一种师范生教学技能智能评价与训练系统

技术领域

本发明涉及教育培训技术领域，更具体地说，涉及一种师范生教学技能智能评价与训练系统。

背景技术

发展教育就得提升教育质量，教育质量紧紧依靠于教师的水平。教师的水平影响着一堂课的好坏。优秀的教师是教学成功的关键，教师的教学行为对学生的学习效果有着重要的影响。当前，我国中小学教师绝大多数源自于师范教育。师范生作为教师队伍的储备力量，影响着未来教育的发展。提高教育质量，不仅要着眼于在职教师队伍建设，更要着眼于师范教育的培养环节。课堂教学是教师传授知识与技能的“主战场”，对于师范生来讲，如何能够运用清楚的语言、工整的板书以及良好的教姿来讲授一节课的知识概念、原理和观点，引导学生进行学习，是他们课堂教学最基本的技能。在这些基础上，才能够进一步展示其他方面的教学技能。如同戏曲演员要训练唱、念、做、打一样，教师的语言、板书和教态这三项基本教学技能是习得其它教学技能的核心要素，是成为一名合格的教师前必须进行的“基本功”训练。

现阶段我们对师范生的培养主要采用教师指导、学生训练的培养模式。这种培养模式对教师的要求较高，所以能指导师范生进行教学技能训练的教师较少，面对日益增长的师范生的人数，指导教师很难顾及到每一个师范生。在基本技能训练时，学生为了明确努力方向，需要指导教师给出实时评价。它是教师通过个人感觉进行的主观定性评价，如：声音宏亮，富有激情，板书规范，教态自然大方等。这样的评价缺乏明确的客观性标准，更没有形成可量化的客观评价体系，学生往往无所适从，需要经过长时间，多次尝试才能达到指导教师的要求。在这样的情况下，显然用传统的方法实施基本教学技能训练的可操作性差，缺乏行之有效的训练模式，开展大规模有效训练难以进行，这些因素严重影响了师范生培养的质量。

发明内容

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种师范生教学技能智能评价与训练系统，它可以利用大数据处理构建客观评价体系，结合人工智能、现代传感技术虚拟了智能教师和真实课堂，参训者采用沉浸式自主训练的方法，在有效的解决训练时间空间成本高、指导教师资源不足和缺乏客观评价等问题的同时，还能够实现分级达标训练，达到个体精准训练的目的，有效提高训练效率，进而提高师范生培养的质量。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种师范生教学技能智能评价与训练系统，包括云服务器、虚拟教室和安装于虚拟教室中的人机交互设备、语言检测模块、板书检测模块、教学姿态检测模块，所述虚拟教室由高性能工程激光投影仪和曲面大屏幕构成，同时配备有自适应3D眼镜、音响设备和语音识别设备，所述云服务器包括数据采集模块、数据处理模块和数据对比模块，且人机交互设备通过网络与数据对比模块相连接，所述语言检测模块包括与人机交互设备相连接的语音处理设备，所述语音处理设备连接有语音收录设备，所述板书检测模块包括与人机交互设备相连接的图像处理设备，所述图像处理设备连接有智能会议平板，所述教学姿态检测模块包括与人机交互设备相连接的动作数据处理设备，所述动作数据处理设备连接有一组体感惯性传感器。

所述自适应3D眼镜包括镜框，所述镜框前端固定连接有一对容纳盒，所述容纳盒外端开凿有与镜框相匹配的通口，所述容纳盒内设有与其相匹配的镜片，且镜片上端延伸至容纳盒上侧，所述镜片上端固定连接有支座，所述容纳盒前端固定连接有一对驱动盒，且两个驱动盒分别位于通口左右两侧，所述驱动盒内固定安装有电动推杆，所述支座前端固定连接有一对位于驱动盒正上方的联动块，且电动推杆的输出轴贯穿驱动盒上壁并与其对应位置的联动块固定连接，所述镜框外端固定安装有与动作数据处理设备电性连接的微型控制器，且多个电动推杆均与微型控制器电性连接，当动作数据处理设备检测到师范生面对学生进行讲课时，微型控制器会控制电动推杆处于收缩状态，使镜片位于师范生眼前，进而使师范生能够获得立体的课堂画面，当动作数据处理设备检测到师范生书写板书时，微型控制器会控制电动推杆处于伸展状态，使镜片从师范生眼前离开，有效避免镜片对师范生的板书书写造成干扰，实现自适应3D眼镜的自适应调节功能。

进一步的，所述数据采集模块用于采集网络上国内优秀教师上课的视频和音频数据，所述数据处理模块用于对视频和音频数据进行大数据处理和分析，建立基本教学技能评价体系，确定教学语言技能量化指标、教学板书技能量化指标和教学姿态技能量化指标。

进一步的，所述教学语言技能量化指标包括：语速，响度，语速变化率，响度变化率，语音留白，口头语，语音标准。

进一步的，所述教学板书技能量化指标包括：字大小，字间距，行间距，行倾斜度，字清晰程度，字规范程度。

进一步的，所述教学姿态技能量化指标包括：走动步数、距离与速度，折返次数，头部姿态，面部朝向，手势动作。

进一步的，一组所述体感惯性传感器包括头部传感器、颈部传感器、背部传感器、两个手肘传感器和两个肩部传感器。

进一步的，所述背部传感器用于检测折返次数和走动步数、距离与速度，所述头部传感器和颈部传感器用于检测头部姿态和面部朝向，所述手肘传感器和肩部传感器用于检测手势动作。

进一步的，所述动作数据处理设备和智能会议平板电性连接，通过对接智能会议平板能够更加准确地判断手臂动作是刮擦黑板的动作还是书写板书的动作，基本方法是：动作发生时，有书写轨迹产生，就判定为书写动作；动作发生时，书写轨迹被清除了，就判定为刮擦黑板动作。同时接入智能会议平板还可以减少无关动作引起的误差，增加检测的精确度。

进一步的，所述语音收录设备采用领夹式无线话筒，方便师范生在教学训练过程中进行适当范围的移动，有效提高教学沉浸感，所述语音处理设备内部连接有语音降噪模块，在语音处理设备对语音收录设备收录的语音数据进行处理分析前，通过语音降噪模块对语音数据进行降噪处理，有效提高语音处理设备对语音数据处理结果的准确性。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本方案可以利用大数据处理构建客观评价体系，结合人工智能、现代传感技术虚拟了智能教师和真实课堂，参训者采用沉浸式自主训练的方法，在有效的解决训练时间空间成本高、指导教师资源不足和缺乏客观评价等问题的同时，还能够实现分级达标训练，达到个体精准训练的目的，有效提高训练效率，进而提高师范生培养的质量。

（2）虚拟教室由高性能工程激光投影仪和曲面大屏幕构成，同时配备有自适应3D眼镜、音响设备和语音识别设备，利用投影与巨型曲面幕布，将整个画面显于眼前，同时通过3D技术和自适应3D眼镜形成立体的课堂画面，通过音响设备获得课堂环境声音，通过语音识别指令进行人机交互，通过自适应3D眼镜自动适应讲课和书写板书两种情况，构建了具有沉浸感的课堂环境，使人获得极致的沉浸感与代入感，提升师范生训练过程中的教学体验。

（3）动作数据处理设备和智能会议平板电性连接，通过对接智能会议平板能够更加准确地判断手臂动作是刮擦黑板的动作还是书写板书的动作，基本方法是：动作发生时，有书写轨迹产生，就判定为书写动作；动作发生时，书写轨迹被清除了，就判定为刮擦黑板动作。同时接入智能会议平板还可以减少无关动作引起的误差，增加检测的精确度。

（4）语音收录设备采用领夹式无线话筒，方便师范生在教学训练过程中进行适当范围的移动，有效提高教学沉浸感，语音处理设备内部连接有语音降噪模块，在语音处理设备对语音收录设备收录的语音数据进行处理分析前，通过语音降噪模块对语音数据进行降噪处理，有效提高语音处理设备对语音数据处理结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为本发明的系统运行流程图；

图3为本发明的基本教学技能评价体系分布图；

图4为本发明的体感惯性传感器位置分布图；

图5为本发明的头部传感器和颈部传感器的位置分布图；

图6为本发明的头部传感器和颈部传感器检测抬头低头时的结构示意图；

图7为本发明的头部传感器和颈部传感器检测面部朝向时的结构示意图；

图8为本发明的自适应3D眼镜的结构示意图；

图9为本发明的自适应3D眼镜的结构示意图；

图10为本发明的自适应3D眼镜的镜片打开时的结构示意图。

图中标号说明：

1云服务器、101数据采集模块、102数据处理模块、103数据对比模块、2虚拟教室、201镜框、202容纳盒、203通口、204镜片、205支座、206驱动盒、207电动推杆、208联动块、209微型控制器、3人机交互设备、4语言检测模块、401语音收录设备、402语音处理设备、5板书检测模块、501智能会议平板、502图像处理设备、6教学姿态检测模块、601体感惯性传感器、602动作数据处理设备。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1-7，一种师范生教学技能智能评价与训练系统，包括云服务器1、虚拟教室2和安装于虚拟教室2中的人机交互设备3、语言检测模块4、板书检测模块5、教学姿态检测模块6，虚拟教室2由高性能工程激光投影仪和曲面大屏幕构成，同时配备有自适应3D眼镜、音响设备和语音识别设备，利用投影与巨型曲面幕布，将整个画面显于眼前，同时通过3D技术和自适应3D眼镜形成立体的课堂画面，通过音响设备获得课堂环境声音，通过语音识别指令进行人机交互，构建了具有沉浸感的课堂环境，使人获得极致的沉浸感与代入感，提升师范生训练过程中的教学体验。

请参阅图8-10，自适应3D眼镜包括镜框201，镜框201前端固定连接有一对容纳盒202，容纳盒202外端开凿有与镜框201相匹配的通口203，容纳盒202内设有与其相匹配的镜片204，且镜片204上端延伸至容纳盒202上侧，镜片204上端固定连接有支座205，容纳盒202前端固定连接有一对驱动盒206，且两个驱动盒206分别位于通口203左右两侧，驱动盒206内固定安装有电动推杆207，支座205前端固定连接有一对位于驱动盒206正上方的联动块208，且电动推杆207的输出轴贯穿驱动盒206上壁并与其对应位置的联动块208固定连接，镜框201外端固定安装有与动作数据处理设备602电性连接的微型控制器209，且多个电动推杆207均与微型控制器209电性连接，微型控制器209和动作数据处理设备602通过无线网络或蓝牙相连接，请参阅图8，当动作数据处理设备602检测到师范生面对学生（即：面对曲面大屏幕）进行讲课时，微型控制器209会控制电动推杆207处于收缩状态，使镜片204位于师范生眼前（即通口203处），进而使师范生能够获得立体的课堂画面，请参阅图10，当动作数据处理设备602检测到师范生书写板书（即：背对对曲面大屏幕）时，微型控制器209会控制电动推杆207处于伸展状态，使镜片204从师范生眼前离开，有效避免镜片204对师范生的板书书写造成干扰，实现自适应3D眼镜的自适应调节功能。

请参阅图1-3，云服务器1包括数据采集模块101、数据处理模块102和数据对比模块103，且人机交互设备3通过网络与数据对比模块103相连接。数据采集模块101用于采集网络上国内优秀教师上课的视频和音频数据，数据处理模块102用于对视频和音频数据进行大数据处理和分析，建立基本教学技能评价体系，确定教学语言技能量化指标、教学板书技能量化指标和教学姿态技能量化指标。教学语言技能量化指标包括：语速，响度，语速变化率，响度变化率，语音留白，口头语，语音标准（即普通话规范程度）；教学板书技能量化指标包括：字大小，字间距，行间距，行倾斜度，字清晰程度，字规范程度；教学姿态技能量化指标包括：走动步数、距离与速度，折返次数，头部姿态（反映师范生抬头、低头的次数与幅度），面部朝向（反映师范生左右扫视学生的频次与幅度），手势动作（反映师范生刮擦黑板、书写板书等手部动作的频次）。

请参阅图1，语言检测模块4包括与人机交互设备3相连接的语音处理设备402，语音处理设备402连接有语音收录设备401，语音收录设备401采用领夹式无线话筒，方便师范生在教学训练过程中进行适当范围的移动，有效提高教学沉浸感，语音处理设备402内部连接有语音降噪模块，在语音处理设备402对语音收录设备401收录的语音数据进行处理分析前，通过语音降噪模块对语音数据进行降噪处理，有效提高语音处理设备402对语音数据处理结果的准确性。

请参阅图1，板书检测模块5包括与人机交互设备3相连接的图像处理设备502，图像处理设备502连接有智能会议平板501，智能会议平板501内部安装有压力传感器，并且配备有智能书写笔，笔迹落笔即现，具有良好的书写感，同时在压力传感器的配合下记录板书的轨迹数据，形成板书图像数据。

请参阅图1，教学姿态检测模块6包括与人机交互设备3相连接的动作数据处理设备602，动作数据处理设备602连接有一组体感惯性传感器601，请参阅图4-5，一组体感惯性传感器601包括头部传感器、颈部传感器、背部传感器、两个手肘传感器和两个肩部传感器，头部传感器和颈部传感器的穿戴位置如图5所示，背部传感器穿戴于背部脊椎处。

请参阅图4-5，背部传感器用于检测折返次数和走动步数、距离与速度，对于折返次数，通过背部传感器的转动来检测：当背部传感器转过180°时，记为一次转身动作，两次转身动作记为一次折返。对于走动步数、距离与速度，通过背部传感器随脊柱的摆动来检测：由于人在走动的时候，脊椎会左右摆动。迈左脚时，人的重心向左前方移动，脊椎也会随之向左前方移动；迈右脚时，人的重心向右前方移动，脊椎则随之向右前方移动。按照此特性，通过背部传感器获得左右摆动的次数，便可以得到走动的步数，摆动一次就计为一步；通过摆动的周期，得到走动的步速；通过背部传感器的位移轨迹，得到走动的距离。请参阅图6-7，头部传感器和颈部传感器用于检测头部姿态和面部朝向，请参阅图6，对于头部姿态，通过头部传感器相对于颈部传感器在垂直面（即：X-Z平面）上的转动角度来检测；请参阅图7，对于面部朝向，通过头部传感器相对于颈部传感器在水平面（即：X-Y平面）上的转动角度来检测。

请参阅图4-5，手肘传感器和肩部传感器用于检测手势动作，无论是书写板书还是刮擦黑板，手肘传感器与肩部传感器的连线相较于初始位置都要转过一个较大的角度，通过采集它的角度变化便可以区别是否进行了书写板书以及刮擦黑板的动作。请参阅图1-7，动作数据处理设备602和智能会议平板501电性连接，通过对接智能会议平板501能够更加准确地判断手臂动作是刮擦黑板的动作还是书写板书的动作，基本方法是：动作发生时，有书写轨迹产生，就判定为书写动作；动作发生时，书写轨迹被清除了，就判定为刮擦黑板动作。同时接入智能会议平板501还可以减少无关动作引起的误差，增加检测的精确度。

请参阅图1-7，当师范生需要进行教学模拟培训时，首先将语音处理设备402、图像处理设备502和动作数据处理设备602与人机交互设备3相连接，同时佩戴好语音收录设备401和七个体感惯性传感器601，七个体感惯性传感器601分别佩戴于使用者的头部、两手肘部、两肩部以及背部，然后，使用者须对七个体感惯性传感器601进行位置标定，具体标定方式为：使用者立正、手臂自然垂下的姿势保持三秒，使每个体感惯性传感器601各自建立一个坐标系。

请参阅图1-7，之后，师范生便可以在虚拟教室2中进行模拟教学，使师范生获得极致的沉浸感与代入感，提升师范生训练过程中的教学体验。在师范生模拟教学过程中，语音收录设备401对教学语音进行收录，而语音处理设备402则对收录的语音数据进行处理分析，得到师范生模拟教学过程中的语速、响度、语速变化率、响度变化率、语音留白、口头语和语音标准的数值；智能会议平板501对教学板书进行记录，形成板书图像数据，然后由图像处理设备502对板书图像数据进行处理分析，获得板书的字大小、字间距、行间距、行倾斜度、字清晰程度和字规范程度的数值；动作数据处理设备602通过七个体感惯性传感器601的自身坐标的变化和相对的坐标变化来判断测试者做出的动作，得到师范生模拟教学过程中的走动步数、距离与速度、折返次数、头部姿态、面部朝向和手势动作的数值。

请参阅图1-7，师范生模拟教学完成后，可以人机交互设备3会自动将语言检测数据、板书检测数据和教学姿态检测数据输入至云服务器1的数据对比模块103，数据对比模块103会将输入的数据与量化指标进行对比和偏差分析，得到师范生教学语言技能、教学板书技能和教学姿态技能的评价等级，并通过人机交互设备3将评价等级反馈给师范生。综上，本系统可以利用大数据处理构建客观评价体系，结合人工智能、现代传感技术虚拟了智能教师和真实课堂，参训者采用沉浸式自主训练的方法，在有效的解决训练时间空间成本高、指导教师资源不足和缺乏客观评价等问题的同时，还能够实现分级达标训练，达到个体精准训练的目的，有效提高训练效率，进而提高师范生培养的质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。