CN110046290A - 一种个性化自主教学课程系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种个性化自主教学课程系统，包括教师终端：用于教学素材制作和基于教育与或图结构‑EAOG的自主教学方法及教学流程的设计；学生终端：用于完成场景渲染与显示、语音与视觉交互信息采集与上传；场景设计终端：用于教学场景的设计与开发；云端服务器：用于包括教学素材与教学场景动画存储，教学方法存储调用，AI服务与指令服务。本发明实现根据学习者的当前学习状态和多种教师教学目标自主进行教学流程和教学方法控制以及个性化教学目标的实现，充分发挥新型教学技术的优势。

Description

一种个性化自主教学课程系统

技术领域

本发明属于人工智能的信息与教育技术领域，具体涉及一种个性化自主教学课程系统。

背景技术

随着人工智能技术与计算机等技术的飞速发展以及教学资源类型的日益丰富，教学方法正在发生巨大的变化，教学过程正以教师主导向以学生为中心转化。教学方式正从线下真人教学逐步到网络真人视频教学，再到虚拟教师教学转变。为了充分发挥新型教学技术的优势，实现个性化教学目标。需要解决如何根据学习者的当前学习状态，进行相应的教学过程这一难题。

教学素材包括文本、图片、音频与视频等一系列相关知识的载体，教学过程就是用相应的教学素材对知识进行阐述的过程，如何根据有限的教学素材生成相对灵活的个性化的教学方法及系统也是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前人工智能的自主教学系统中，难以充分发挥新型教学技术的优势，实现个性化教学目标，还未实现根据学习者的当前学习状态和多种教师教学目标自主进行教学流程和教学方法控制的问题，提出了一种个性化自主教学课程系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种个性化自主教学课程系统，包括：

教师终端：用于教学素材制作和基于教育与或图结构-EAOG的自主教学方法及教学流程的设计；

学生终端：用于自主完成场景渲染与显示、语音与视觉交互信息采集与上传；

场景设计终端：用于自主教学场景的设计与开发；

云端服务器：用于包括教学素材与教学场景动画存储，教学方法存储调用，AI服务与指令服务。

进一步，所述教师终端的教学方法及教学流程设计包括如下步骤：

步骤1、获取教学素材，对获取的教学素材文件进行包含统一步骤说明的命名，在同一教学步骤中使用的各类不同格式文件其文件名字相同；

步骤2、基于步骤1命名处理后的教学素材文件，对不同的教学素材设计不同的讲解交互行为方式和教学流程，其中教学流程和教学方法设计基于提出的教育与或图结构-EAOG，教育与或图结构包括如下：

1)根节点：表示起始节点，不包含语义信息；

2)与节点，包括：

2.1)序列与节点：该节点表示顺序执行关系；

2.2)平行与节点：该节点表示同时并发执行关系；

3)或节点，包括：

3.1)随机或节点：表示随机关系，在多个相似的内容或行为中随机选择；

3.2)条件或节点：表示条件节点，满足相应条件时调用相应的行为节点；

4)行为节点：

4.1)终端节点：用来表示各种具体的行为，比如虚拟形象的行为或场景行为等；

4.2)结束节点：用来表示行为结束。

进一步，所述所述教育与或图结构中还包括参考节点：表示返回到条件或节点。

进一步，所述云端服务器包括：

AI服务模块：对学生用户端传输进来的图像与语音信号进行分析理解，并给出相应的工作指令；

工作指令模块：包括教学指令模块与场景指令模块，教学指令模块主要用于对存储器中的教学素材进行查找、调用与加载，场景指令模块主要用于对存储器中的场景素材进行查找、调用，两个指令模块接受到来自学生用户终端的命令时会作出相应操作；

存储器模块：用于将教师用户端上传的教学素材与场景设计者上传的场景素材存储在服务器端，并在接收到教学指令与场景指令后调取相应资源到学生用户端。

进一步，所述学生用户终端包括：

扬声器：负责教学和场景的音频播放；

收声器：负责收集学生用户的语音信息并传输到控制中心；

camera：采集学生用户的图像信息，并将其传输至控制中心；

按键模块：提供人为操作指令；

显示屏：展现给用户模块视觉资料；

场景驱动引擎：根据控制中心给的工作指令对存储器中的教学素材和场景素材进行相应的调用与渲染，并将其呈现于显示器；

存储器：将控制中心向云端请求的教学素材与场景素材存储本地；

控制中心：对整个学生用户模块的指令进行互相传输和操作，将其它各个模块的信息或指令传输至场景驱动引擎或云端服务器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，基于教育与或图结构-EAOG进行自主教学方法及教学流程的设计，它系统地将问题分解为互相独立的小问题，然后分而解决，它就有图形学形象直观描述特点，也具有结构化知识表达能力。该结构模型可以简便快捷对教学过程进行描述与建模，基于相应教学素材，可自主完成教学任务，充分发挥新型教学技术的优势。采用学生终端完成场景渲染与显示、语音与视觉交互信息采集与上传，充分了解和反馈学习者的当前学习状态，实现个性化自主进行教学流程和教学方法控制，场景设计终端完成自主教学场景的设计与开发，该应用使得系统应用更加灵活，云端服务器用于包括但不限于教学素材与教学场景动画存储，教学方法存储调用，AI服务与指令服务，另系统具有灵活且多样的功能，应用范围广，使用性强。实现根据学习者的当前学习状态和多种教师教学目标自主进行教学流程和教学方法控制以及个性化教学目标的实现，充分发挥新型教学技术的优势。

2、本发明中，教育与或图结构-EAOG区别与只是简单分为一级、二级和三级的主节点、与节点和或节点的与或关系，简单的与或关系难以实现情况多变的教学流程和方法控制，本发明中的根节点、序列与节点、平行与节点、随机或节点、条件或节点、终端节点、结束节点能够系统地包括教学流程和方法的所有流程及细小问题，并且结合统一步骤命名的教学素材文件能更加灵活和多变地自主控制教学流程及方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明系统整体结构框图；

图2为本发明实施例1基于教育与或图结构-EAOG的教学流程中welcome的节点设计示意图；

图3为本发明实施例1基于教育与或图结构-EAOG的教学流程中Introduce-the-number的节点设计示意图；

图4为本发明实施例1基于教育与或图结构-EAOG的教学流程中How-many-animals的节点设计示意图；

图5为本发明实施例1基于教育与或图结构-EAOG的教学流程中make-the-sound的节点设计示意图；

图6为本发明学生用户终端结构框图；

图7为本发明云端服务器结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种个性化自主教学课程系统，包括：

教师终端：用于教学素材制作和基于教育与或图结构-EAOG的自主教学方法及教学流程的设计；

学生终端：用于自主完成场景渲染与显示、语音与视觉交互信息采集与上传；

场景设计终端：用于自主教学场景的设计与开发；

云端服务器：用于包括教学素材与教学场景动画存储，教学方法存储调用，AI服务与指令服务。

与或图是由与节点和或节点组成的结构图，它系统地将问题分解为互相独立的小问题，然后分而解决。它就有图形学形象直观描述特点，也具有结构化知识表达能力。但是其对教学过程的描述具有一定的局限性。

本发明基于与或图基础框架，提出一套用于教学的教育与或图结构-EAOG(Education And Or Graph)。该图模型可以简便快捷对教学过程进行描述与建模，基于相应教学素材，可自主完成教学任务。

本发明中教学方法是教学过程中老师与学生为实现教学目的和教学任务要求，在教学活动中采取的行为方式总称。

不同的具体的教学方法级别对某个知识点进行完整的讲解过程称为教学流程。教学流程可分为但不限于如下流程：热身环节、教学环节、自由练习环节与小组学习环节、复习环节等。

所述教师终端的教学方法及教学流程设计包括如下步骤：

步骤1、获取教学素材，对获取的教学素材文件进行包含统一步骤说明的命名，在同一教学步骤中使用的各类不同格式文件其文件名字相同。教学素材是教学中最重要的需求，用不同的教学素材可以从不同维度与角度对不同知识点进行全面解析。教学素材中的录音通过相应的录音设备根据课程的教学步骤进行录制，或从互联网获取，重要的是对录音文件进行具体命名，命名要求是简单明了并可表明教学步骤，比如step1.wav。除音频文件外，教学所需的图片素材通过互联网获取或自主设计，图片的命名方法与音频文件对应，如同时在步骤1中同时使用的音频文件和图片文件可以描述为step1.wav和step1.jpg。视频文件的来源与命名规则同上。这里可以举个例子说明：我们的方法是将教学中的文字显示、图片显示与视频显示以及老师讲的语音文件分开分别命名，但具体的命名规则是根据具体教学内容相关联的语义命名。比如在教学的某个步骤中的某个具体教学步骤，该步骤是用来解释B问题，则在该具体行为上用的所有文件均用B命名，比如，老师说同时黑板显示图片，这表示该步需要两种文件，一种是老师说的音频文件，一种是黑板显示的图片文件，该文件就需要命名成相同名称，并且具有解释该步骤的语义作用。

步骤2、基于步骤1处理好的教学素材文件，对不同的教学素材设计不同的讲解交互行为方式和教学流程，其中教学流程和教学方法设计基于提出的教育与或图结构-EAOG，教育与或图结构包括如下：

1)根节点：用root表示，表示起始节点，不包含语义信息；

2)与节点，用and表示，包括：

2.1)序列与节点，用s-and表示：该节点表示顺序执行关系；

2.2)平行与节点，用p-and表示：该节点表示同时并发执行关系；

3)或节点，用or表示，包括：

3.1)随机或节点，用r-or表示：表示随机关系，在多个相似的内容或行为中随机选择；

3.2)条件或节点，用c-or表示：表示条件节点，满足相应条件时调用相应的行为节点。

4)行为节点，用action表示：

4.1)终端节点，用terminal表示：用来表示各种具体的行为，比如虚拟形象的行为或场景行为等；

4.2)结束节点，用end表示：用来表示行为结束。

进一步，所述教育与或图结构中还包括参考节点，用reference表示：表示返回到条件或节点。

基于本发明教育与或图结构的自主教学流程，在实际使用时根据不同的实际反馈情况能够自动地进行教学流程中的步骤，这里步骤是指像条件或节点这种，会根据教学进行时得到的反馈，进行条件判断然后选择下一进行步骤。

在本发明中，教学方法包括但不限于音频讲解，文本显示，图片显示与交互，视频演示等。

具体的，对于音频讲解，是由用户提前录制或者互联网获得。具体的音频讲解动作可分为多类，对应不同的表情与动作组合，以及图片显示等实现相同内容，不同表情与姿态的讲解方式。

对于图片显示与交互，定义图片的显示方式，带有动作与不带有动作两种情形，以及具有交互与无交互两种形式。对于有交互的图片，当被点击后，图片产生相应的动作，并伴有相应音效。当然，这里图片显示与交互与音频讲解及动画形象具有多种组合可能。

对于视频讲解，在讲解某些个别知识点时，通过视频来具体阐释。当然此刻亦可与动画形象相互配合，产生多种讲解组合。

在本发明中，教学流程可分为但不限于如下流程：热身环节、教学环节、自由练习环节与小组学习环节、复习环节等。

教学流程与教学方法让是基于提出的EAOG，可以自由的控制教学素材与动画素材，形成个性化交互式教学课程。

以英语教授数数字的具体教学过程为例，教学素材包括音频，视频，图像等。这里的教学方法有多种，如教师说，讲师听，教师观察，以及黑板显示图片等等；可定义为：teacher-say，teacher-listen-to-user，teacher-watch，blackboard-show-picture等。

此处的教学流程指的是教授数数字比如从1-3的通用流程，这里以动物园为背景，设计了数数教学游戏，具体流程为：

一、Greeting-这里出现音频与视频文件，为了保证通用性与教学方法的通用性，这里将本步骤中的对应的(对应的意思是在播放音频的同时显示相应图片)音频与图片分别命名为：hello.mp3，hello.png，文件名相同，只有文件类型不同。初次外，还存在go-to-the-zoo.mp3，go-to-the-zoo.png；sing-a-song.mp3，sing-a-song.mp4，

二、Number learning

Introduce-the-number介绍与数字相关动物，比如讲解1，这里使用lion，因此，音频与图像命名为：animal.png与animal.mp3；

How-many-animals，此步骤为练习部分，通过练习来加强学习-涉及的文件有音频与图像文件，分别命名为how-many-animals.mp3，how-many-animals.png；

make-the-sound，跟读环节；make-the-sound.mp3音频文件；

make-the-gesture，视觉交互环节，用户需要根据要求给出手势，do-and-say-the-number,mp3；

三、Good Bye--课程结束；goodbye音频与图像命名为：goodbye.mp3，goodbye.png；

四、此外，还具有一些通用的术语与图片，如当用户回答正确的正确反馈，我们命名为active-response-1.mp3，active-response-1.txt，active-response-1.png，-1表示此类别的资源具有几种不同的表达方式。

基于教育与或图结构-EAOG，教学流程与教学方法的具体节点设计如图2、图3、图4和图5所示，make-the-gesture的方法及流程控制与make-the-sound类似。图2为welcome的自主教学流程，图3为Introduce-the-number的自主教学流程，图4为How-many-animals的自主教学流程，图5为make-the-sound的自主教学流程。

图中流程1-18表示如下(其中a表示audio，p表示picture)：

1：teacher：say：a(`hello`)；(即进行播报老师说“hello”的音频)

2：blackboard：show：p(`hello`)；(即进行在黑板上显示“hello”的图片)

3＝6：blackboard：hide！；(即进行隐藏黑板)

4：teacher：say：a(`welcome`)；(即进行播报老师说“welcome”的音频)

5：blackboard：show：p(`welcome`)；(即进行在黑板上显示“welcome”的图片)

7：teacher：say：a(`animal`)；(即进行播报老师说“animal”的音频)

8：blackboard：show：p(`animal`)：(即进行在黑板上显示“animal”的图片)

9：teacher：say：a(`how-many`)；(即进行播报老师说“how-many”的音频)

10：blackboard：show：p(`how-many`)；(即进行在黑板上显示“how-many”的图片)

11：teacher：say：a(`animal+number`)；(即进行播报老师说“animal+number”的音频)

12：blackboard：show：p(`animal+number`)；(即进行在黑板上显示“animal+number”的图片)

13：teacher：say：a(`make-the-sound`)，`happy`-表情；(即进行播报老师说“make-the-sound”的音频，动画展示“happy”的表情)

14：teacher-listen-to-user；(即进行老师听用户说的步骤)

15：teacher：say：a(`please-say-again`)，`hide`-表情；(即进行播报老师说“please-say-again”的音频，动画隐藏表情)

17：teacher：say：a(`tremendous`)，`happy`；(即进行播报老师说“tremendous”的音频，动画展示“happy”的表情)

18：blackboard：hide。(及进行隐藏黑板)

所述学生用户终端包括：控制中心、场景驱动引擎、存储器、显示屏、camera、扬声器、收声器和按键模块。如图6所示。

扬声器负责将教学和场景的一些音频播放；收声器是负责将学生用户的语音信息收集并传输到控制中心；camera是用于采集学生用户的图像信息，并将其传输至控制中心；按键模块，其实本模板可以是实际按键或者触摸屏的虚拟按键，主要有启动，停止，暂定与跳过等指令；显示屏是用于将教学场景和教学素材等展现给用户模块；场景驱动引擎，主要功能是根据控制中心给的工作指令对存储器中的教学素材和场景素材进行相应的调用与渲染，并将其呈现于显示器；存储器，负责将控制中心向云端请求的教学素材与场景素材存储本地；控制中心，本模块是整个学生用户模块的核心，主要作用是将来自收声器与camera的语音及图像信息传输至云端服务器，此外，将按键传来的指令转发到场景驱动引擎或云端服务器。

所述场景设计终端主要作用在于对教学场景、动画形象、教学用具以及动画人物的设计，同动画形象的动作与表情，以及嘴型。表情包括但不限于平静、开心、伤心、难过等表情，动作包含但不限于指向黑板、挥手等动作。动画形象的嘴型动作是根据音频文件自动生成的，方法可参考LipSync。

所述云端服务器结构如图7所示，包括：

AI服务模块：对学生用户端传输进来的图像与语音信号进行分析理解，并给出相应的工作指令。图像信号的分析理解主要指学生的面部识别分析与表情分析理解，以及头部姿态分析理解等。语音分析主要指对语音信号进行自然语言处理，获得用户意图，进而产生相应的工作指令。

工作指令模块：包括教学指令模块与场景指令模块，教学指令模块主要用于对存储器中的教学素材进行查找、调用与加载，场景指令模块主要用于对存储器中的场景素材进行查找、调用。同时，两个指令服务均可以接受来自学生用户终端的启动、结束语暂停以及跳过等命令，并作出相应操作。

存储器模块：用于将教师用户端上传的教学素材与场景设计者上传的场景素材存储在服务器端，并在接收到教学指令与场景指令后调取相应资源到学生用户端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种个性化自主教学课程系统，其特征在于：包括：

教师终端：用于教学素材制作和基于教育与或图结构-EAOG的自主教学方法及教学流程的设计；

学生终端：用于自主完成场景渲染与显示、语音与视觉交互信息采集与上传；

场景设计终端：用于自主教学场景的设计与开发；

云端服务器：用于包括教学素材与教学场景动画存储，教学方法存储调用，AI服务与指令服务。

2.根据权利要求1所述的一种个性化自主教学课程系统，其特征在于：所述教师终端的教学方法及教学流程设计包括如下步骤：

步骤1、获取教学素材，对获取的教学素材文件进行包含统一步骤说明的命名，在同一教学步骤中使用的各类不同格式文件其文件名字相同；

步骤2、基于步骤1命名处理后的教学素材文件，对不同的教学素材设计不同的讲解交互行为方式和教学流程，其中教学流程和教学方法设计基于提出的教育与或图结构-EAOG，教育与或图结构包括如下：

1)根节点：表示起始节点，不包含语义信息：

2)与节点，包括：

2.1)序列与节点：该节点表示顺序执行关系；

2.2)平行与节点：该节点表示同时并发执行关系；

3)或节点，包括：

3.1)随机或节点：表示随机关系，在多个相似的内容或行为中随机选择；

3.2)条件或节点：表示条件节点，满足相应条件时调用相应的行为节点；

4)行为节点：

4.1)终端节点：用来表示各种具体的行为，比如虚拟形象的行为或场景行为等；

4.2)结束节点：用来表示行为结束。

3.根据权利要求2所述的一种个性化自主教学课程系统，其特征在于：所述所述教育与或图结构中还包括参考节点：表示返回到条件或节点。

4.根据权利要求1所述的一种个性化自主教学课程系统，其特征在于：所述云端服务器包括：

AI服务模块：对学生用户端传输进来的图像与语音信号进行分析理解，并给出相应的工作指令；

工作指令模块：包括教学指令模块与场景指令模块，教学指令模块用于包括对存储器中的教学素材进行查找、调用与加载，场景指令模块用于包括对存储器中的场景素材进行查找、调用，两个指令模块接受到来自学生用户终端的命令时会作出相应操作；

存储器模块：用于将教师用户端上传的教学素材与场景设计者上传的场景素材存储在服务器端，并在接收到教学指令与场景指令后调取相应资源到学生用户端。

5.根据权利要求1所述的一种个性化自主教学课程系统，其特征在于：所述学生用户终端包括：

扬声器：负责教学和场景的音频播放；

收声器：负责收集学生用户的语音信息并传输到控制中心；

camera：采集学生用户的图像信息，并将其传输至控制中心；

按键模块：提供人为操作指令；

显示屏：展现给用户模块视觉资料；

场景驱动引擎：根据控制中心给的工作指令对存储器中的教学素材和场景素材进行相应的调用与渲染，并将其呈现于显示器；

存储器：将控制中心向云端请求的教学素材与场景素材存储本地；

控制中心：对整个学生用户模块的指令进行互相传输和操作，将其它各个模块的信息或指令传输至场景驱动引擎或云端服务器。