CN201322999Y - 一种帮助学生进行全脑学习的听课机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种帮助学生在课堂上进行全脑学习的听课机，包括第一单片机，第一单片机外接液晶显示屏、随机RAM、FLASH闪存、键盘、编著解码器、USB接口、多路数模转换器，多路音频功放和发音器，所述的第一单片机还外接远程麦克风电路和语音发射与接收电路。本实用新型目的是在教师讲课连续语音群间歇时间内产生一种具有8～14Hz频段的余波回响。例如老师讲课语音群结束字是“发达”，则回响声类似“啊*啊*啊……”的逐渐衰减的余波，其“啊*啊*啊……”的频率在α脑波频段之内。能诱导学生α脑波的声波，并且直接调动右脑参与听课，从而达到全脑学习的目的。

Description

一种帮助学生进行全脑学习的听课机

技术领域

本实用新型涉及电子教学用具，特别是涉及学生在课堂上使用的辅助听课装置。

背景技术

学生在课堂听课的过程中容易开小差，注意力不集中，原因有两方面：其一，教师授课语音从讲台方向传来，声源点固定不变，再加上教室内外环境噪声的干扰，容易诱发学生产生听觉疲劳；其二，由于教师授课的主要内容是由语音、文字与逻辑推理所组成，使得学生听课只能主要使用左脑(称为语言脑)，而右脑(称为音乐脑、图像脑)基本上空闲着。但实际上右脑又闲不住，于是就产生一些杂碎的情景或音乐的想像，从而开小差现象就自然产生了。

现代教育科学已认识到上述现象的存在，强调学生需要全脑学习。左脑是当然的学习主要途径，但是右脑也必须紧密辅助之。右脑在记忆能力方面远远强于左脑。欲使右脑也调动起来，应该让学生的大脑处于α脑波状态，即放松性的警觉状态，这种状态被认为是最佳的学习状态。

科学家们通过多次实验证明，可以通过其频率与α脑波状态(8～14Hz)相一致的物理学声波和闪光来诱导人类大脑，使其脑电波也被同步到物理学声波或闪光频率上来。于是，美国、日本等国工程师相继开发出一种称为“右脑开发器”的装置。它的工作原理有两方面。其一，为光诱导。它用一副不透光带有LED灯的眼睛罩，使LED灯按α波频率闪烁来诱导大脑。其二，是声诱导。直接的α波音频(8～14Hz)是人耳所不能听见的。所谓声诱导是采用两种方法。第一种方法称为双脑同步。即进入左耳和右耳的声频不一样(例如进入左耳音频为500Hz，而进入右耳音频是510Hz)，在大脑中将自动合成一个左右耳频差(10Hz)与α波相同的低频声波。人们能够听到一种“嗡嗡嗡”的声音。第二种是使用一种短促声波，例如“哒哒哒”的木鱼敲击声，或类似弹拨乐的声音。这些声音作用于大脑，时间一长大脑电波便诱导于α波状态。

这种装置只能用于人们在安静不受干扰的环境下休息或休闲的时候使用。作为一种健脑操的仪器，它可以使人不经过长期训练就能进入一种平静、放松而愉悦的状态。但是，它不能够在学习过程中特别是课堂听课过程中直接使用。因为学生在课堂上听课时，教师授课语音必须清晰地通过学生的双耳进入大脑之中，那些哒哒哒的短促声或嗡嗡嗡的双脑同步声，反而会成了干扰教师讲课语音的噪声，更不会达到诱导学生集中注意力听课的目的。

本实用新型提出了一套技术方案，将教师授课语音改变为既清晰明了又能诱导学生α脑波的声波，并且直接调动右脑参与听课，从而达到全脑学习的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种帮助学生进行全脑学习的听课机，能够将教师讲课内容接收后转化播出，能诱导学生α脑波的声波，并且直接调动右脑参与听课，从而达到全脑学习的目的。

本实用新型的技术方案如下：

一种帮助学生在课堂上进行全脑学习的听课机，包括第一单片机，第一单片机外接液晶显示屏、随机RAM、FLASH闪存、键盘、编解码器、USB接口、多路数模转换器、多路音频功放和多路发音器，其特征在于：

所述的第一单片机还外接远程麦克风电路，所述的远程麦克风电路包括有远程定向拾音器、近距离拾音器，所述的远程定向拾音器、近距离拾音器分别连接放大器，再接入一个转换开关，转换开关经过模数转换电路，模数转换电路接入第一单片机；

所述的第一单片机还外接语音发射与接收电路，所述的语音发射电路是无线麦克风，由拾音器、放大器、模数转换器、第二单片机及射频发射芯片组成，所述的语音接收电路是第一单片机外接的射频接收芯片；

所述的第一单片机还外接一个追忆录音键。

所述的多路发音器是采用抗噪音高性能耳塞机；或者是一对骨传导耳机，以及用于堵塞双耳的硅胶耳塞子；或者是三只以上的骨传导喇叭，以及用于堵塞双耳的硅胶耳塞子。

其中讲课信号的采集有两种技术方案，第一种是采用远距离定向麦克风。它只拾取由讲台方向传来的教师语音信号，经高性能前置放大器和A/D转换器获得数字语音信号。第二种是教师端采用领夹式无线麦克风，由拾音器，放大器和A/D转换器获得数字语音信号后，再由一片射频发射芯片发送出去，而学生端由一片射频接收芯片接收空中的由老师端发送的数字语音信号。

本实用新型通过对教师讲课语音信号的处理，在教师讲课连续语音群间歇时间内产生一种具有8～14Hz频段的余波回响。例如老师讲课语音群结束字是“发达”，则回响声类似“啊·啊·啊……”的逐渐衰减的余波，其“啊·啊·啊……”的频率在α脑波频段之内。

本实用新型利用人类“双耳效应”的自然规律，所述的教师讲课的数字语音信号进行播放时，使得同一教师语音进入左耳、右耳的时间不同，具有数毫秒级的时间差。时间差较大时(大于12毫秒)感觉到两个人在说话。时间差较小时感觉到教师语音或在左脑区出现，或在右脑区出现，或在左脑区和右脑区之间连续来回移动。当声源映射点到右脑区时，学生感觉到是右脑在听课，当声源映射点在左脑区时，学生感觉到是左脑在听课。当时间差大到一个临界状态，学生会感觉到双脑都在听课。其实事实上听课的主要承担者是左脑，但本实用新型使得听者在潜意识层面感觉到了右脑也参与了听课，这对于增强对听课内容的吸收与记忆有着很积极的意义。

听课机语音最终输出的耳机或喇叭有三种技术方案：第一种是直接使用抗噪声的高性能耳机；第二种是采用了一对骨传导耳机，并且在释放了的双耳中塞上硅胶耳塞子，以隔绝室外噪音干扰和保护耳膜长期使用不至于受损；第三种，采用多只骨传导喇叭分布在头部周围，用弹性带扣紧。每只骨传导喇叭在输出教师语音时都有着不同的时间差和不同的响度，使听者感觉到声源映射点在左脑、前脑、中脑、右脑和后脑之间环绕。可以更进一步调动全脑学习的潜意识。

高年级学生喜欢做课堂录音，本实用新型远程麦克风电路为准专业级的录音效果提供了可能性条件。但实际上没有必要整堂课都全部录音，只是要把自己未听清楚的、不理解的或者是感兴趣的那段语音录下来。

本实用新型听课机可以设置一个追忆录音键。按下它时，把录音起始点提前一段时间(例如20秒)，再按此键结束录音。这样做的目的是节省了课后复习的时间。

本实用新型听课机还设置了一个内置近距离麦克风电路。学生在课后复习时作朗读、复读也可以使用“听课机”而达到全脑学习的目的。与课堂听课不同的是自己说话自己听，所获得的记忆效果将会大大地增强。

学生经常使用的电子产品有MP3、电子词典和电子课本等。为了减少学生携带学具的数量，本实用新型听课机可以将电子词典和MP3与“听课机”组合为一体。而电子课本则以有声课件的形式存于专门网站之中，学生可以通过USB接口从网站上下载。

一个班上的同学可能只有一部分拥有本实用新型听课机，而其他人暂时未拥有。为了弥补这种不足，本实用新型听课机可以配套一对或多只扩音回响音箱。音箱有一个射频接收芯片，接收教师无线麦克风信号，并且也能产生间歇性α波频段的回响，对没有听课机的同学也有一定的诱导右脑学习的作用。

本实用新型的积极效果在于：通过创立相对安静的环境，施以有益的暗示和右脑诱导的技术，不仅使学生在课堂或课后能集中注意力，以全脑参与学习和复习的过程，而且长期使用培养了轻松而警觉的α脑波状态思维意识习惯。这种习惯对于学生将来处理任何事情(包括学习、写作、演讲、考试、社交甚至体育活动)都有着很大的裨益。

附图说明

图1是听课机的硬件结构示意图。

图2是扩音回响音箱电路结构图。

图3是弹性扣带式四喇叭结构示意图。

具体实施方式

图1所示的是听课机硬件结构示意图。其核心是单片机系统，接有液晶显示、键盘、USB接口、FLASH闪存、编解码器电源管理六个常规模块。与本实用新型主要特征相关的是远程麦克风电路、射频接收芯片、和多路音频功放模块。

远程麦克风电路由远程定向拾音器、放大器A、与内置式麦克风的切换开关和模数转换器(ADC)组成。由于室内外的噪声干扰，不能用听课机的内置麦克风直接采集教师讲课的声音。一个直接的方法是从市场上选用强指向性远距离麦克风，这种麦克风可以录制树头上小鸟的叫声，方向性强，对其他方向声音衰减很大。但缺点是造价贵，尺寸大不方便携带。如要降低抗噪成本也可采用一种简易制作法，即采用吸音材料做一根20厘米左右的长管，管口蒙上防风网，管底部装上指向性拾音传感器和前置放大器，再通过导线连向听课机的A/D转换器。使用时长管指向讲台方向。

麦克风电路的另一种方案是采用教师领夹式麦克风，是本实用新型语音发射与接收电路。由于拾音器跟声源很近，可以做到很好地抑制噪音。拾音器得到语音信号，经放大器C放大后送给模数转换器得到数字语音信号，再经过第二单片机控制一片射频发射IC将数字信号发送出去。第二单片机可选内含ADC的MCU(例如PIC12F683)。在学生听课机端有一片射频接收芯片，用于接收空中的教师讲课的语音数字信号。射频IC可采用2.4G蓝牙芯片，或其他射频芯片。

图1所示的是听课机硬件结构中的第一单片机可采用带多路ADC的单片机(例如PIC18F4525)，其开关也含在单片机内部，放大器A和放大器B实际上接到单片机的两个模拟输入端口，由软件控制内部开关键的切换。ADC的采样频率在10KHz-40KHz范围内选择。图1中的随机RAM也可含在单片机内部(例如PIC18F4525内含3.8KB的RAM，是满足要求的)。图1中的FLASH闪存可选1G-4G的SD卡或MMC卡，用于存储录音。

通过上述电路采集教师语音的信号是一串串数字信号，在教师语音存续期数字信号较大(这些数字信号都循环存储在一段随机存储器中)，在教师语音间歇期有很小的噪音数字信号。我们可以设置一个门槛值(取最大的噪音数字信号值)抑制这些噪音，并且在教师语音间歇期内添加一组组余音信号。第一组余音信号是取教师讲课连续语音群间歇开始处前70ms-250ms时段的数字信号并衰减20％--50％进行存储和播放，第二组余音信号是取第一组余音信号再衰减20％--50％进行存储和播放，以此类推得到后续各组余音信号直到衰减为零。在处理和播放余音的过程中，一旦检测到数字信号超过门槛值，则不管余音信号是否衰减为零都要立即转到正常教师语音采集和播放。而当采集教师语音的数字信号小于门槛值且持续了20ms-30ms时，又进入余音处理和播放的过程。

这样处理的数字信号经图1中的多路数模转换输出到多路音频功放。每路数模转换的从随机RAM取值起始是不同的，因而每路输出的模拟音频信号有着不同的时间差。该时间差的控制在0-12ms范围内。

多路音频功放输出到发音器可以采用三种方案：

第一种直接采用抗噪声高性能耳机。这种耳机能自动检测外界噪声，并在耳机中再产生一个幅度相等而相位相反的反噪声信号，以产生一个静的感觉，而对教师讲课的语音听起来更清晰。

第二种是采用两路骨传导耳机。它的音频传送点是耳根或耳前的骨骼，而双耳被释放。为了“静”的要求，双耳中可塞上硅胶耳塞子。

第三种是采用多路骨传导喇叭。如图3所示，用一根弹性扣带1固定在大脑头部一圈，骨传导喇叭2分布点可位于耳根部、太阳穴部、前额部或后脑部。要注意的问题，耳根部听觉敏感，功放强度应该小一些，而其他部位音频功率应该较强。同样为了“静”的要求，双耳中也应塞上硅胶耳塞子。

这三种语音输出装置，第一种求静的效果好，音频保真效果也好。缺点是长期使用不利于保护耳膜，所以使用者不宜将声音调得过大。

后两种的优点就是可以保护耳膜不被损伤，音频保真差一些，对于课堂听课(不是欣赏音乐)也是完全满足要求的。学生在具体使用可根据自己的喜好而选择。

图1所示的听课机电路框图的键盘中含有一个追忆录音键，用于课堂即时录音。由于FLASH闪存擦写次数可达10万次，寿命很长，而且容量又很大，所以完全可以实现整堂课按WAVE方式直接录音。如果录音采样频率是10KHz，ADC位数是8位(对于非音乐的说话声有较好录音质量)。4GB的FLASH闪存可存放100小时以上的录音内容，所以课堂录音实际上无须考虑节省闪存。

追忆录音键按下，实际记录的是本堂课录音过程中一个即时地址。在课后复习时，按键检索学每一个“追忆式录音键”地址，并在向前增加200KB或300KB的地址(前20或30秒)开始放音。

图2所示的是扩音回响音箱电路结构图，它由一片射频接收芯片接收领夹式教师无线麦克风传来数字语音信号，再经过像听课机一样的数字语音信号处理之后由DAC作数模转换形成模拟音频信号，最后由功放推动大功率音箱发声。

图1所示的听课机电路还含有USB接口、编解码器，是为了下载和播放MP3音乐、有声电子课件而设置的。如果听课机只含全脑听课、复读机、录音笔和MP3下载及播放，这时只需要小尺寸的液晶和少数几个按键则可以了。但要与电子词典、电子课本组合为一体，就必须扩大液晶屏幕的尺寸、增加键盘的按键数量(包括二十六个英文字母和十个数字、上下左右移动和若干个功能键)。MP3、电子词典和电子课本的技术已经非常成熟，这里不再赘述了。

Claims (2)

1、一种帮助学生在课堂上进行全脑学习的听课机，包括第一单片机，第一单片机外接液晶显示屏、随机RAM、FLASH闪存、键盘、编解码器、USB接口、多路数模转换器、多路音频功放和多路发音器，其特征在于：

所述的第一单片机还外接远程麦克风电路，所述的远程麦克风电路包括有远程定向拾音器、近距离拾音器，所述的远程定向拾音器、近距离拾音器分别连接放大器，再接入一个转换开关，转换开关经过模数转换电路，模数转换电路接入第一单片机；

所述的第一单片机还外接语音发射与接收电路，所述的语音发射电路是无线麦克风，由拾音器、放大器、模数转换器、第二单片机及射频发射芯片组成，所述的语音接收电路是第一单片机外接的射频接收芯片；

所述的第一单片机还外接一个追忆录音键。

2、根据权利要求1所述的帮助学生进行全脑学习的听课机，其特征在于：所述的多路发音器是采用抗噪音高性能耳塞机；或者是一对骨传导耳机，以及用于堵塞双耳的硅胶耳塞子；或者是三只以上的骨传导喇叭，以及用于堵塞双耳的硅胶耳塞子。

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