CN114077707A - 实现个性化教学模式的网络教育系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现个性化教学模式的网络教育系统及其运行方法。网络教育系统包括搜索平台、教学全景视频采集设备和个性化云分发平台。搜索平台展示各种教学视频供用户选择，接收远程用户端发出的观看指令，并基于观看指令向相应教学全景视频采集设备转发观看指令。教学全景视频采集设备在教学场所内采集并存储教学视频，及根据观看指令将相应教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台。个性化云分发平台根据观看指令对教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，将播放视频压缩后云分发至远程用户端，在用户观看播放视频的过程中实现实时互动。本发明将线上与线下教学合为一体，观看感受好，教学互动性高，成本低。

Description

实现个性化教学模式的网络教育系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于实现个性化教学模式的网络教育系统及其运行方法，属于智慧教育技术领域。

背景技术

当前，教育领域变革迫在眉睫，究其原因主要是目前“近代私塾教育模式”不能适应飞速发展的科学技术及人类面临的各种困难，急需运用现代智慧教育培养一代新人。“近代私塾教育模式”的主要特征是：教师通过自己对所传授知识的理解，采用自以为恰当的方法向以班为单位的30-50名学生授课，采用单向灌输的方式(包括答疑解惑)来教学。这种教学方式的缺点是：1、单一的教学方法不能适应来源不同、背景不同、基因不同、思维方式不同的30-50名学生，而教师又不可能采用几种不同的教学方法对学生分别进行个性化教学。2、教育不仅仅是传授知识，通过灌输应对考试，更重要的应是让学生知其然知其所以然，灵活掌握知识，具有举一反三的开拓精神及创造性思维能力，而上述教学方式显然力不从心。目前的教育模式，无论线上还是线下均有进步，但均不够理想，这正是日前K12(从幼儿园(Kindergarten，通常5-6岁)到十二年级(Grade Twelve，通常17-18岁))及高等教育等亟待解决的问题。

目前，基于互联网的在线学习方式已被全世界各国所普及，例如，众所周知的慕课(MOOC，Massive Open Online Course的简称)这种大规模的网络公开课程学习方式，其是对线下课堂教学的一种很好的教育资源补充。但是，目前已有的各种在线学习方式达到的教学效果不尽如人意，大体上存在以下缺陷：1、远程用户观看的视频资源(教学视频)的播放方式仍然采用单向灌输的形式，只是从线下搬到了线上，无论是现场直播、转播还是录播，这些播放方式都存在远程互动不易实现，远程用户观看的画面受限等问题，例如，远程用户无法通过提问来得到答案，例如，远程用户无法自由选择画面中感兴趣的内容进行面对面交流等。可见，这种播放方式灵活性差，不能很好地调动起远程用户的学习情绪，线下研讨式优质资源无法通过互联网很好地推广，有待改进。2、个性化教学模式提供教学课件不够多，不能满足不同思维方式学生的需求。3、缺少阶梯式教学法来培养创造性思维的人才(包括大师级人才)。

发明内容

为解决当前线上学习的困境，本发明的目的在于提供一种实现个性化教学模式的网络教育系统及其运行方法，其将线上与线下教学合为一体，观看感受好，教学互动性高，成本低，适于推广。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：它包括搜索平台、教学全景视频采集设备和个性化云分发平台，各教学场所布置有教学全景视频采集设备，其中：

搜索平台用于展示各种教学视频供远程用户端的用户选择，以及接收远程用户端发出的观看指令，并基于观看指令向相应的教学全景视频采集设备转发观看指令；

教学全景视频采集设备用于在教学场所内采集并存储教学视频，以及根据接收的观看指令将相应教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台；

个性化云分发平台用于根据观看指令，对接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，以将播放视频压缩后云分发至远程用户端，解压缩后供用户观看，以及在用户观看播放视频的过程中实现与远程用户端的实时互动。

一种实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，其特征在于，它包括步骤：

用户通过所述远程用户端在所述搜索平台上选择需要观看的教学视频并设置好观看方式，其中：选择的教学视频对应的教学视频编号和用户设置的观看方式形成观看指令；

所述搜索平台基于用户发出的观看指令，向相应的教学场所内的所述教学全景视频采集设备转发观看指令；

所述教学全景视频采集设备基于观看指令，调取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令一起推送至所述个性化云分发平台；

所述个性化云分发平台根据所述搜索平台提供的观看方式以及用户做出的观看指令，对接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，将播放视频压缩后云分发至所述远程用户端，解压缩后供用户观看，其中，在用户观看播放视频的过程中，所述远程用户端能够与所述个性化云分发平台进行实时互动。

本发明的优点是：

1、本发明将线上教学与线下教学结合为一体，特别是线上教学方式灵活多样，提供的教学视频丰富充足，一方面，远程用户端播放的教学画面不再固定不变，远程用户可随时灵活选择与切换自己感兴趣的教学画面内容进行观看，观看效果大大提升，另一方面，远程用户可随时暂停来提出问题，教学互动性大大提升，有效提高了学习效果，实现了对不同学生的个性化教学，实施成本低，适于推广普及。

2、本发明可基于全景视频实现研讨式的转播与录播，通过研讨式等先进教学理念来培养学生的创造性思维能力，教学形式灵活、多样、生动。

3、本发明的这种个性化教学模式可以提供多种教学模式。以物理学为例：众所周知，其内容基本是先贤们在历史各时期的重大科研成果。当前学校教育普遍采用历史沿革的垂直思维方式来教学，以求正确性及普遍性，基本适合学生系统学习、掌握基础理论知识。不同教师运用垂直思维讲课时，选取垂直时间序列的位置不同，进而讲课方式不同：

(1)理论原理+社会应用+实际产品+对社会推动作用；

(2)时代背景+诸多理论产生的辩论+产品的演进；

(3)以典型科技产品在各个领域应用带动相关理论教学等等。

总之，基于本发明提供的多种教学模式可以供不同思维方式、不同需求的远程用户灵活选择。需要指出的是，垂直思维方式教学在传授知识方面逻辑严谨、深刻，比较理想，但在培养创造性思维方面欠佳。

4、本发明可以很好地应用于阶梯式教学，以培养出创造性思维的人才(包括大师级人才)，具体来说：

(1)阶梯式教学的内容可根据个体特点来安排。

以科学课程为例，课程内容可为：

①通过影视、传记等相关资料再现先贤们历史背景，根据传记、讲演、著作等，了解科学家及成果；

②通过影视、传记等相关资料再现科技史记载先贤们所处时代成长经历，遇到哪些问题，如何解决；

③将学生虚拟至“过去进行时态”的科学家所在时代背景，以期寓教于乐，并启迪学生分析、解决问题；

④分析科学家的成功与失误，加深对基本概念的理解，使学生初步具备科学研究的基本素质。

(2)采用阶梯式教学的优势在于，因人施教、因材施教、着眼未来。

以物理学中法拉第电磁感应定律为例，阶梯式教学内容可分为：

●阶梯1(标准级研讨式教学小组)：可线下，亦可随时远程线上参加；

自学：观看法拉第电磁感应定律视频教程；实验动画；参与手动实验装置演示；配备相关院所展览馆，回答如下研讨式教学中的问题：

①你的学习环境比法拉第如何？

②法拉第伟大人格表现在何处？

③e＝blv各分量的物理意义？

④为何法拉第研究从1821-1831才确立电磁感应定律，问题出在哪？

⑤法拉第电磁感应定律最本质解决了哪些问题？

⑥经过哪些能量转换的过程？

⑦能量转换与能量传递是非接触实现的，是否还有其他应用？

⑧能否设计一电磁感应定律应用(借助智能烘干旋转拖把或数字计量拉力器等，可得到教师的帮助)？

⑨1820年奥斯特发现了电流的磁效应，你能否运用对称性思维和逆向思维进行案例探讨？

⑩与牛顿力学的对应关系？

●阶梯2(学霸级研讨式教学小组)：提升部分，可线下，亦可随时远程线上参加；

自学：祝贺同学步入阶梯2，观看麦克斯韦方程视频教程，实验动画等，了解其生平、成就、特长；回答如下研讨式教学中问题：

①为何电生磁容易产生？磁生电却需要11年后的1831年才被发现？

②电荷之间相互作用的定量关系，跟引力的效果是一样的，说明什么？

③麦克斯韦方程积分与微分形式的方程组，说明各式的物理意义是什么？

④麦克斯韦方程与麦克斯韦滚摆的相互联系、思路是什么，相同与不同？

⑤如何理解物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的，这个理论已被广泛地应用到技术领域；

⑥创新题1：如何解决5G频率高带来的副作用，微波炉的伤害？

提示：两方面入手；

⑦如何提高传输效率？提示：模拟量、数字量混合传输。

●阶梯3(未来大师级研讨式教学小组)：可线下，亦可随时远程线上参加；

自学：祝贺你步入阶梯3，进入先贤未竟事业。观看爱因斯坦大一统理论视频教程、实验动画等；回答如下研讨式教学中问题：

①为何说麦克斯韦方程组是人类历史上空前绝后的链接物理学的大一统？把有形--无形；接触--非接触、宏观(广义、狭义相对论)--微观(量子力学)、物理--化学学说互相整合。

②爱因斯坦更进一步致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用，进而解释宇宙的一切物理现象，但目前没有成功。

③你是否愿意步伟大科学家的后尘，完成建立统一理论的宏图伟业？

④是否致力于大一统？

⑤元素周期表结合--立体研究，参考法拉第电解的成就，量子论与元素周期表的关系。立体思考将引爆更大的创新能量。

⑥能否潜心研究杨振宁宇称不守恒及规范场，诺贝尔奖获得者杨振宁已经完成大一统理论75％，你是否愿意继续完成剩余25％？

通过实践证明，本发明的这种个性化教学模式可循序渐进地开发学生的智力，激励更多的青年投身于科学研究事业，同时使优质教育资源低成本推送至千家万户，实现教育扶贫、教育支边。

附图说明

图1是本发明网络教育系统的组成示意图。

图2是教学全景视频采集设备和个性化云分发平台的组成示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明实现个性化教学模式的网络教育系统包括搜索平台10、教学全景视频采集设备20和个性化云分发平台40，各教学场所布置有教学全景视频采集设备20，如图1，图中示出了N(N为大于1的正整数)个教学场所，其中：

搜索平台10用于展示各种教学视频供远程用户端50的用户选择，以及接收远程用户端50发出的观看指令，并基于观看指令向相应的教学全景视频采集设备20转发观看指令；

教学全景视频采集设备20用于在教学场所内采集并存储教学视频，以及根据接收的观看指令将相应教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台40；

个性化云分发平台40用于根据观看指令，对接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，以将播放视频压缩后云分发至远程用户端50，解压缩后供用户观看，以及在用户观看播放视频的过程中实现与远程用户端50的实时互动。

在本发明中，搜索平台10包括搜索服务器。

在本发明中，教学全景视频采集设备20包括用于采集教学场所内全景图像的全景摄像机21，全景摄像机21与视频服务器22连接，视频服务器22用于存储采集的教学视频及根据搜索平台10发出的观看指令将用户选择的教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台40。

在实际实施时，全景摄像机21为360°球型全景摄像机或多个360°半球型全景摄像机，多台全景摄像机之间可联动协同采集，其中：

全景摄像机21放置在具有一定空间的教学场所内所有参与者的中间或上方，其中，特殊情况下，当教学场所呈带状分布时，多个360°半球型全景摄像机沿带状教学场所间隔布置。

例如，教学场所为设置有环形会议桌的研讨室，则将360°球型全景摄像机放置于环形会议桌的中间即可，此位置最佳，可“左顾右盼”地360°全方位“一览无余”地采集所有参与者，免去肩扛手提、干扰现场的摄像师，也无需多个摄像机分别对着不同方位的参与者，易实施，成本低。另外，这有利于AI技术的实施，比如远程用户锁定某一现场研讨者，当其起身到黑板面前画图时，通过AI技术软件的识别可实现对其的定向跟踪。

又例如，多个360度半球型全景摄像机沿展览馆的带状观展通道等间隔布置，所有360度半球型全景摄像机采集的全景图像构成一连续视野，从而实现一种“边走边看展览”的观看模式。

在本发明中，360°球型全景摄像机、360°半球型全景摄像机为本领域的已有设备，例如，可采用专利号为201620502542.3、实用新型名称为“球型全景摄像装置”的中国实用新型专利公开的球型全景摄像装置，其可以很好地解决近距离图像破碎问题，采集的全景图像清晰、全方位、360°无盲区。

在本发明中，教学视频是指通过全景摄像机21捕获的关于教学方面的全景视频。在本发明中，教学视频和播放视频均是指音视频信息。

在本发明中，个性化云分发平台40包括阿里云60、分布于全国各地的多个CDN(Content Delivery Network的简称，内容分发网络)服务器41和多个边缘计算服务器42，其中：

阿里云60用于根据接收的搜索平台10提供的观看方式，对同时接收的教学视频进行剪裁，并将剪裁后的教学视频推送给相应CDN服务器41；

CDN服务器41用于根据接收的观看指令，拼接合成用户所需的播放视频，其中：若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则CDN服务器41将播放视频推送给距离远程用户端50最近的边缘计算服务器42，以便边缘计算服务器42将播放视频进行压缩后分发至远程用户端50，以及在用户观看播放视频的过程中，边缘计算服务器42与远程用户端50进行实时互动(参见图2中的“①”所示虚线)，反之，若用户所在网络区域没有设置边缘计算服务器或边缘计算服务器功能不完备，则CDN服务器41直接将播放视频进行压缩后分发至远程用户端50，以及在用户观看播放视频的过程中，CDN服务器41与远程用户端50进行实时互动(参见图2中的“②”所示虚线)。

在实际实施时，相比远程用户端50与边缘计算服务器42进行互动，远程用户端50跨过边缘计算服务器42与CDN服务器41直接进行互动在一定程度上会存在因远距离传输而导致播放略有延迟的缺点。

在本发明中，观看指令包括用户选择观看的教学视频编号和用户观看此教学视频的观看方式，其中：

搜索平台10基于观看指令中的教学视频编号向相应的教学全景视频采集设备20的视频服务器22转发观看指令；

视频服务器22根据教学视频编号提取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令中的观看方式一起推送至阿里云60；

阿里云60根据搜索平台10提供的观看方式，对此教学视频进行剪裁，并推送至与远程用户端50处于同一网络区域的CDN服务器41；

CDN服务器41根据用户选择的观看方式，对此教学视频进行个性化拼接得到播放视频，其中：若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则CDN服务器41推送播放视频至与远程用户端50处于同一网络区域且距离最近的边缘计算服务器42，以使边缘计算服务器42对此播放视频进行压缩处理后分发至远程用户端50；反之，若用户所在网络区域没有设置边缘计算服务器或边缘计算服务器功能不完备，则CDN服务器41直接将播放视频进行压缩处理后分发至远程用户端50。

在本发明中，一定范围内的区域形成一网络区域，一个网络区域内对应布置有一CDN服务器41，此CDN服务器41对应布置有多个边缘计算服务器42。图2示出了网络区域1-n，n为大于1的正整数。在实际实施时，提出观看教学视频请求的远程用户端50应与传送此教学视频的CDN服务器41和边缘计算服务器42处于同一网络区域内，且边缘计算服务器42应是距离此远程用户端50最近的一个，请参考图2来理解。

进一步来说，观看方式包括观看视角和/或观看对象，当然还可设计其它方式，不受局限，其中，用户能够定向跟踪观看对象，以及用户能够对播放视频中的指定区域进行放大/缩小，等等。

在本发明中，观看视角是指在同一教学场所内，以不同的拍摄角度所捕捉的不同方位的教学画面，观看对象是指参与教学过程的各个参与者，参与者可以为老师、学生、机器人助教等，不受局限。

例如，10个参与者围绕圆桌进行教学，其中设有3位专家、1个机器人助教和6名参与研讨的学生，3位专家和机器人助教与6名学生之间大致是面对面而坐，10个参与者分别赋予编号1-10，另外，以圆桌划分，将观看视角分为2个视角，一个视角为学生朝向老师的视角1，另一个视角为老师朝向学生的视角2。在教学过程中，全景摄像机21采集的图像经过拼接融合后形成球形或环形视频，然后展开成带状全景图像存入视频服务器22的视频缓冲区中。因此，用户可针对10个编号来选择观看对象，比如，用户A选择观看编号1和10，那么，最终推送到用户A眼前的播放视频中只出现编号1的专家和编号10的学生。另外，用户A可以选择视角，比如，如果选择视角2，则用户A眼前的播放视频出现的画面是学生聆听的场景，即老师朝向学生的视角。

可见，这种自由选择观看方式的设计，解决了传统MOOC方式下，摄像机无论在任何位置拍摄，观看者都可能会被出现在其前方的人员遮挡、只能看其后脑勺的现象，即“只闻其声，不见其面”的尴尬情况，故而，本发明实现了用户“想看哪看哪”、身临现场教学，甚至比现场更舒适的感觉，大大提高了教学感受和效果。

另外，本发明的这种观看方式的选择，可以实现灵活的画面拼接，例如将多个发言人拼接到一个画面推送给用户观看。举例来说，用户在某一时间段想同时观看在研讨过程中激烈讨论的两个发言人(如互相争辩的双方)，则可通过环形语音采集技术判断现场声音来源所在方向，从而将相关的两个发言人的画面拼合在一幅画面后推送给用户观看。

另外，还可定向跟踪观看对象，例如，用户想一直关注某一位专家，则当这位专家站起来走向旁边的机器人助教时，画面会跟踪这位专家来播放(例如通过跟踪此专家头部来实现)，并且，还可对指定区域进行放大与缩小处理，例如，这位专家借助机器人助教来讲解机器人构造，不断拆卸相关零部件，如头部、手臂等进行现场教学，则此时用户可数字放大机器人助教所在区域，来仔细观看拆卸的零部件构造。

在实际实施时，为使音频与视频同步，本发明采取了将教学视频拆分为互相独立的音频流和纯视频流(纯视频流中没有音频)来传输的方式。总体来说，音频流、纯视频流的编码和解码与传统编解码方法相似，均是使用设定格式作为流媒体进行编码封装，再使用设定网络协议进行推流，最终在远程用户端50根据封装格式和网络协议进行拉流与解码，从而播放出原始的全景音视频文件。

进一步来说，在本发明中，在个性化云分发平台40中对教学视频拆分后的音频流、纯视频流进行如下处理：

根据搜索平台10提供的观看方式，个性化云分发平台40中的阿里云60对纯视频流基于时间戳进行切段处理，以及基于观看方式中提供的观看视角和观看对象进行切块处理，得到的切段切块纯视频流存储在NFS(Network File System的简称，网络文件系统)中，并且对音频流基于时间戳进行切段处理，得到的切段音频流存储在NFS中；

根据用户选择的观看方式，即用户发出的观看指令中涉及的观看方式，CDN服务器41集群调取NFS中的相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频，其中：先拼接切段切块纯视频流得到播放纯视频，然后基于时间戳将切段音频流嵌入到播放纯视频中得到播放视频；若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则边缘计算服务器42将播放视频进行压缩后分发至远程用户端50播放，反之，若用户所在网络区域没有设置边缘计算服务器或边缘计算服务器功能不完备，则CDN服务器41直接将播放视频进行压缩后分发至远程用户端50播放。

更具体地，本发明可使用多媒体框架FFmpeg对教学视频中的纯视频流进行画幅分割，再基于用户的观看方式对画幅进行拼接(含有补全处理)，然后基于HLS(基于HTTP协议的自适应码率流媒体传输协议)进行推流。另外，可基于WebGL封装运行的三维引擎Three.js建立一个三维球模型，将各切段切块纯视频流以贴图的方式贴在三维球模型上，完成视频渲染，从而实现全景视频的重现，观看效果好。

在本发明中，切段处理是指将音频流/纯视频流按照拍摄的时间戳分成连续的多份，比如，将音频流按照间隔1秒钟切分为1份的方式来切段处理，如此将整个音频流连续切分完毕。另外，切块处理是指对纯视频流的画面根据用户的观看要求在所需部分进行块状切割。

在实际实施时，编码、解码的重点在于效率，这会对整个系统的运行效果、运行成本、维护成本产生巨大影响。全景图像的音频信息量很小，但视频信息量巨大，会占用巨大的带宽，因此，本发明采取了仅传输远程用户感兴趣，选择观看的视频部分，而其余视频部分免传输，从而很好地降低了传输流量，提升了运行效率。

在实际实施时，当用户点击暂停，本发明设计了3种方式实现用户提问交互：1、播放视频中的参与者通过画外音的方式调出存储的相关语音进行智能语音交互；2、播放事先准备好的问题解答录像(包括语音)进行交互；3、通过DeepFakes智能换脸软件实现静止画面动态化，画面中的参与者回答问题时，其口型和表情与问题内容相吻合，实现虚拟的“现在进行时”的提问交互。

例如，用户可通过远程用户端50实时提出提问请求，从而在观看播放视频的过程中，对不懂的地方可以随时提出问题，由相关人员(如参与者或机器人助教)通过AI技术回答用户提出的问题。在实际运行中，在视频服务器22中，事先对存储的教学视频中用户可能会提出的问题预先给出预期答案，并且，边缘计算服务器42和CDN服务器41设有具有自学习能力的后台处理器，对于没有设置预期答案的问题，后台处理器会通过之前用户的不断提问总结归纳出预期答案，因此，通常能回答出约90％的问题。如果问题超出后台处理器的能力，则致歉，由后台老师后续补答问题。本发明的这种回答问题机制的设计，因百问不烦、幽默和善，任何所谓“荒谬”的问题都会认真回答，甚至得到鼓励和表扬，因此有助于建立远程用户学习研讨的信心。

较佳的方案是，在用户观看播放视频的过程中，用户通过远程用户端50与个性化云分发平台40进行的实时互动包括如下功能：

对播放视频进行暂停，以向播放视频中的相关参与者(研讨者)提出问题，被提问的参与者所对应的画面通过AI技术(如DeepFakes智能换脸软件)执行静止画面动态化，使得被提问的参与者在回答问题时其口型和表情与所回答内容相吻合(回答问题的声音由机器人发出)，完成与用户的AR效果的“现在进行时”虚拟交互，且在完成提问回答环节后能够继续播放；

停止播放；以及

切换观看方式，其中：当用户切换观看方式时，CDN服务器41根据用户切换的观看方式(当用户与CDN服务器41直接互动时，用户切换的观看方式直接发送给CDN服务器41，当用户与边缘计算服务器42互动时，用户切换的观看方式经由边缘计算服务器42发送给CDN服务器41)，重新从阿里云60中集群调取NFS中的相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频。

当然，在实际应用时，用户在观看播放视频的过程中，还可对播放视频执行快进、快退等传统播放功能。

在实际设计中，本发明网络教育系统还包括不同学校及不同教学机构建立的线上教学平台30，线上教学平台30自己存储有教学视频且能够对外提供，远程用户端50通过搜索平台10能够选择观看线上教学平台30内存储的教学视频，其中：

当远程用户端50通过搜索平台10选择观看线上教学平台30存储的教学视频时，搜索平台10基于远程用户端50发出的观看指令，向线上教学平台30转发观看指令，从而线上教学平台30根据观看指令将相应教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台40，以使个性化云分发平台40根据观看指令将接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，而后将播放视频压缩后分发至远程用户端50，解压缩后供用户观看，以及在用户观看播放视频的过程中实现与远程用户端50的实时互动。

对于线上教学平台30，其相当于教学全景视频采集设备20中的视频服务器22，换句话说，教学全景视频采集设备20中的视频服务器22可独立出来作为线上教学平台30。因此，线上教学平台30与视频服务器22对于经由个性化云分发平台40向远程用户端50发送教学视频的过程基本相同，在此不再赘述。

在本发明中，远程用户端50为智能固定终端或智能移动终端，智能移动终端为智能手机或iPad等，智能固定终端为台式电脑、笔记本电脑或智能电视(机顶盒电视机)等。

在实际实施时，教学场所内可进行各种形式的教学活动，教学活动可以采取不同的授课方式，如：翻转课堂式、线下/线上研讨式、线上直播/录播一体式，研讨可为师生研讨式、生生研讨式、远程学生与机器人助教研讨式以及混合研讨式，等等，不受局限。

另外，本发明设计了近视防控方案：

1、教学场所内如使用PPT等教具，则教具底色设计为钠光电效应值在540nm附近的绿色，文字颜色设计为钠原子光谱主线系在580nm附近的黄色且具有立体感，这样可以减少颜色带来的视觉污染，具有预防近视的功能。再如，线下研讨的黑板选择绿色黑板且采用黄色粉笔，教学场地可选择室外等有利于视觉的环境进行。

2、由于长时间看近处，眼部睫状肌持续收缩会产生痉挛，出现暂时性看不清远方的问题(医学上称为“睫状肌痉挛”)，时间长了则易导致青少年眼部肌肉的调节功能衰退，因此，可采用裸眼3D技术，即利用裸眼3D技术的忽远忽近出屏与入屏的效果，构造出逼真的立体影像，这样能放松睫状肌、锻炼眼外肌，在不知不觉中起到预防近视的作用，同时摆脱了3D眼镜的束缚。

本发明还提出了一种实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，包括步骤：

用户通过远程用户端50在搜索平台10上选择需要观看的教学视频并设置好观看方式，其中：选择的教学视频对应的教学视频编号和用户设置的观看方式形成观看指令；

搜索平台10基于用户发出的观看指令，向相应的教学场所内的教学全景视频采集设备20转发观看指令；

教学全景视频采集设备20基于观看指令，调取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台40；

个性化云分发平台40根据搜索平台10提供的观看方式以及用户做出的观看指令，对接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，将播放视频压缩后云分发至远程用户端50，解压缩后供用户观看，其中，在用户观看播放视频的过程中，远程用户端50能够与个性化云分发平台40进行实时互动。

进一步来说，还包括步骤：

搜索平台10基于观看指令中的教学视频编号向相应的教学全景视频采集设备20的视频服务器22转发观看指令；

视频服务器22根据教学视频编号提取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令中的观看方式一起推送至个性化云分发平台40的阿里云60；

阿里云60根据搜索平台10提供的观看方式，对此教学视频进行剪裁，并推送至个性化云分发平台40中与远程用户端50处于同一网络区域的CDN服务器41；

CDN服务器41根据用户选择的观看方式，对此教学视频进行个性化拼接，整合为播放视频，其中：

若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则CDN服务器41推送播放视频至与远程用户端50处于同一网络区域且距离最近的边缘计算服务器42，边缘计算服务器42对此播放视频进行压缩处理后分发至远程用户端50；反之，若用户所在网络区域没有设置边缘计算服务器或边缘计算服务器功能不完备，则CDN服务器41直接将播放视频进行压缩处理后分发至远程用户端50。

在实际运行中，观看方式包括观看视角和/或观看对象，其中，用户能够定向跟踪观看对象，以及用户能够对播放视频中的指定区域进行放大/缩小。

在实际运行中，还包括步骤：

视频服务器22将教学视频拆分为互相独立的音频流和纯视频流来对外传输；

阿里云60根据观看方式对纯视频流基于时间戳进行切段处理，并基于观看方式中的观看视角和观看对象进行切块处理，得到的切段切块纯视频流存储在NFS中，并对音频流基于时间戳进行切段处理，得到的切段音频流存储在NFS中；

CDN服务器41根据观看方式集群调取NFS中的相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频，其中：

先拼接切段切块纯视频流得到播放纯视频，然后基于时间戳将切段音频流嵌入到播放纯视频中得到播放视频；

若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则边缘计算服务器42将播放视频进行压缩后分发至远程用户端50播放，反之，若用户所在网络区域没有设置边缘计算服务器或边缘计算服务器功能不完备，则CDN服务器41直接将播放视频进行压缩后分发至远程用户端50播放。

在用户观看播放视频的过程中，用户通过远程用户端50与个性化云分发平台40(CDN服务器或边缘计算服务器)实现如下实时互动：

对播放视频进行暂停，以向播放视频中的相关参与者提出问题，被提问的参与者所对应的画面通过AI技术执行静止画面动态化，使得被提问的参与者在回答问题时其口型和表情与所回答内容相吻合，完成与用户的虚拟交互，且在完成提问回答环节后能够继续播放；

停止播放；以及

切换观看方式，其中：当用户切换观看方式时，CDN服务器41根据用户切换的观看方式，重新从个性化云分发平台40的阿里云60中集群调取相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频。

本发明的优点在于：

1、本发明可以使成千上万的用户选择自己感兴趣的教学视频，以自己喜欢的观看方式，同时观看同一教学视频而互不影响，观看形式灵活、多样，互动性强，满足了用户的个性化学习需求。

2、本发明将线上与线下教学合为一体，在线下教学的同时，还可向远程用户提供线上教学服务，运行成本低。本发明的这种教学方式有别于传统的老师孤立地向学生传授知识的做法，学生(用户)可随时提问而不会打扰“老师”的讲课，且学生所提问题不受局限，可以是与课堂相关的，实时回答，也可以是无关、跨学科的，老师有时间时远程适时回答，无时间时集中答疑，摆脱了传统意义上的“课本”。

3、在本发明中，全景摄像机采集教学视频直至向用户推送教学视频的方式可以为现场直播方式、转播方式或录播方式，灵活多样，不受局限。

4、本发明易实施，成本低，可满足教师欠缺的偏远地区学生的学习需求。

5、本发明的这种可以远程线上通过全景视频“随时随地提问”、可以“面对面”研讨的形式是一种在互联网上远程实现的研讨式创新教学方式，使网上教育发生了重大变革：

①在教学形式上，变“讲授式”为“研讨式”；

②在教学目标上，变“授人以鱼”为“授人以渔”；

③在教学形式上，变教师的“一言堂”为师生的“群言堂”；

④在师生关系上变“主客”改造关系为“主主”合作关系。

6、本发明可适用于各种教育教学，例如可应用于STEM教学领域等。

STEM，S指科学(Science)，T指技术(Technology)，E指工程(Engineering)，M指数学(Maths)，四门学科的简称，相关专家站在不同角度、学科进行分析、论证。STEM教育的特点是：强调帮助学生不被单一学科知识所束缚，鼓励学生跨学科解决问题，注重培养学生的创新能力，分析问题、解决问题的能力，及合作能力等。

举例来说，基于本发明设计的个性化教学模式，同样一门物理课程的电磁感应定律可按照不同的分级来设置多种不同的讲课方式，例如按照标准、学霸、学神、STEM研讨模式来分级，另外，还可进行二次研讨，这样的设计满足了不同学习需求的远程用户，培养来不同层次的人才。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (14)

1.一种实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：它包括搜索平台、教学全景视频采集设备和个性化云分发平台，各教学场所布置有教学全景视频采集设备，其中：

搜索平台用于展示各种教学视频供远程用户端的用户选择，以及接收远程用户端发出的观看指令，并基于观看指令向相应的教学全景视频采集设备转发观看指令；

教学全景视频采集设备用于在教学场所内采集并存储教学视频，以及根据接收的观看指令将相应教学视频连同观看指令一起推送至个性化云分发平台；

个性化云分发平台用于根据观看指令，对接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，以将播放视频压缩后云分发至远程用户端，解压缩后供用户观看，以及在用户观看播放视频的过程中实现与远程用户端的实时互动。

2.如权利要求1所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述教学全景视频采集设备包括用于采集教学场所内全景图像的全景摄像机，全景摄像机与视频服务器连接，视频服务器用于存储采集的教学视频及根据所述搜索平台发出的观看指令将用户选择的教学视频连同观看指令一起推送至所述个性化云分发平台。

3.如权利要求2所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述全景摄像机为360°球型全景摄像机或多个360°半球型全景摄像机，其中：

所述全景摄像机放置在教学场所内所有参与者的中间或上方，其中，当教学场所呈带状分布时，多个360°半球型全景摄像机沿带状教学场所间隔布置。

4.如权利要求2所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述个性化云分发平台包括阿里云、分布于全国各地的多个CDN服务器和多个边缘计算服务器，其中：

阿里云用于根据接收的所述搜索平台提供的观看方式，对同时接收的教学视频进行剪裁，并将剪裁后的教学视频推送给相应CDN服务器；

CDN服务器用于根据接收的观看指令，拼接合成用户所需的播放视频，其中：若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则CDN服务器将播放视频推送给距离所述远程用户端最近的边缘计算服务器，以便边缘计算服务器将播放视频进行压缩后分发至所述远程用户端，以及在用户观看播放视频的过程中，边缘计算服务器与所述远程用户端进行实时互动，反之，CDN服务器直接将播放视频进行压缩后分发至所述远程用户端，以及在用户观看播放视频的过程中，CDN服务器与所述远程用户端进行实时互动。

5.如权利要求4所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述观看指令包括用户选择观看的教学视频编号和用户观看此教学视频的观看方式，其中：

所述搜索平台基于观看指令中的教学视频编号向相应的所述教学全景视频采集设备的所述视频服务器转发观看指令；

所述视频服务器根据教学视频编号提取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令中的观看方式一起推送至所述阿里云；

所述阿里云根据所述搜索平台提供的观看方式，对此教学视频进行剪裁，并推送至与所述远程用户端处于同一网络区域的所述CDN服务器；

所述CDN服务器根据用户选择的观看方式，对此教学视频进行个性化拼接得到播放视频，其中：若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则所述CDN服务器推送播放视频至与所述远程用户端处于同一网络区域且距离最近的所述边缘计算服务器，以使所述边缘计算服务器对此播放视频进行压缩处理后分发至所述远程用户端；反之，所述CDN服务器直接将播放视频进行压缩处理后分发至所述远程用户端。

6.如权利要求5所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述观看方式包括观看视角和/或观看对象，其中，用户能够定向跟踪观看对象，以及用户能够对播放视频中的指定区域进行放大/缩小。

7.如权利要求6所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述教学视频被拆分为互相独立的音频流和纯视频流来传输，并且，在所述个性化云分发平台中对所述教学视频拆分后的音频流、纯视频流进行如下处理：

根据所述搜索平台提供的观看方式，所述个性化云分发平台中的所述阿里云对纯视频流基于时间戳进行切段处理，以及基于观看方式中提供的观看视角和观看对象进行切块处理，得到的切段切块纯视频流存储在NFS中，并且对音频流基于时间戳进行切段处理，得到的切段音频流存储在NFS中；

根据用户选择的观看方式，所述CDN服务器集群调取NFS中的相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频，其中：先拼接切段切块纯视频流得到播放纯视频，然后基于时间戳将切段音频流嵌入到播放纯视频中得到播放视频；若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则所述边缘计算服务器将播放视频进行压缩后分发至所述远程用户端播放，反之，所述CDN服务器直接将播放视频进行压缩后分发至所述远程用户端播放。

8.如权利要求4至7中任一项所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

在用户观看播放视频的过程中，用户通过所述远程用户端与所述个性化云分发平台进行的实时互动包括如下功能：

对播放视频进行暂停，以向播放视频中的相关参与者提出问题，被提问的参与者所对应的画面通过AI技术执行静止画面动态化，使得被提问的参与者在回答问题时其口型和表情与所回答内容相吻合，完成与用户的虚拟交互，且在完成提问回答环节后能够继续播放；

停止播放；以及

切换观看方式，其中：当用户切换观看方式时，所述CDN服务器根据用户切换的观看方式，重新从所述阿里云中集群调取相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频。

9.如权利要求8所述的实现个性化教学模式的网络教育系统，其特征在于：

所述实现个性化教学模式的网络教育系统还包括不同学校及不同教学机构建立的线上教学平台，线上教学平台自己存储有教学视频且能够对外提供，所述远程用户端通过所述搜索平台能够选择观看线上教学平台内存储的教学视频，其中：

当所述远程用户端通过所述搜索平台选择观看线上教学平台存储的教学视频时，所述搜索平台基于所述远程用户端发出的观看指令，向线上教学平台转发观看指令，从而线上教学平台根据观看指令将相应教学视频连同观看指令一起推送至所述个性化云分发平台，以使所述个性化云分发平台根据观看指令将接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，而后将播放视频压缩后分发至所述远程用户端，解压缩后供用户观看，以及在用户观看播放视频的过程中实现与所述远程用户端的实时互动。

10.一种权利要求1至9所述的实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，其特征在于，它包括步骤：

用户通过所述远程用户端在所述搜索平台上选择需要观看的教学视频并设置好观看方式，其中：选择的教学视频对应的教学视频编号和用户设置的观看方式形成观看指令；

所述搜索平台基于用户发出的观看指令，向相应的教学场所内的所述教学全景视频采集设备转发观看指令；

所述教学全景视频采集设备基于观看指令，调取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令一起推送至所述个性化云分发平台；

所述个性化云分发平台根据所述搜索平台提供的观看方式以及用户做出的观看指令，对接收的教学视频进行剪裁并个性化拼接成用户所需的播放视频，将播放视频压缩后云分发至所述远程用户端，解压缩后供用户观看，其中，在用户观看播放视频的过程中，所述远程用户端能够与所述个性化云分发平台进行实时互动。

11.如权利要求10所述的实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，其特征在于：

所述搜索平台基于观看指令中的教学视频编号向相应的所述教学全景视频采集设备的视频服务器转发观看指令；

视频服务器根据教学视频编号提取相应教学视频，将此教学视频连同观看指令中的观看方式一起推送至所述个性化云分发平台的阿里云；

阿里云根据所述搜索平台提供的观看方式，对此教学视频进行剪裁，并推送至所述个性化云分发平台中与所述远程用户端处于同一网络区域的CDN服务器；

CDN服务器根据用户选择的观看方式，对此教学视频进行个性化拼接得到播放视频，其中：

若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则CDN服务器推送播放视频至与所述远程用户端处于同一网络区域且距离最近的边缘计算服务器，边缘计算服务器对此播放视频进行压缩处理后分发至所述远程用户端；反之，CDN服务器直接将播放视频进行压缩处理后分发至所述远程用户端。

12.如权利要求11所述的实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，其特征在于：

所述观看方式包括观看视角和/或观看对象，其中，用户能够定向跟踪观看对象，以及用户能够对播放视频中的指定区域进行放大/缩小。

13.如权利要求12所述的实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，其特征在于：

所述视频服务器将教学视频拆分为互相独立的音频流和纯视频流来对外传输；

所述阿里云根据观看方式对纯视频流基于时间戳进行切段处理，并基于观看方式中的观看视角和观看对象进行切块处理，得到的切段切块纯视频流存储在NFS中，并对音频流基于时间戳进行切段处理，得到的切段音频流存储在NFS中；

所述CDN服务器根据观看方式集群调取NFS中的相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频，其中：

先拼接切段切块纯视频流得到播放纯视频，然后基于时间戳将切段音频流嵌入到播放纯视频中得到播放视频；

若用户所在网络区域设置有边缘计算服务器且功能完备，则所述边缘计算服务器将播放视频进行压缩后分发至所述远程用户端播放，反之，所述CDN服务器直接将播放视频进行压缩后分发至所述远程用户端播放。

14.如权利要求10至13中任一项所述的实现个性化教学模式的网络教育系统的运行方法，其特征在于：

在用户观看播放视频的过程中，用户通过所述远程用户端与所述个性化云分发平台实现如下实时互动：

对播放视频进行暂停，以向播放视频中的相关参与者提出问题，被提问的参与者所对应的画面通过AI技术执行静止画面动态化，使得被提问的参与者在回答问题时其口型和表情与所回答内容相吻合，完成与用户的虚拟交互，且在完成提问回答环节后能够继续播放；

停止播放；以及

切换观看方式，其中：当用户切换观看方式时，所述CDN服务器根据用户切换的观看方式，重新从所述个性化云分发平台的阿里云中集群调取相应切段切块纯视频流和相应切段音频流进行拼接处理形成播放视频。

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