分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室

1.分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室,其特征在于，实验室(1)功能分区包括：
教学展示区(2)、教学测试区(3)、学生体验互动区(4)、教育资源展示区(5)、实验数据信息采集区(6)和信息集成设备区(7)；学生体验互动区(4)位于教学测试区(3)和实验数据信息采集区(6)之间，信息集成设备区(7)在实验室(1)南北两侧的墙面上布置了显示大屏,教学展示区(2)位于实验室(1)的相对较远的一端；运行支持系统(8)与数据工作系统(12)均与服务器(13)连接，实验信息采集系统和音视频输入输出设备安装在实验室(1)内；运行支持系统(8)包括主控台(9)、电源控制模块(10)和通风设备(11)；数据工作系统(12)中包括服务器(13)、数据库(14)、教育资源云(15)、泛在教学系统(16)、学习分析评估系统(17)，移动设备(18)、跨屏管理模块(19)，录播系统(20)和互联网(21)；其中，泛在教学系统(16)、学习分析评估系统(17)和录播系统(20)分别与数据工作系统(12)和服务器(13)连接，服务器(13)、教育资源云(15)和移动设备(18)分别通过互联网(21)无线互联；
实验信息采集系统包括高清摄像设备以及各种专业实验数据采集设备；音视频输入输出设备包括输入系统、输出系统、高清显示屏、音频矩阵、麦克风矩阵、喇叭矩阵和3D影像。
2.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，实验室(1)的信息集成设备区(7)满挂高清显示屏，其中至少有一块高清显示屏位于中下部的高清显示屏为触摸控制显示屏，而且，实验室(1)内均匀布置由麦克风矩阵和喇叭矩阵构成的音频矩阵。
3.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，教学测试区(3)有至少部分封闭的隔离屏，而且，在所述隔离屏壁上安装测试设备，隔离屏为可调单向透视结构。
4.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，学生体验互动区(4)为至少二组，每组内安装由至少二把座椅和至少一部圆桌构成的辅助设施。
5.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，高清显示大屏采用17块触摸或非触摸的大屏平板显示器，其中3台为46寸，用作教学成果显示；6台为42寸带触摸功能，用作交互演示；8台为42寸不带触摸功能，用作监测数据及报表图展示；输出系统包括跨屏管理模块、可视展现模块。
6.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，数据工作系统中服务器(13)嵌入CPU架构，在网络方面以无线连接为主、有线为辅，移动设备使用带有RFID射频识别电子标签、红外数据通信端口或蓝牙端口通信接口利用无线通信技术的PDA、智能手机、笔记本电脑。
7.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，学习分析评估系统(17)包括前端摄像采集系统：前端摄像采集系统通过前端高清摄像设备采集课堂实时图像，前端摄像采集系统由两套前置摄像机和两套头顶摄像机组成；学习分析评估系统(17)还包括行为采集模块、行为分析模块和效果评估模块，行为采集模块包括图像采集模块、环境声场音频采集模块、人体生物信息采集模块和网络痕迹采集模块；图像采集模块还包括人脸检测子模块、人眼定位子模块、形体判断子模块、判断头部特征子模块和追踪子模块。
8.如权利要求1所述的分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，其特征在于，输入系统包括高清摄像设备和麦克风矩阵，输出系统包括音频输出、视频输出以及文字信息发布，其中视频输出包括三通道立体环幕系统，音频输出包括调音台和功放设备、音箱，音箱支架可伸缩时尚支架，与音响配套；三通道立体环幕系统包括高性能图像校正融合播放一体机、投影机、金属幕布、投影机吊架和立体眼镜。

分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及教育或演示设施或实验室设备，尤其是分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室。\n背景技术\n[0002] 随着新时期教学的发展，实验室在教学中发挥着越来越重要的作用。实验课是一种常见的理科教学方法。主要是通过现场的实验进行教学，根据实验操作者的不同可分为：\n教师演示、学生动手、师生协作三类。\n[0003] 虽然实验课优点众多，但实验课所用设备比较贵重，学校建立一个科学探究实验室需要很大的资金，对于偏远地区或实验条件较差地区的学校，由于缺少资金，很难建立科学探究实验室，这些地区的学生也无法享受先进水平的实验课程。传统教学模式受教学经费的限制，很难随时随地带领学生实地讲解。而增加一些实地教学设施，但在资金成本上投入很大，而且这些投入并不能重复利用。在这一方面，传统教学方式明显存在不足。\n[0004] 随着实验室教学的快速发展，实现试验教学的互动已经成为试验教学发展的大趋势。互动体验式教学的内涵是根据学生所处年龄段的心理特征,由教学环境境在恰当时机结合情景进行教学活动,从而使学生能够感受到较为真实的交流体验,以期使学生的各项素质和逻辑能力得到综合提升,使其感觉到教学活动与现实更加贴近。而互动体验式教学重视的是从环境入手来完成互动体验式教学。\n[0005] 现有的实验室互动教学是在实验室内安装视音频录入设备记录教师实验过程，教师在实验完成后，将录像内容放在校园网上，由学生下载后观看、实验，学生在实验过程遇到问题不能及时求教。实验过程问题不及时解答，导致实验后解答问题容易造成学生不理解，记不牢等，或者有些学生干脆不求教教师，教师不可能掌握每个学生学习情况，导致互动效果不好。而且，对于实验课技术，许多课程对画质的清晰度、色彩的还原性、动作的连续性有较高的要求，再者，现代教学中为给学生提供名师授课是市场的需要，但名师教师资源的匮乏，与学生的要求产生矛盾。再者，众多的学生可以通过虚拟的系统享受名师授课的优惠。另一方面，目前的多媒体教学一般只采用一种显示器，所有的教学资源通过该 显示器进行显示，然后输送给学生。这样给学生的学习带来了困难，增加了教学的时间，使得教学效率大大降低。而在跨媒体互动平台的诸备用显示终端之间还需要进行多屏无缝互接转换或同步，才能取得设计预定效果，相关现有技术公开较少。\n实用新型内容\n[0006] 本实用新型的目的是提供一种分区的体验式多屏跨媒体互动教学实验室，是一个以信息技术为支撑，集教学、研究、测试、分析和创新于一体的开放教学研究服务平台。\n[0007] 本实用新型的目的将通过以下技术措施来实现：实验室功能分区包括：教学展示区、教学测试区、学生体验互动区、教育资源展示区、实验数据信息采集区和信息集成设备区；学生体验互动区位于教学测试区和实验数据信息采集区之间，信息集成设备区以实验室南北两侧墙体上的触摸大屏和显示大屏为主,教学展示区位于实验室的相对较远的一端；运行支持系统与数据工作系统均与服务器连接，实验信息采集系统和音视频输入输出设备安装在实验室内；运行支持系统包括主控台、电源控制模块和通风设备；数据工作系统中包括服务器、数据库、教育资源云、泛在教学系统、学习分析评估系统，移动设备、跨屏管理模块，录播系统和互联网；其中，泛在教学系统、学习分析评估系统和录播系统分别与数据工作系统和服务器连接，服务器、教育资源云和移动设备分别通过互联网无线互联；实验信息采集系统包括高清摄像设备以及各种专业实验数据采集设备；音视频输入输出设备包括输入系统、输出系统、高清显示屏、音频矩阵、麦克风矩阵、喇叭矩阵和3D影像。\n[0008] 尤其是，实验室内壁满挂高清显示屏，其中至少有一块高清显示屏位于中下部的高清显示屏为触摸控制显示屏，而且，实验室内均匀布置由麦克风矩阵和喇叭矩阵构成的音频矩阵。\n[0009] 尤其是，教学测试区有至少部分封闭的隔离屏，而且，在所述隔离屏壁上安装测试设备，隔离屏为可调单向透视结构。\n[0010] 尤其是，学生体验互动区为至少二组，每组内安装由至少二把座椅和至少一部圆桌构成的辅助设施。\n[0011] 尤其是，高清显示大屏采用17块触摸或非触摸的大屏平板显示器，其中3台为46寸，用作教学成果显示；6台为42寸带触摸功能，用作交互演示；8台为42寸不带触摸功能， 用作监测数据及报表图展示；输出系统包括跨屏管理模块、可视展现模块。\n[0012] 尤其是，数据工作系统中服务器嵌入CPU架构，在网络方面以无线连接为主、有线为辅，移动设备使用带有RFID射频识别电子标签、红外数据通信端口或蓝牙端口通信接口利用无线通信技术的PDA、智能手机、笔记本电脑。\n[0013] 尤其是，学习分析评估系统包括前端摄像采集系统：前端摄像采集系统通过前端高清摄像设备采集课堂实时图像，前端摄像采集系统由两套前置摄像机和两套头顶摄像机组成；学习分析评估系统还包括行为采集模块、行为分析模块和效果评估模块，行为采集模块包括图像采集模块、环境声场音频采集模块、人体生物信息采集模块和网络痕迹采集模块；图像采集模块还包括人脸检测子模块、人眼定位子模块、形体判断子模块、判断头部特征子模块和追踪子模块。\n[0014] 尤其是，输入系统包括高清摄像设备和麦克风矩阵，输出系统包括音频输出、视频输出以及文字信息发布，其中视频输出包括三通道立体环幕系统，音频输出包括调音台和功放设备、音箱，音箱支架可伸缩时尚支架，与音响配套；三通道立体环幕系统包括高性能图像校正融合播放一体机、投影机、金属幕布、投影机吊架和立体眼镜。\n[0015] 本实用新型的优点和效果：实验室提供了跨媒体多屏无缝互动的学习空间，在多屏互动技术的支持下，融入全息影像、多屏互动、学习分析等技术，实现物理空间与虚拟空间的无缝融合。学习者可以通过不同终端设备，实现从正式学习到非正式学习的无缝融合、多种学习模式的无缝融合、跨终端跨媒体等支撑技术的无缝融合，为学习者提供了良好的学习体验，提升了学习者的学习成效。互动性好，并方便年轻教师的培养，充分开发个性化服务的乐趣，使教师在讲台上即可实时的宏观和微观地了解各位学生的学习实训情况，掌握教学状况。可以节约教育科学实验室装备的资金投入，达到最大限度的资源共享。\n附图说明\n[0016] 图1为本实用新型实施例1中实验室功能分区结构示意图。\n[0017] 图2为本实用新型实施例1中工作结构关系示意图。\n[0018] 附图标记包括：实验室1、教学展示区2、教学测试区3、学生体验互动区4、教育资源展示区5、实验数据信息采集区6、信息集成设备区7；运行支持系统8、主控台9、电 源控制模块10和通风设备11；数据工作系统12、服务器13、数据库14、教育资源云15、泛在教学系统16、学习分析评估系统17，移动设备18、跨屏管理模块19，录播系统20和互联网21。\n具体实施方式\n[0019] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。\n[0020] 本实用新型意在提出的一类开放教学数字化实验室是一套全新理念的教学研究服务平台，探索远程教育的先进理念、整合先进技术如何在教育上的融合；实验室集测试、研究、分析于一体；实验室集多种教学模式于同一空间，在真实的教学环境中进行实验与数据分析。可以实现远程管理和维护，互动性好、便于学生掌握课程内容、提高授课质量并方便年轻教师的培养。\n[0021] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。\n[0022] 本实用新型中包括：实验室1功能分区、运行支持系统8、数据工作系统12、实验信息采集系统、音视频输入输出设备。\n[0023] 实施例1：如附图1所示，实验室1功能分区包括：教学展示区2、教学测试区3、学生体验互动区4、教育资源展示区5、实验数据信息采集区6和信息集成设备区7；学生体验互动区4位于教学测试区3和实验数据信息采集区6之间，信息集成设备区7和教学展示区2分别位于实验室1的相对较远的两端。\n[0024] 前述中，实验室1内壁满挂高清显示屏，其中至少有一块高清显示屏位于中下部的高清显示屏为触摸控制显示屏，而且，实验室1内均匀布置由麦克风矩阵和喇叭矩阵构成的音频矩阵。\n[0025] 前述中，教学测试区3有至少部分封闭的隔离屏，而且，在所述隔离屏壁上安装测试设备，隔离屏为可调单向透视结构。即可以调节为由外到内的单向透视，也可以调节为由内到外的单向透视，便于测试观察和实验展开。\n[0026] 前述中，学生体验互动区4为至少二组，每组内安装由至少二把座椅和至少一部圆桌 构成的辅助设施。在该辅助设施上便于贴近安装布置实验信息采集系统的数据采集设备。\n[0027] 如附图2所示，运行支持系统8与数据工作系统12均与服务器13连接，实验信息采集系统和音视频输入输出设备安装在实验室1内。运行支持系统8包括主控台9、电源控制模块10和通风设备11。数据工作系统12中包括服务器13、数据库14、教育资源云15、泛在教学系统16、学习分析评估系统17，移动设备18、跨屏管理模块19，录播系统20和互联网21；实验信息采集系统包括高清摄像设备以及各种专业实验数据采集设备。音视频输入输出设备包括输入系统、输出系统、高清显示屏、音频矩阵、麦克风矩阵、喇叭矩阵、3D影像。\n[0028] 前述中，多屏设备是指不同的显示终端设备，智能手机、智能平板、PC、电视平板等，互动是指不同的终端设备之间的相互切换和控制。在多屏互动技术的支持下，学习者可以通过不同终端设备，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电视平板等设备，实现多种移动终端之间的甩屏功能。借助这种功能，学习者可以自由灵活地分享自己移动终端中的内容，形成终端设备之间的互联互通和不同屏幕之间的同步显示，使学习资源可以在教师、学生的各种终端设备中实现交互共享，满足泛在学习空间跨终端、跨边界等增强现实的支撑技术无缝融合。\n[0029] 前述中，高清显示大屏采用17块触摸或非触摸的大屏平板显示器，其中3台为46寸，用作教学成果显示；6台为42寸带触摸功能，用作交互演示；8台为42寸不带触摸功能，用作监测数据及报表图展示；输出系统包括跨屏管理模块、可视展现模块。跨屏管理模块控制展示环境中所有的屏幕，并能指定每块屏幕的显示内容，同时能将现场学员的学习终端当前显示内容在指定的屏幕上展示出来，实现从主流平板终端到大屏幕的跨屏切换功能，画面能够自适应屏幕分辨率要求，切换过程流畅，操作友好。可视展现模块对各类数据进行不同时间维度的同比、环比分析，业务系统产生的报表图按照折线、柱状图、饼图、散列图等方式来呈现。\n[0030] 前述中，服务器包括教学业务层，教学业务层围绕教学业务功能，提供一个统一的管理平台来实现端到端的流程管理，协调各个环节的合作和提高管理效率，具有统一的人机交互界面，权限控制和用户管理等功能；教学业务层的数据层连接实时数据库和文档型数 据库；实时数据库包括内存数据库或者内存缓存，用于实时响应非常高的热数据的管理，减少由于磁盘IO带来的影响，适用于流式技术的实时处理分析；文档型数据库主要功能特性有：面向集合存储，易存储对象类型的数据；模式自由；支持动态查询；支持完全索引，包含内部对象；持查询；支持复制和故障恢复；使用高效的二进制数据存储，包括大型视频对象；自动处理碎片，以支持云计算层次的扩展性；支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP，C#等多种语言；文件存储格式为BSON；可通过网络访问。BSON为一种JSON的扩展形式。\n[0031] 前述中，数据工作系统中服务器13嵌入CPU架构，在网络方面以无线连接为主、有线为辅，使用带有RFID射频识别电子标签、红外数据通信端口、蓝牙端口等通信接口的PDA、智能手机、笔记本电脑等移动设备，利用无线通信技术，在任何地点、任何时间学习任何自己感兴趣的内容。\n[0032] 学习分析评估系统17包括前端摄像采集系统：前端摄像采集系统通过前端高清摄像设备采集课堂实时图像，经服务器使用快速算法进行图像处理后，能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、头部、脸部、手、人体活动物体追踪等特殊功能展开工作；前端摄像采集系统由两套前置摄像机和两套头顶摄像机组成，从而形成立体的学习对象体位跟踪采集系统，在后台服务器进行矢量位移的迭代计算，建立课堂安静指数，并不断修正，达到丰富课堂行为数据样本库目的。学习分析评估系统17包括行为采集模块、行为分析模块和效果评估模块，主要实现实时行为数据采集、分析、存储和归档。行为采集模块包括图像采集模块、环境声场音频采集模块、人体生物信息采集模块和网络痕迹采集模块：检测活动人体区域，完成多张图片活动区域的检测，完成PC机图像采集工作，将采集到的图片放入指定内存，以便系统程序快速处理。图像采集模块还包括人脸检测子模块、人眼定位子模块、形体判断子模块、判断头部特征子模块和追踪子模块；人脸检测子模块快速检测出类似人脸，人眼定位子模块检测出人眼，确定检测对象，形体判断子模块从图片中使用曲线检测，对类似人形做检测。判断头部特征子模块从图片中使用曲线检测，对类似头部做检测。追踪子模块追踪体态判断体态摇动、人物听课专注度。环境声场音频采集模块一方面采集实验室内教学活动音频数据，另一方面采集实验室内部以及外部 传入的非教学音频数据。人体生物信息采集模块教学活动参与者的脑电波、血压、心率、体温以及视听关注持续时间、姿势变化数据。网络痕迹采集模块采集教学活动参与者实验过程中的浏览习惯、词汇习惯、阅读和录入速度、音量等各类行为数据。\n[0033] 例如：采集过程：通过摄像机采集课堂实时图像，采用多帧点比较的方式，画出人物活动区域，从当前图像中，分析出光照明暗区域，判断人物位置移动数据，实时反馈相对体征位置变动数据，并能对多个人物个体同时进行诸如体态摇动、眼睛位置变化、活动物体头部、脸部、手、人体等追踪；采集速度：图像采集速度不低于30帧/秒，数据处理反应速度可达10次/秒以上，可同时跟踪采集人数不少于50人；数据关联：学员取得的学习效果，通过课堂行为数据记录，考试测验成绩以及课后问卷等进行关联；历史数据保存：系统可同时进行录音、录像，可实现行为追溯功能；系统的可扩展性：系统可扩展支持其他教学行为的测试系统及设备接入；评测管理：能完成一套完整的教学行为评测指标体系并具备开放扩展的功能。\n[0034] 前述中，分区域分类别地按照实验室科研活动或者教学活动的要求，展示各类数据、报表、报告、课件、教学研究成果等相关的视频、音频和图片内容。利用DLNA技术使用智能手机、PAD等移动设备将存储在服务器、NAS、手机或PAD中的媒体内容推送到大屏幕或智能电视机上或网内的其它电脑屏幕上供大家观看。通过不同配置支持不同学习终端和显示屏幕之间的关联关系，实现“1对1”，“1对多”，“多对多”等组合方式。数据关联采用分布式大数据平台，运用云计算的SaaS服务交付、部署和使用的模式实现。\n[0035] 本实施例中，基于学习分析评估系统17以及开放教学的数字化泛在学习实验条件，利用先进的异构数据处理技术和人工智能等大数据挖掘工具，实现对学习资源和学习行为进行跟踪、数据采集与分析评估。\n[0036] 本实施例中，学习分析评估系统17根据网络痕迹采集模块数据，对于在线学习行为分析，能够实时采集数字化学习过程中学习者各类行为数据，并能根据数字化学习过程中产生的各类学习行为数据如浏览习惯、打开web方式等进行快速分析。另外，学习分析评估系统17具备开放学习资源分析评估功能，利用大数据技术进行智能统计分析建模，特征数据集包括学习资源的静态属性数据，学习资源应用数据，学习状态数据等。\n[0037] 本实施例中，能够为教师及研究人员在实验室环境中提供高水平的数字化学习评测和资源制作的技术环境，并提供多模式的开放学习体验支持。利用该系统可以探索创新教学资源基于云计算模式的教学模式，实现在互联网、移动互联网等不同网络使用环境下针对文字、图像、声音跨媒体、跨PC和智能终端终端或跨Windows、IOS、Android、Linux平台的课件制作、管理、评测与分析体系。\n[0038] 本实施例中，设备间通讯以无线连接为主，通讯有线连接采用专业网络、视频线缆以及接插件采用聚乙烯绝缘，对绞组铜线编织，分屏蔽及总屏蔽，聚氯乙烯护套计算机电缆。\n[0039] 本实施例中，主控台9采用优质冷轧钢板，先磷化后静电喷涂，能防火、防盗、防电、防水等性能好；尺寸:1300*750*800；配套椅子1把。专业机柜采用钢制结构，防火性强；耐磨耐用；符合ANSI/EIA RS-310-D、IEC297-2、DIN41491；PART1、DIN41494；PART7、GB/T3047.2-92标准；兼容ETSI标准；尺寸：高1.8米、宽0.6米、深0.8米。\n[0040] 本实施例中，输入系统包括高清摄像设备和麦克风矩阵。输出系统包括音频输出、视频输出以及文字信息发布，其中视频输出包括三通道立体环幕系统。音频输出包括调音台和功放设备、音箱，音箱支架可伸缩时尚支架，与音响配套。三通道立体环幕系统包括高性能图像校正融合播放一体机、投影机、金属幕布、投影机吊架、立体眼镜。\n[0041] 本实用新型工作时，该实验室启动互动教学时通过服务器打开实验室电源，教师实验时高清摄像机将教师实验过程通过高清视频矩阵传输到实验室内的高清显示器上显示，教师的实验讲解语音由麦克风通过音频矩阵传输到喇叭上，使实验室的学生听到声音都一样高低；并且实验室内学生的实验过程由球式摄像机传输到标清视频矩阵，由标清视频矩阵显示到实验室内的电视墙，学生在实验过程遇到的问题，也由麦克风经过音频矩阵传输到实验室喇叭，教师针对学生的问题一一解答。\n[0042] 本实用新型解决了目前互动教学系统应用传统思路下学生通过观看实验教学视频后再提问的缺点，以高清视频、音频技术呈现教师的实验过程，同时以标清视频、音频技术也反映学生的实验过程及遇到问题，以避免有些在教师无法照看下偷懒不动手做实验，事后通过其他同学了解实验目的，从而保证互动教学的效果。将以web2.0为核心的多种技术和功能整合到跨媒体互动平台，形成一个跨媒体的数字化互动教学环境。\n[0043] 以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。