学建议。

6.由权利要求5所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述管理平台根据所述教学数据构建各班级和/或各学生的知识图谱包括：

建立对应于各班级或各学生知识图谱框架；其中，所述知识图谱框架包含班级或学生的基础信息及多个信息维度；

从所述教学数据中获取对应于各信息维度的数据补充至所述知识图谱框架中构成所述知识图谱；

所述管理平台根据所述知识图谱生成针对各班级和/或各学生的教学建议包括：

根据班级的知识图谱生成适宜班级情况的教学计划，根据学生的知识图谱生成适宜学生个人学习情况的作业规划。

7.由权利要求3所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述方法还包括：

管理平台接收用户终端或外部系统发来的针对相应数据的数据交互请求；

管理平台判断用户终端或外部系统对其请求交互的相应数据是否具有访问权限；

当用户终端或外部系统对其请求交互的相应数据具有访问权限时，管理平台受理用户终端的数据交互请求，并建立用户终端与相应数据的连接。

8.由权利要求3所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述管理平台根据第一指令推送相应的教学任务至各教室端的机器人包括：

管理平台接收所述机器人发来的就绪信息并根据机器人所在教室端对应的课表与教学进度推送相应的教学任务至所述机器人，或管理平台根据用户终端的控制指令或用户通过机器人返回的请求指令推送相应的教学任务至所述机器人；其中，所述控制指令或请求指令包含所需调取的教学任务。

9.由权利要求3所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述教学数据包含音频、文字、图像、视频、课堂互动规则以及针对机器人的动作指令，所述各教室端的机器人及与其配合使用的电子黑板协同输出所述教学数据包括：

机器人执行所述动作指令并输出所述音频；

机器人将所述文字、图像、视频投影至与其配套的所述电子黑板；

机器人执行所述课堂互动规则与学生互动。

10.由权利要求3所述的机器人智慧课堂辅助教学方法，其特征在于，所述方法还包括：

管理平台从所述数据中心的教学数据中提取特定数据并将其发布至预设的互动社区。