CN111399647A - 一种人工智能自适应互动教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工智能自适应互动教学系统，具体涉及电子教学领域，包括自适应教学装置、服务器，音频采集单元、影像撷取单元的输出端分别耦接有语音识别模块、眼动轨迹跟踪单元，语音识别模块、眼动轨迹跟踪单元的输出端分别电信号连接有语音控制模块、眼动控制模块，音频采集单元、影像撷取单元的输出端电性连接有音像产生单元，音像产生单元的输出端电性连接有指令产生单元。本发明通过全新的交互方式进行交互，利用新兴的眼动控制模块和语音控制模块帮助使用者更专注进行学习，提高教学的授业效果，采用语音控制以及眼动指令控制相较于传统键盘鼠标控制更加简单，不易分散学生注意力，提高教学效果，帮助学生学习。
Description
技术领域
本发明涉及电子教学技术领域，更具体地说，本发明具体为一种人工智能自适应互动教学系统。
背景技术
自适应促使学习方式发生深刻变革：每个人都有自己的路径自适应(Adaptive)，顾名思义是自我调节和匹配，具体含义是指根据数据的特征自动调整处理方法、顺序、参数和条件，以取得最佳处理效果。它不是指某项具体技术，而是多种知识和技术融合达成的一个结果。
自适应教育这一学习理念已经存在了很长时间，近年来随着人工智能在教育行业的应用，基于人工智能的自适应教育应运而生。自适应教育学习模式可实时收集学生学习数据，评估学生的学习内容，做到千人千面的个性化学习，提高学习效率。自适应学习致力于通过计算机手段检测学生当前的学习水平和状态，并相应地调整后面的学习内容和路径，帮助学生提升学习效率，然而学习是一个复杂且隐性的过程，简单的计算机编程很难实现好的效果，运用人工智能技术来实现的人工智能自适应学习应运而生。这是对传统自适应学习的升级，也是对新型学习方式的探索，在教育领域意义重大。
人工智能+自适应学习又是一个新兴的领域，相关人才和经验总体上处于匮乏状态，因此市场上的人工智能自适应学习产品基本都属于弱人工智能的范畴，但即便是弱人工智能，相比于基于人工的自适应和基于简单计算机编程的自适应来说，也已经是一种进步。弱人工智能自适应学习进化到强人工智能自适应学习的突破口在于人工智能自适应技术的突破以及其在教育垂直领域的深度落地。
现有的自适应教育技术，太过依赖传统的人机互动工具例如键盘或触摸屏，难以做到高效，自由和便捷的人机交流；同时现有的自适应教育算法的发展缓慢，无法充分利用用户的学习状态等信息确定学习内容，学习效率低下，且其单调的人机互动也使得学生的学习过程趣味性低，难以吸引学生的注意力。
因此亟需提供一种提高专注力的人工智能自适应互动教学系统。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种人工智能自适应互动教学系统，通过全新的交互方式进行交互，利用新兴的眼动控制模块和语音控制模块帮助使用者更专注进行学习，提高教学的授业效果，采用语音控制以及眼动指令控制相较于传统键盘鼠标控制更加简单，不易分散学生注意力，提高教学效果，帮助学生学习；另外，本发明通过根据使用者脸部的动作变化，采用了基于脸部以及瞳孔运动特征检测技术，判断使用者的专注度，并根据学习专注程度选择对应的教学重点，从而帮助自适应学习算法进行更好的行为预测，调整教学方式、教学计划，实现人与自适应教学系统的交互，不需要借助外部设置进行辅助，实现方式简单，提高了用户体验，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种人工智能自适应互动教学系统，包括自适应教学装置、服务器，所述自适应教学装置的内部固定安装有麦克风、摄像头，所述麦克风、摄像头分别构成音频采集单元、影像撷取单元，所述音频采集单元、影像撷取单元的输出端分别耦接有语音识别模块、眼动轨迹跟踪单元，所述语音识别模块、眼动轨迹跟踪单元的输出端分别电信号连接有语音控制模块、眼动控制模块，所述音频采集单元、影像撷取单元的输出端电性连接有音像产生单元，所述音像产生单元的输出端电性连接有指令产生单元，所述指令产生单元的输出端电性连接有信息处理单元，所述信息处理单元的输出端电性连接有自适应训练单元，所述服务器包括数据库服务器、流媒体服务器，所述数据库服务器、流媒体服务器分别用于储存自适应教学装置数据信息。
在一个优选地实施方式中，所述音频采集单元的输出端电性连接有降噪单元、音频处理单元，所述降噪单元、音频处理单元分别用于对音频采集单元采集的音频数据进行降噪处理和压缩转换处理，所述影像撷取单元的输出端电性连接有动态监测单元、影像处理单元，所述动态监测单元、影像处理单元分别用于对影像撷取单元撷取的影响进行动态检测和压缩转换处理。
在一个优选地实施方式中，所述影像撷取单元用于撷取使用者脸部动作影像；所述动态监测单元用于根据所述使用者脸部动作影像，辨识出相对应的动作指令；所述影像处理单元耦接于所述动态监测单元，用于根据所述动作指令，产生所述使用者脸部动作影像的特征点动作指令；所述特征点动作指令用于信息处理单元判断使用者专注度程度。
在一个优选地实施方式中，所述动态监测单元包括动态特征监测、动作指令生成，所述动态特征监测的输出端与动作指令生成的输入端进行耦接，所述动态特征监测包括脸部检测、脸部特征检测和瞳孔状态检测。
在一个优选地实施方式中，所述脸部检测用于辨识出所述使用者脸部，以计算出所述使用者脸部的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的所述动作指令；所述脸部特征检测用于辨识出所述使用者的脸部特征，以计算出所述脸部特征的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的所述动作指令；所述瞳孔状态检测辨识出所述使用者的瞳孔状态，以计算出所述使用者的瞳孔的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的所述动作指令。
在一个优选地实施方式中，所述指令产生单元用于分别根据音频采集单元、影像撷取单元生成不同的控制指令，所述控制指令包括音频控制指令、眼动控制指令，所述音频控制指令、眼动控制指令作为指令产生单元的结果输出至信息处理单元。
在一个优选地实施方式中，所述信息处理单元内部集成有人工智能算法、用户信息库构建和自适应学习算法，所述人工智能算法将所述动作指令分析运算使用者专注度程度；所述用户信息库构建用于将所述动作指令保存生成使用者针对性的动作指令库；所述自适应学习算法用于根据所述动作指令判断使用者的自适应学习情况。
在一个优选地实施方式中，所述自适应训练单元的输出端电性连接有自适应反馈单元，所述自适应反馈单元用于负反馈调节所述自适应学习算法进行运算变量干预。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过全新的交互方式进行交互，利用新兴的眼动控制模块和语音控制模块帮助使用者更专注进行学习，提高教学的授业效果，采用语音控制以及眼动指令控制相较于传统键盘鼠标控制更加简单，不易分散学生注意力，提高教学效果，帮助学生学习；
2、本发明通过根据使用者脸部的动作变化，采用了基于脸部以及瞳孔运动特征检测技术，判断使用者的专注度，并根据学习专注程度选择对应的教学重点，从而帮助自适应学习算法进行更好的行为预测，调整教学方式、教学计划，实现人与自适应教学系统的交互，不需要借助外部设置进行辅助，实现方式简单，提高了用户体验。
3、本发明通过设置自适应训练单元，利用自适应教学系统中的训练单元通过测试的方式测试教学目标的是否达成并通过所得结果负反馈控制自适应教学系统的算法变量，帮助使用者反复温习掌握较差的知识点进行反复温习，帮助使用者更好的掌握教学内容，提高自适应教学的教学质量。
附图说明
图1为本发明的硬件控制结构示意图。
图2为本发明的音像处理结构示意图。
图3为本发明的自适应算法控制结构示意图。
图4为本发明的动态检测结构示意图。
附图标记为：1、自适应教学装置；101、麦克风；102、摄像头；2、服务器；3、音频采集单元；4、语音识别模块；5、语音控制模块；6、影像撷取单元；7、眼动轨迹跟踪单元；8、眼动控制模块；9、音像产生单元；10、数据库服务器；11、指令产生单元；12、音频控制指令；13、眼动控制指令；14、信息处理单元；15、自适应训练单元；16、流媒体服务器；17、自适应反馈单元；31、降噪单元；32、音频处理单元；61、动态监测单元；62、影像处理单元；611、动态特征监测；612、动作指令生成。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。
如附图1-4所示的一种人工智能自适应互动教学系统，包括自适应教学装置1、服务器2，自适应教学装置1的内部固定安装有麦克风101、摄像头102，麦克风101、摄像头102分别构成音频采集单元3、影像撷取单元6，音频采集单元3、影像撷取单元6的输出端分别耦接有语音识别模块4、眼动轨迹跟踪单元7，语音识别模块4、眼动轨迹跟踪单元7的输出端分别电信号连接有语音控制模块5、眼动控制模块8，音频采集单元3、影像撷取单元6的输出端电性连接有音像产生单元9，音像产生单元9的输出端电性连接有指令产生单元11，指令产生单元11的输出端电性连接有信息处理单元14，信息处理单元14的输出端电性连接有自适应训练单元15，服务器2包括数据库服务器10、流媒体服务器16，数据库服务器10、流媒体服务器16分别用于储存自适应教学装置1数据信息。
实施方式具体为：通过全新的交互方式进行交互，利用新兴的眼动控制模块和语音控制模块帮助使用者更专注进行学习，提高教学的授业效果，采用语音控制以及眼动指令控制相较于传统键盘鼠标控制更加简单，不易分散学生注意力，提高教学效果，帮助学生学习；另外，本发明通过根据使用者脸部的动作变化，采用了基于脸部以及瞳孔运动特征检测技术，判断使用者的专注度，并根据学习专注程度选择对应的教学重点，从而帮助自适应学习算法进行更好的行为预测，调整教学方式、教学计划，实现人与自适应教学系统的交互，不需要借助外部设置进行辅助，实现方式简单，提高了用户体验。
其中，音频采集单元3的输出端电性连接有降噪单元31、音频处理单元32，降噪单元31、音频处理单元32分别用于对音频采集单元3采集的音频数据进行降噪处理和压缩转换处理，影像撷取单元6的输出端电性连接有动态监测单元61、影像处理单元62，动态监测单元61、影像处理单元62分别用于对影像撷取单元6撷取的影响进行动态检测和压缩转换处理，用于实现音频处理和影像处理，捕捉和转换使用者交互指令。
其中，影像撷取单元6用于撷取使用者脸部动作影像；动态监测单元61用于根据使用者脸部动作影像，辨识出相对应的动作指令；影像处理单元62耦接于动态监测单元61，用于根据动作指令，产生使用者脸部动作影像的特征点动作指令；特征点动作指令用于信息处理单元14判断使用者专注度程度，基于脸部以及瞳孔运动特征检测技术，判断使用者的专注度。
其中，动态监测单元61包括动态特征监测611、动作指令生成612，动态特征监测611的输出端与动作指令生成612的输入端进行耦接，动态特征监测611包括脸部检测、脸部特征检测和瞳孔状态检测，可根据特征检测感知用户交互指令的快速感知，感知更加灵敏。
其中，脸部检测用于辨识出使用者脸部，以计算出使用者脸部的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的动作指令；脸部特征检测用于辨识出使用者的脸部特征，以计算出脸部特征的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的动作指令；瞳孔状态检测辨识出使用者的瞳孔状态，以计算出使用者的瞳孔的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的动作指令，实现人与自适应教学系统的交互，不需要借助外部设置进行辅助。
其中，指令产生单元11用于分别根据音频采集单元3、影像撷取单元6生成不同的控制指令，控制指令包括音频控制指令12、眼动控制指令13，音频控制指令12、眼动控制指令13作为指令产生单元11的结果输出至信息处理单元14，实现信息获取到信息处理阶段的信号传递。
其中，信息处理单元14内部集成有人工智能算法、用户信息库构建和自适应学习算法，人工智能算法将动作指令分析运算使用者专注度程度；用户信息库构建用于将动作指令保存生成使用者针对性的动作指令库；自适应学习算法用于根据动作指令判断使用者的自适应学习情况，帮助使用者更专注进行学习，提高教学的授业效果。
其中，自适应训练单元15的输出端电性连接有自适应反馈单元17，自适应反馈单元17用于负反馈调节自适应学习算法进行运算变量干预，通过训练测试的方式测试教学目标的是否达成并通过所得结果负反馈控制自适应教学系统的算法变量，帮助使用者更好的掌握教学内容，提高自适应教学的教学质量。
本发明工作原理：
首先当使用者使用该人工智能自适应教学装置1时，可通过麦克风101、摄像头102进行语音控制和眼动控制，通过语音识别模块4、眼动轨迹跟踪单元7等一系列转换将人物语音与眼动轨迹转换为音频控制指令12、眼动控制指令13，并合成完整音像保存于数据库服务器10中供后期数据算法优化，音频控制指令12、眼动控制指令13在经由信息处理单元14中人工智能算法和自适应学习算法的运算后，用于分析学生的学习状态，判断学生的学习专注程度，并根据学习专注程度选择对应的教学重点，优化教学内容结构，以提高学生的学习效果，从而帮助自适应学习算法进行更好的行为预测，调整教学方式、教学计划，实现人与自适应教学系统的交互，不需要借助外部设置进行辅助，实现方式简单，提高了用户体验。
且可通过自适应教学系统中的自适应训练单元15通过测试的方式测试教学目标的是否达成并通过所得结果负反馈控制自适应教学系统的算法变量，帮助使用者反复温习掌握较差的知识点进行反复温习，帮助使用者更好的掌握教学内容，提高自适应教学的教学质量。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种人工智能自适应互动教学系统，包括自适应教学装置(1)、服务器(2)，其特征在于：所述自适应教学装置(1)的内部固定安装有麦克风(101)、摄像头(102)，所述麦克风(101)、摄像头(102)分别构成音频采集单元(3)、影像撷取单元(6)，所述音频采集单元(3)、影像撷取单元(6)的输出端分别耦接有语音识别模块(4)、眼动轨迹跟踪单元(7)，所述语音识别模块(4)、眼动轨迹跟踪单元(7)的输出端分别电信号连接有语音控制模块(5)、眼动控制模块(8)，所述音频采集单元(3)、影像撷取单元(6)的输出端电性连接有音像产生单元(9)，所述音像产生单元(9)的输出端电性连接有指令产生单元(11)，所述指令产生单元(11)的输出端电性连接有信息处理单元(14)，所述信息处理单元(14)的输出端电性连接有自适应训练单元(15)，所述服务器(2)包括数据库服务器(10)、流媒体服务器(16)，所述数据库服务器(10)、流媒体服务器(16)分别用于储存自适应教学装置(1)数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述音频采集单元(3)的输出端电性连接有降噪单元(31)、音频处理单元(32)，所述降噪单元(31)、音频处理单元(32)分别用于对音频采集单元(3)采集的音频数据进行降噪处理和压缩转换处理，所述影像撷取单元(6)的输出端电性连接有动态监测单元(61)、影像处理单元(62)，所述动态监测单元(61)、影像处理单元(62)分别用于对影像撷取单元(6)撷取的影响进行动态检测和压缩转换处理。
3.根据权利要求2所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述影像撷取单元(6)用于撷取使用者脸部动作影像；所述动态监测单元(61)用于根据所述使用者脸部动作影像，辨识出相对应的动作指令；所述影像处理单元(62)耦接于所述动态监测单元(61)，用于根据所述动作指令，产生所述使用者脸部动作影像的特征点动作指令；所述特征点动作指令用于信息处理单元(14)判断使用者专注度程度。
4.根据权利要求2所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述动态监测单元(61)包括动态特征监测(611)、动作指令生成(612)，所述动态特征监测(611)的输出端与动作指令生成(612)的输入端进行耦接，所述动态特征监测(611)包括脸部检测、脸部特征检测和瞳孔状态检测。
5.根据权利要求4所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述脸部检测用于辨识出所述使用者脸部，以计算出所述使用者脸部的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的所述动作指令；所述脸部特征检测用于辨识出所述使用者的脸部特征，以计算出所述脸部特征的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的所述动作指令；所述瞳孔状态检测辨识出所述使用者的瞳孔状态，以计算出所述使用者的瞳孔的相对空间位置的变化情况，进而产生相对应的所述动作指令。
6.根据权利要求1所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述指令产生单元(11)用于分别根据音频采集单元(3)、影像撷取单元(6)生成不同的控制指令，所述控制指令包括音频控制指令(12)、眼动控制指令(13)，所述音频控制指令(12)、眼动控制指令(13)作为指令产生单元(11)的结果输出至信息处理单元(14)。
7.根据权利要求1所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述信息处理单元(14)内部集成有人工智能算法、用户信息库构建和自适应学习算法，所述人工智能算法将所述动作指令分析运算使用者专注度程度；所述用户信息库构建用于将所述动作指令保存生成使用者针对性的动作指令库；所述自适应学习算法用于根据所述动作指令判断使用者的自适应学习情况。
8.根据权利要求1所述的一种人工智能自适应互动教学系统，其特征在于：所述自适应训练单元(15)的输出端电性连接有自适应反馈单元(17)，所述自适应反馈单元(17)用于负反馈调节所述自适应学习算法进行运算变量干预。
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