生化实验教学远程展示互动系统

摘要

本发明公开了一种生化实验教学远程展示互动系统，包括一个展示装置和至少一个演示装置，以及服务器。展示装置和演示装置都包括以下内容以期望能够实现同步展示和演示过程。展示装置和演示装置都包括：一个能够独立支撑的曲梁，曲梁包括上侧中部的直线段和两侧的圆弧段，曲梁能够被调节升降和左右展开并被锁定。本发明能使学生实验与教师实验同步进行的系统，不同设备都能够从多角度观察彼此实验过程的每个进度，能够实现教师与学生同步实验，以及相互沟通功能，针对实验学习需求可能来自于多个不同高校实验室，实验设备分散，学员分散的问题。

说明书

技术领域

本发明属于远程教学与资源共享技术领域，具体涉及一种生化实验教学远程展示互动系统。

背景技术

目前生物化学专业实验教学仅适用于教师针对少量学生进行以观摩为主的实验教学过程，且学生实验与教师实验不能同步，教师仅对学生实验的部分过程和结果进行监控或者评价，这种方式不能详尽实验教学过程的每个细节。不同高校特定专业参与实验学习人数较少，进度不一致，实验教学无法实现资源实时共享。

现有关于微生物教学视频都是教材级，录制过程通过专业摄像师对实验过程的整个过程和关键步骤逐一详细记录，观看这些教学视频能够系统地了解实验过程和结果，但通常仍然需要有微生物老师在微生物实验室进行现场重复实验以验证和演示给学生进行教学认知，但普通微生物实验老师不具有专业摄像和记录的条件，从而无法实现远程实验教学，常见情况是学生围绕老师周围观察实验过程，或者仅由老师实验完成，不具有实验教学的交互性和互动性，导致学生认知效果差。

生化教学实验室空间有限，学生围观范围小，不利于全体学生有效学习。具体表现为：1.不利于远程教师与学生互动，学生仅是观摩教学，容易产生疲惫感。2.教师进行生物教学或实验过程无法看到远程学生。3.无法同时应付回答多个提问者的问题。4.学生只能从一个摄像角度观察实验过程，多双眼睛观察的是同一角度。5.现有教学视频进行了剪切，删除了持续漫长的过程，导致学生对于实验时间没有确切概念。

发明内容

基于目前生化实验教学过程存在的缺陷和问题，本发明提供一种能使学生实验与教师实验同步进行的系统。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种生化实验教学远程展示互动系统，包括一个展示装置和至少一个演示装置，以及服务器。展示装置和演示装置都包括以下内容以期望能够实现同步展示和演示过程。

具体地，展示装置和演示装置都包括：一个能够独立支撑的曲梁，曲梁包括上侧中部的直线段和两侧的圆弧段，曲梁能够被调节升降和左右展开并被锁定。

位于曲梁上侧的直线段的前侧，设置有直线轨道，其外侧套装有含阻尼功能的滑块，以便滑块沿轨道移动到达任意位置时能自动定位不会自由滑动，滑块上安装有能够上下翻转和左右转动的摄像头用于对正侧位采像。

位于曲梁上侧的直线段的下侧，连接有辅架并固定有正侧位显示器。

位于曲梁上侧的左右圆弧段的管腔内匹配套装有含阻尼功能的圆弧滑杆，以便各圆弧滑杆于相应圆弧段管腔内伸缩到达任意位置时能自动定位不会自由滑动，圆弧滑杆的外端安装有能够上下翻转和左右转动的摄像头用于对左右侧位采像。

位于曲梁上侧的直线段的左侧和右侧圆弧段管体下侧，分别连接有辅架并固定有左侧位显示器和右侧位显示器。

所述的服务器用以接收展示装置各摄像头采集的音视频信息并分配给各演示装置的相应显示器和音响，服务器还用以接收各演示装置相应的摄像头采集的音视频信息，并根据展示装置进行选择命令投放相应的演示装置的摄像头采集的音视频信息。

服务器提供实时在线对接服务，通过相应装置提出申请获得展示权限，并分配会议号，相应装置通过登录和输入会议号进入实时共享状态用以演示功能，由服务器为展示装置和演示装置建立实时共享和互动管理。

服务器提供资源录入端并配置存储空间，负责对实验教学过程的信息录入和根据用户登录查找并获取相应教学资源，服务器根据用户端投放设备类型，将相应资源数据发送至用户端展示装置，或者通过调取相应资源并以分屏压缩形式发送至用户端显示器。

服务器针对学生用户建立个人档案，并根据学习质量和学习进度进行综合评定，并通过合理的算法实现晋级控制，实时更新学生用户学习状态和相应级别。

演示装置设备终端以人脸识别技术实时识别并采集学生登录信息，并上传服务器，检测学生在线状态，服务器根据学生定级提供相应的数据支持，根据学生选择学习内容调取相应数据库中数据信息。

服务器还对学生用户学习质量的监督，根据展示装置和演示装置提供的数据进行对比，用于对学生用户实验学习效果的评价。

服务器对教学资源数据的质量监督，根据学生普遍学习效果对教学资源进行等级评定或再评定。

服务器根据学生用户实验学习进度和评价结果信息，规划学生用户的实验学习进度和程度，并将规划的学习进度和程度推送至学生用户个人档案管理系统。

主支架与辅支架通过两侧立柱套装在一起，两者能够升级调节并能被锁死锁定，辅支架下端固定在底座上，底座安装有行走轮能够移动。主支架的顶部固定有曲梁，其包括直线段和两端的圆弧段，在直线段的前侧设置有T型滑轨，其外测匹配套装有滑块（滑块后侧含有T型滑槽，能匹配套装于T型滑轨上且能够滑动），在滑块上侧安装有步进电机（电机输出轴上安装有齿轮，同时在所述滑轨侧面设置有齿条，齿轮与齿条捏合），电机驱动传动行走机构使滑块在滑轨上水平移动。在滑块外测设置有铰接座，在基座后侧有突出的连接头，该连接头与基座通过销轴铰接在一起并设置阻尼层，在基座上设置竖向轴孔且在摄像头后端固定的转体上设置有相应的轴孔，两轴孔通过转轴铰接在一起。

本发明的有益效果：1.本发明提供一种能使学生实验与教师实验同步进行的系统，不同设备都能够从多角度观察彼此实验过程的每个进度，能够实现教师与学生同步实验，以及相互沟通功能。

2.针对实验学习需求可能来自于多个不同高校实验室，实验设备分散，学员分散的问题，本发明的系统能实现远程实验教学的同步统一，根据实验时间按时登录系统建立同步实验关系，实现优质资源集中共享和分享。

3. 实时在线实验模式时，教师和学生处于随时可观看的处境，随时可从不同角度观看的功能。能使教师或学生如同在现场观察生化实验教学，身临其境，印象深刻，甚至终生难忘，激发学生兴趣。教师学生互动性强，随时根据生化教学进度进行解释。

4.不对教学实验过程进行剪切，确保学生能够了解实验的全过程，而且多角度观察使学生身临其境，能克服单一角度长时间观看的视觉疲劳问题。

附图说明

图1是本发明系统框图。

图2是本发明装置一种实例结构图。

图3是图2的正面图。

图4是图2的俯视图。

图5是滑块结构图。

图6是基座结构图。

图7是转体结构图。

图8是滑套与侧屏示意图。

图9是弧形杆结构图。

图10是图9的俯视图。

图中标号：主支架1，辅支架2，底座3，曲梁4，直线段41，圆弧段42，弧线杆5，滑套6，正侧位显示器7，后侧位显示器8，正侧位摄像头9，滑轨10，行走轮11，配重12。

具体实施方式

实施例1：一种生化实验教学远程展示互动系统，包括一个作为实验教学应用的展示装置和多个作为实验学习的演示装置，如图1所示展示装置和多个演示装置分别通过wifi与服务器建立通讯。本发明所提供的展示装置和演示装置是一种如图2所示的能够与实验台结合临时搭建的互动式演示装置。

具体地，从图2可以看出，展示装置和演示装置都包括曲梁、显示部分和图像采集部分。曲梁能够独立支撑和移动，其包括上侧中部的直线段和两侧的圆弧段，曲梁能够被调节升降和左右展开并被锁定，从而能够贴合于不同实验台使用，有时候曲梁还可以将底部缩短或者更换为合适的底座以便于直接放置于实验台上。

位于曲梁上侧的直线段的前侧，设置有直线轨道，其外侧套装有含阻尼功能的滑块，以便滑块沿轨道移动到达任意位置时能自动定位不会自由滑动，滑块上安装有能够上下翻转和左右转动的摄像头用于对正侧位采像。位于曲梁上侧的直线段的下侧，连接有辅架并固定有正侧位显示器。

位于曲梁上侧的左右圆弧段的管腔内匹配套装有含阻尼功能的圆弧滑杆，以便各圆弧滑杆于相应圆弧段管腔内伸缩到达任意位置时能自动定位不会自由滑动，圆弧滑杆的外端安装有能够上下翻转和左右转动的摄像头用于对左右侧位采像。位于曲梁上侧的直线段的左侧和右侧圆弧段管体下侧，分别连接有辅架并固定有左侧位显示器和右侧位显示器。

曲梁上还应对设置音响麦克风设备或者补光灯具等。

服务器是系统的管理后台，用以接收展示装置各摄像头采集的音视频信息并分配给各演示装置的相应显示器和音响，服务器还用以接收各演示装置相应的摄像头采集的音视频信息，并根据展示装置进行选择命令投放相应的演示装置的摄像头采集的音视频信息。

服务器提供实时在线对接服务，通过相应装置提出申请获得展示权限，并分配会议号，相应装置通过登录和输入会议号进入实时共享状态用以演示功能，由服务器为展示装置和演示装置建立实时共享和互动管理。

服务器针对学生用户建立个人档案，并根据学习质量和学习进度进行综合评定，并通过合理的算法实现晋级控制，实时更新学生用户学习状态和相应级别。例如：演示装置设备终端以人脸识别技术实时识别并采集学生登录信息，并上传服务器，检测学生在线状态，服务器根据学生定级提供相应的数据支持，根据学生选择学习内容调取相应数据库中数据信息。还对学生用户学习质量的监督，根据展示装置和演示装置提供的数据进行对比，用于对学生用户实验学习效果的评价。对教学资源数据的质量监督，根据学生普遍学习效果对教学资源进行等级评定或再评定。根据学生用户实验学习进度和评价结果信息，规划学生用户的实验学习进度和程度，并将规划的学习进度和程度推送至学生用户个人档案管理系统。

实施例2：在实施例1主要以人为移动摄像头角位的基础上，在实验过程中，采用固定位置的摄像头容易因仪器、器皿等遮挡而无法展示最佳的采像效果，因此本实施例采用自动控制机构对正侧位摄像头的移动进行控制。如图3所示，直线轨道是在曲梁上侧直线段的前侧横向固定有一根凸出为T型的齿条，齿分布于其前侧面，位于滑块上固定有行走电机（步进电机），行走电机的转轴上安装的齿轮与所述齿条啮合。从而摄像头能够被控制地移动到达适当的位置，摄像头还需要能自动调整相应的角位以确保其能够始终对准实验区域乃至变化部分，在滑块上设置一种能够控制摄像头自动水平移动的机构和一个通过手动（也可以自动）实现上下翻转的结构。

关于手动翻转的结构，是在滑块前侧有左右凸出的侧壁，两侧壁内卡持一个能够翻转的基座，两侧壁与基座之间设置阻尼结构（具体是在两侧壁上设置轴孔，基座上设置有轴孔，一横轴贯穿各轴孔后，横轴一端设置固定挡台且该挡台位于一侧壁内侧，横轴另一端套装活动挡台且该挡台位于另一侧壁内侧，使得两挡台能够夹持所述基座两侧壁。横轴的外端螺纹连接有螺母和垫片，垫片与侧壁外表面之间连接有压力弹簧）关于自动水平移动的机构，是在基座上设置竖向轴并套装有转体，转体的一侧弧形段设置有齿，转体上固定有微电机，微电机的转轴上通过齿轮与弧形齿啮合。当调整曲梁为合适高度后，用手扳动转体使摄像头对准适当位置，摄像头在捕捉到相应图像信息时，当其前端被折叠，或者投影重叠时（通过图像处理判断），由控制器控制行走电机移动到达开阔位置，并由微电机调节摄像头角度对准目标区，该过程可能是持续动态变化的。

实施例3：在实施例2基础上，如图2所示，主支架1与辅支架2通过两侧立柱套装在一起，两者能够升级调节并能被锁死锁定，辅支架2下端固定在底座3上，底座3安装有行走轮能够移动。主支架1的顶部固定有曲梁4，其包括直线段41和两端的圆弧段42，在直线段的前侧设置有T型滑轨10，其外测匹配套装有滑块91，如图5所示，滑块91后侧含有T型滑槽，能匹配套装于T型滑轨10上且能够滑动，在滑块91上侧安装有步进电机92（电机输出轴上安装有齿轮，同时在所述滑轨侧面设置有齿条，齿轮与齿条捏合），电机92驱动传动行走机构使滑块在滑轨上水平移动。如图6所示，在滑块外测设置有铰接座94，在基座95后侧有突出的连接头96，该连接头与基座通过销轴铰接在一起并设置阻尼层，在基座上设置竖向轴孔97且在摄像头后端固定的转体98上设置有相应的轴孔98，两轴孔通过转轴铰接在一起。

实施例4：在实施例3基础上，在实验过程中，左右侧位摄像头容易因实验操作者移动而被遮挡，或者左右摄像头需要寻找最佳采像位置，通过自动调节能够简化操作过程。将所述弧形滑杆的一侧（优选内侧）设置为弧形齿条，弧形段管体端部设置开孔并在开孔上方固定驱动电机（步进电机），驱动电机的转轴上安装有齿轮，齿轮与弧形齿条啮合，通过控制器控制驱动电机转动程度能够改变左右侧摄像头移动位置。可通过手动调节左右侧摄像头角位以确保其对准实验区域，也可以采用上述基座和转体的结构实现对左右侧摄像头自动调节定位。

实施例5：针对实施例1，在展示装置和演示装置之间建立远程教师与学生互动，展示装置主显示器上展示如图4所示根据学生登录情况排列的平铺视频列表和位于显示器一侧的交流列表。教师点击任何视频列表能够在主显示屏和两侧后向显示屏分别实时展示学生实验的各个角度视频信息，教师点击任何交流列表能够接收学生提问信息，返回扣选择自由互动模式时，系统根据发言学生将音频或音视频信息展示到其余设备。

学生提问包括针对性提问和随即性提问，针对性提问时全体学生根据发言顺序，提出问题，所有学生都能够听到问题并及时听到教师的回答。

随即性提问：学生的问题时随实验进度随即产生的，一个教学过程可能存在较多问题，如果学生问题不能得到有效及时回复，则可能影响学生提问的积极性，也会形成问题叠加，如一个问题被回答，另一个问题可能就不需要提问了。

个人提问不影响其他学生（其他学生只听教师的内容），此时，较多人提问问题时，会出现重复问题，需要系统根据涉及的关键词和提问时机将重复问题合并或删除。教师尽量逐一回答各问题后，再进行持续教学或实验。教师无法及时回答较多问题时，没有被回答的问题会存入教师“提问存档”中，由教师择机回复。

学生随时可以提问，系统将单个学生提问存储并按照排队的方式，逐渐以语音的方式发给教师，或者在教师安排的回答时间进行逐一解答。

所有学生提问和教师回答内容存入数据库，系统根据问题进行归类，针对已经被回答的过的问题，由系统调取回答内容给相应学生。

学生可通过抓屏的方式，保存抓屏图像，并能在图像上标记和输入问题、在标记位置点击小喇叭后输入提问问题，发送给教师。教师看到相应图像后，通过在标记位置点击小喇叭收听关于该部位的疑问。通过特定部位标记进行提问，使提问变得简介直接，能够节约部位描述时间，提高问答效率。

备选：教师根据学生所提问题的重要性增加权重，系统根据提问学生的次数和权重综合计算其参与程度的积极性。

备选：系统根据学生视频的关注度（目视方向、小动作、疲倦程度----视频判断疲劳性的专利）确定学生的积极性。

实施例6：针对实施例5，系统将所有学生的视频按照班级座位分配的方式排列，缺席者、缺席时间由系统记录迟到或缺席时间。分屏显示学生提问内容，选择点击提问的小喇叭能够播放提问，或者选择按顺序播放提问。提问播放后小喇叭变色。

实施例7：同时将多个摄像头以分屏的形式的降素图像展现给每个学生，学生选择点击相应摄像头后，将清晰的图像信息显示在分屏的主屏内，学生可以随时选择切换。将不同摄像头捕捉信息分别分配给不同组的学生，并定时切换，使同一学生在不同时期观察不同摄像头内容。

在以上个实施例基础上，基于本发明设备实现的生化实验教学远程展示互动系统，还可以根据用户在使用该系统时，采集用户网络教学资源，并进行优化筛选、分类和等级划分，用以不同实验数据库建立和积累，使其具有针对不同学生用户选择单独适配性资源。本发明还可以在以上功能基础上，系统还可被应用于视频教学，在教室内投影仪观看，或者微机室各自观看，或者居家观看等。由服务器提供资源录入端并配置存储空间，负责对实验教学过程的信息录入和根据用户登录查找并获取相应教学资源，服务器根据用户端投放设备类型，将相应资源数据发送至用户端展示装置，或者通过调取相应资源并以分屏压缩形式发送至用户端显示器。本发明的系统还能够提供教师以直播方式展示实验过程，实现远程教学功能和目的。在本发明基础上还可设计视频切换、桌面PPT或教材演示、远近摄像头、音响系统、操作平台、运动规架和视频处理系统等改进。以及在该系统基础上，学生仅选择某一视频时播放高清数据，其他视频被压缩处理以节约流量。以及对于多角度投放的适度改善，点击相应摄像头观察角位时，模拟试验台跟随转动到相应角位后播放相应角位视频信息。动态摄像头时，模拟试验台也跟随转动，将实际试验台与模式实验台结合，视频角位一致，选择观看相应角位。