技术领域
[0001] 本
发明属于
人工智能教育技术领域，具体涉及一种互动教学系统及方法。
背景技术
[0002] 随着互联网、移动通信技术的普及和发展，近年来在线教育被越来越多的人所接受，日益受到资本市场的青睐，在线教育市场份额越来越大。
[0003] 以目前主流的少儿英语在线一对一教学为例：通过在线学习，学生能够实现在家上课，避免了路途的奔波，节省了学生和家长的大量时间和交通成本，同时也具有较好的学习效果。但依然存在优秀教师资源稀缺，教育资源难以共享，教育成本高居不下的问题。普通家庭很难接受北美外教一对一的学费，即使是菲律宾外教，也超出了一般家庭的接受能
力，较高的外教成本，也使得教育机构盈利困难。
[0004] 通过人工智能与教育有效的结合，可以实现模拟在线真人老师的教学效果，人工智能教师可以实时像真人一样通过表情、动作和语言表达赞许和鼓励，营造真实互动的课堂气氛，可以部分替代或全部替代真人教师实时授课，有效解决教师资源短缺及教育成本高的问题。同时也能够大大降低教学成本(全人工智能教育成本约为真人一对一教育成本的5％～10％)，能够实现真正的普惠教育，为一般收入家庭和教育落后地区提供优质、低价的教育资源。
[0005] 为了解决上述问题，众多机构和个人进行了较多的探索。例如
申请号为201710831136.0的中国
专利公开了一种基于多语种
人机交互的拟人形象人工智能教学系统和方法，提出了通过真人形象语言教学视频、对真人进行拟人形象处理以获得拟人形象语言教学视频等手段，实现拟人形象人工智能教学系统。
[0006] 上述的人工智能教学系统和方法虽然做到了对真人形象进行处理获得拟人形象教学视频，供学生选择真人形象老师或卡通形象老师，增加了学习兴趣，但仍存在
缺陷，例如：仅限于真人形象语言视频教学，需要事先录制教学视频，并在录制过程中要求被录制者穿戴
信号采集器，限制了应用场景。对真人形象的拟人化处理技术复杂，面临成本高，难以普及等问题，且真人形象限制为被录制者本人。对学生的发音的评估方法为到
数据库中查找是否与之匹配的记录，限制了实际应用效果和场景。缺少对于较复杂的测验形式的评估，如选择题、填空题和对话练习等。
发明内容
[0007] 本发明的第一目的是解决上述问题，提供一种可以模拟一对一的真人教学场景的互动教学系统。
[0008] 为实现第一目的所采用的技术方案是：
[0009] 一种互动教学系统，包括用于采集学生的交互信息的学生
数据采集模
块、用于对交互信息进行分析的学生数据分析模块、以及用于根据学生数据分析模块的分析结果给学生反馈的教师反馈模块，所述教师反馈模块包括教师合成单元和反馈单元，教师合成单元用于生成卡通形象或真人形象参数以及相应的动作和/或表情参数，反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数给予学生反馈。
[0010] 优选地，所述反馈单元包括视频反馈单元、图像反馈单元、AR/VR反馈单元和音频反馈单元中的一种或几种；视频反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的视频文件并展现给学生；图像反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的图像文件并展现给学生；AR/VR反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的AR/VR文件并展现给学生；音频反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的音频文件并展现给学生。
[0011] 优选地，所述信息采集模块包括用于采集学生的照片信息和/或视频信息的视频采集单元，学生数据分析模块包括视频分析单元，视频分析单元用于根据学生的照片信息进行
人脸识别以及根据学生的视频信息获得学生的表情和情绪状态。
[0012] 优选地，所述信息采集模块包括用于采集学生的语音信息的语音采集单元，学生数据分析模块包括语音分析单元和语义分析单元，语义分析单元用于根据学生的语音信息获得学生的意图，语音分析单元用于根据学生的语音信息判断其发音的标准性。
[0013] 优选地，所述信息采集模块包括用于采集学生解答测试题的结果信息的测验单元，学生数据分析模块包括结果分析单元，结果分析单元用于根据学生解答测试题的结果信息获得学生的测验结果。
[0014] 优选地，所述互动教学系统还包括学生激励模块，学生激励模块用于根据学生的学习效果反馈给学生奖励值。
[0015] 优选地，所述学生激励模块包括积分单元、晋级单元和游戏单元中的一种或几种；积分单元用于根据学生的学习效果反馈给学生积分，晋级单元用于根据学生的评测结果、学习历史为学生评级，游戏单元用于学生换取游戏道具。
[0016] 本发明的第二目的是提供一种基于上述互动教学系统的互动教学方法。
[0017] 为实现第二目的所采用的技术方案是：
[0018] 一种互动教学方法，包括以下步骤：
[0019] S1、学生通过终端设备接入互动教学系统进入在线课堂；
[0020] S2、学生数据采集模块实时采集学生上课的交互信息；
[0021] S3、学生数据分析模块实时对交互信息进行分析，教师反馈模块根据学生数据分析模块的分析结果生成教师行为参数，并通过反馈单元进行反馈；
[0022] S4、学生收到反馈，并做出相应的反应；
[0023] S5、重复步骤S2-S4，直至课程结束。
[0024] 优选地，所述终端设备包括智能手机、
平板电脑、
笔记本电脑和台式电脑。
[0025] 本发明的有益效果为：
[0026] 1、本发明所提供的互动教学系统及方法，利用人工智能技术通过学生数据采集模块和学生数据分析模块获取学生对教学内容的理解程度等信息、识别学生的动作、表情、语音、视频，经过综合评估后，再通过教师反馈模块做出不同的反应，如鼓励、表扬、激励、讲解等动作或者笑、生气、吃惊等表情，从而营造真实的课堂气氛，增加学习兴趣，使学生集中精力，按照预定的时间和频次学习，加深记忆和理解，充分利用人工智能的优势来提高学习效果。
[0027] 2、本发明所提供的一种互动教学系统及方法，能够为学生提供千人千面的个性化学习体验。利用学生数据分析模块，可以获得学生的情绪、课堂反馈、测验和练习结果，提供360度的评估报告，从而能够根据不同学生的特点，定制不同的学习方案(如复习课、上课频次、上课时间以及解答问题等)，从而做到因材施教，帮助学生树立信息，增强学习兴趣，改善学习效果。
[0028] 3、本发明所提供的一种互动教学系统及方法，听过学生激励模块，根据学生的学习成绩和学习历史计算应得到的奖励(如积分、经验值、积分等)，学生可以用积分进行积分展示或积分管理；或者根据评测结果和学习历史获得的经验值可获得等级晋升，学生可以进行级别的展示、徽章、皇冠等奖励的展示；或者将积分用于系统自带的养成类(宠物饲养)游戏，通过积分可以兑换宠物粮食喂养宠物，也可以兑宠物换服装和玩具等；或者在积分商城使用积分兑换礼品。从而使学生获得学习的乐趣，吸引学生按时、认真上课。
[0029] 4、本发明所提供的一种互动教学系统及方法，用人工智能实现教学实施，能够大大降低教学成本，从而降低课程售价，价格为传统一对一真人教学的5％～10％，实现面向更多来自不同经济收入家庭学生的普惠教育，具有很好的社会效益。
[0030] 5、本发明所提供的一种互动教学系统及方法，能够将已有教育资产(如教学录像、多媒体教材)进行人工智能化处理，提升教育资产的附加值。例如将公开课的视频录像进行切割，提取讲课部分，课堂交互部分用本发明提供的技术手段实现，从而实现真人一对一的教学效果，极大的提升学习体验。
附图说明
[0031] 图1是本发明互动教学系统的原理
框图。
具体实施方式
[0033] 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。
[0034] 需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
[0035] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的
说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0036] 如图1所示，本实施例提供一种互动教学系统，包括顺次电性连接的学生数据采集模块、学生数据分析模块和教师反馈模块，学生数据采集模块通过摄像头、话筒以及测验过程采集学生的视频、语音和测验数据作为交互信息。学生数据分析模块用于对交互信息进行分析，教师反馈模块用于根据学生数据分析模块的分析结果给学生反馈。
[0037] 教师反馈模块包括教师合成单元和反馈单元，教师合成单元用于生成教师行为参数，教师行为参数包括卡通形象或真人形象参数以及相应的动作和/或表情参数。反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数通过视频、图像、AR/VA或音频的形式向学生进行反馈。
[0038] 上述卡通形象或真人形象能够做出相应的动作和/或表情，如鼓励、表扬、激励、讲解等动作和/或笑、生气、吃惊等表情，从而营造真实的课堂气氛，使用户集中精力，加深记忆和理解，充分利用人工智能的优势来提高学习效果。卡通形象可以为卡通人物或者卡通动物形象，当形象合成单元生成真人形象时，真人形象的原始形象可以通过事先在互动教学系统录入，或者通过互动教学系统与
服务器通信获得。
[0039] 在本实施例中，反馈单元包括视频反馈单元、图像反馈单元、AR/VR反馈单元和音频反馈单元。视频反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的视频文件(包括真人形象/卡通形象、表情、动作和语音)并展现给学生。图像反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的图像文件(包括真人形象/卡通形象、表情、动作的静态图片或Gif动图)并展现给学生。AR/VR反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的AR/VR文件(包括真人形象/卡通形象、表情、动作和语音)并展现给学生。音频反馈单元用于根据教师合成单元的输出参数生成教师行为的音频文件(包含标准语音和特定人物语音合成)并展现给学生，标准语音即为常规的
电子人声，特定人物指如明星、亲人和特别
指定的人员等人物。
[0040] 信息采集模块包括视频采集单元、语音采集单元和测验单元，相应的，学生数据分析模块包括视频分析单元、语音分析单元、语义分析单元和结果分析单元。
[0041] 其中，视频采集单元用于采集学生的照片信息和/或视频信息，视频分析单元用于根据学生的照片信息进行人脸识别以及根据学生的视频信息获得学生的表情和情绪状态以及监测学生是否离开摄像头取景范围。
[0042] 语音采集单元用于采集学生的语音信息，语音信息包括学生朗读、对话和提问的音频信息。语义分析单元用于根据学生的语音信息获得学生的意图，语音分析单元用于根据学生的语音信息实现文本转换和比对其发音的标准性，语音分析和语义分析的实现可采用业内成熟的人工智能API来实现。
[0043] 需要说明的是，语义分析单元和语音分析单元也用于对视频采集单元采集到的视频信息中的音频进行分析。
[0044] 测验单元用于采集学生解答测试题的文本信息和/或语音信息，结果分析单元用于根据学生解答测试题的文本信息和/或语音信息获得学生的测验结果，并可提供测验结果报告。
[0045] 上述的测验题包括选择、填空等文本形式的测试题和
角色扮演等发音测试题，结果分析单元可通过对知识点的掌握情况综合分析学生的能力。
[0046] 互动教学系统还包括学生激励模块，学生激励模块用于根据学生的学习效果反馈给学生奖励值。学生激励模块包括积分单元、晋级单元和游戏单元中的一种或几种。
[0047] 积分单元用于根据学生的学习成绩、学习历史反馈给学生积分，用户可以进行积分展示或积分管理(获得、消耗、余额计算等)。晋级单元用于根据学生的评测结果和学习历史反馈给学生经验值，根据获得的经验值可获得等级晋升，用户可以进行级别的展示、徽章、皇冠等奖励的展示。游戏单元用于学生使用积分玩游戏，用户可以将积分用于系统自带的养成类游戏，通过积分可以兑换粮食喂养宠物，也可以兑宠物换服装和玩具等，积分商城单元用于学生使用积分兑换礼品。
[0048] 如图2所示，本实施例还提供一种基于上述互动教学系统的互动教学方法，包括以下步骤：
[0049] S1、学生通过终端设备接入互动教学系统进入在线课堂，终端设备包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和台式电脑等电子设备。
[0050] S2、学生数据采集模块实时采集学生上课的交互信息。
[0051] S3、学生数据分析模块实时对交互信息进行分析，分析学生的表情、动作、语音、视频等，教师反馈模块根据学生数据分析模块的分析结果生成教师行为参数，并通过反馈单元进行反馈。
[0052] S4、学生收到反馈，并做出相应的反应，如：开始对话、重新朗读、调整坐姿等。
[0053] S5、重复步骤S2-S4，直至课程结束。
[0054] 使用实例1：
[0055] 利用互动教学系统在线教英语的场景。
[0056] 小明是一名小学生，他的妈妈为他购买了人工智能AI老师的英语培训课程。小明打开iPad，登陆系统后，开始选择他喜欢的授课老师，老师可选的有卡通人物、历史人物、真人形象等，小明选择的是真人形象的Jasmin老师。进入在线课堂后，本节课的教材显示在页面中间，小明和AI老师的视频窗口显示在页面一侧。根据预先设置的课程内容，AI老师读英文句子然后小明跟读，AI老师说Please read follow me.“Can I have some milk？”小明也跟读“Can I have some milk？”在上课过程中，学生数据采集模块中的语音采集单元和视频采集单元负责实时的采集小明的语音和视频数据。通过学生数据分析模块中的语音分析单元，分析出小明本次跟读不准确，于是学生激励单元中的积分单元根据设置的规则判定不予加积分，教师反馈模块中的教师合成单元根据跟读的评测结果生成了教师的表情、动作及语言的行为参数是需要提示学生重新再做一次，并通过视频反馈单元通过视频的形式向学生进行反馈。于是AI老师做出懊恼的表情，把一只手放在
耳朵左倾听状，说：Please read again.“Can I have some milk？”
[0057] 小明第二次跟读“Can I have some milk？”。通过学生数据分析模块中的语音分析单元，系统评估出小明本次跟读准确，于是学生激励单元中的积分单元根据设置的规则给予10积分奖励，教师反馈模块中的教师合成单元根据跟读的评测结果生成了教师的表情、动作及语言是需要表扬学生的行为参数，并通过视频反馈单元通过视频的形式向学生进行反馈。于是AI老师开心的竖起大拇指说：Excellent！You can do it！[0058] 小明在学习过程中想去喝
水，就走开了，学生数据采集模块中的视频采集单元把视频采集下来，通过学生数据分析模块中的视频分析单元，分析出小明已经不在他的摄像头取景范围内，教师反馈模块中的教师合成单元根据分析结果生成了教师的表情、动作及语言是需要呼唤学生回到学习终端的行为参数，并通过视频反馈单元通过视频的形式向学生进行反馈。于是AI老师做出好奇的表情，把双手放嘴巴旁边，呼喊道：Where are you？Please come back.I am waitingfor you！
[0059] 小明听到AI老师呼喊回到了iPad面前继续学习，学生数据分析模块中的视频分析单元分析出小明已经回到摄像头范围，于是继续上课。
[0060] 上课结束后，小明把在本课学习获得的积分用于在宠物乐园饲养宠物，为宠物购买食物和衣服(学生激励模块中的游戏单元负责此部分的功能)，也可以在积分商城换小礼物(学生激励模块中的积分商城单元负责此部分的功能)。小明已经爱上了这样的人工智能AI老师的英语培训课程。
[0061] 本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以
权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
