数字网络互动教学系统及其教学互动方法

1.一种数字网络互动教学系统，包括计算机(1)及其输入输出设备，在计算机(1)及其输入输出设备之间采用时分多址和异步串行传输方式，其特征在于：
计算机(1)用以太网线依次连接网络通迅卡(3)、网络交换机(4)和与网络交换机并联的若干互动学习终端(5)；
所述网络通讯卡(3)包括PCI插槽(31)、PCI桥(32)、双口RAM(33)、第一现场可编程门阵列FPGA(35)、第一音频处理模块(34)和第一差分驱动(36)；所述PCI插槽(31)、PCI桥(32)、双口RAM(33)、第一现场可编程门阵列FPGA(35)和第一差分驱动(36)依次相连接；所述网络通讯卡用于计算机(1)和网络交换机(4)之间的数据传输；
所述网络交换机(4)包括第二差分驱动(41)、第二现场可编程门阵列FPGA(42)和若干第三差分驱动(43)，网络交换机(4)的第二差分驱动(41)与网络通讯卡(3)的第一差分驱动(36)相连接，第二现场可编程门阵列FPGA(42)与若干第三差分驱动(43)相连接，用于网络通讯卡(3)与互动学习终端(5)之间的数据传输；
所述互动学习终端(5)包括第四差分驱动(50)、第三现场可编程门阵列FPGA(51)、第二音频处理模块(52)、PS2键盘接口(53)、CPU中央处理器(54)、视频解码模块(55)、VGA模块(56)、液晶屏(57)、手写笔(58)和触摸屏(59)；第三现场可编程门阵列FPGA(51)通过第四差分驱动(50)与网络交换机(4)的第三差分驱动(43)相连接，第三现场可编程门阵列FPGA(51)与CPU中央处理器(54)相连接，CPU中央处理器(54)与视频解码模块(55)、液晶屏(57)、PS2键盘接口(53)、触摸屏(59)和手写笔(58)相连接。
2.根据权利要求1所述的数字网络互动教学系统，其特征在于所述以太网线包括4对双绞数据线和电源线。
3.根据权利要求1所述的数字网络互动教学系统，其特征在于所述网络通讯卡(3)的第一现场可编程门阵列FPGA(35)还与第一音频处理模块(34)相连接。
4.根据权利要求1所述的数字网络互动教学系统，其特征在于所述互动学习终端(5)的第三现场可编程门阵列FPGA(51)还分别与视频解码模块(55)和第二音频处理模块(52)相连接，视频解码模块(55)再分别连接第二音频处理模块(52)和VGA模块(56)。
5.根据权利要求1所述的数字网络互动教学系统的手写互动方法，其特征在于包括以下步骤：
a、系统启动教学程序，生成用户使用界面供教师端操作；
b、教师通过使用界面选定授课模式，然后建立网络连接；
c、系统等待学生登录，若学生登录，判断为是，系统进入教师端与学生端进行手写互动作业；
d、系统依据选定的教学模式，按不同的格式产生并保存互动作业数据；
e、教师将系统生产的互动作业数据回放给全体学生，同时对作业数据进行评估讲解而后结束教学程序。
6.根据权利要求5所述的数字网络互动教学系统的手写互动方法，其特征在于手写互动作业包括以下步骤：手写系统会判断教师所选的手写互动教学模式，如果选定的是教师计算机鼠标和键盘的远程操作模式，系统进入教师计算机鼠标和键盘的远程操作作业，如果教师选定的是练字作业模式，系统进入练字作业，如果教师选择的是习题作业模式，系统进入习题作业。
7.根据权利要求6所述的数字网络互动教学系统的手写互动方法，其特征在于教师计算机鼠标和键盘的远程操作作业包括下列流程：进入指定学生的界面，由教师任意指定一个学生；学生操作互动学习终端；系统进入接收互动学习终端数据的状态，接收互动学习终端产生的数据；系统开始模拟教师计算机键盘鼠标操作；系统保存互动作业数据；系统进入影音互动数据传送状态，将接收到的终端数据和教师计算机产生的影音数据广播给全体学生；系统判断教师是否选择完成作业，如果为否，返回学生操作互动学终端，如果为是，则进入生成作业报告，产生教师计算机鼠标和键盘的远程操作作业报告。
8.根据权利要求6所述的数字网络互动教学系统的手写互动方法，其特征在于练字作业包括下列流程：系统进入生成练字格，在互动学习终端的液晶屏上产生练习训练用的练字格；学生操作互动学习终端的手写笔，对着练字格，在触摸屏中书写；系统进入接收互动学习终端数据状态；系统为教师产生一个监视界面，教师通过监视界面同步观看学生的书写；保存接收到的手写笔的书写坐标和压力数据；系统判断教师是否选择完成练习，如果为否，返回学生操作互动学习终端，如果为是，则进入生成作业报告，产生练字作业报告。
9.根据权利要求5所述的数字网络互动教学系统的手写互动方法，其特征在于习题作业包括下列流程：进入发放习题步骤，教师通过用户界面选择习题，并将习题发放给全体互动学习终端；学生操作互动学习终端，学生通过手写笔，在液晶屏上的触摸屏中书写习题的答案；系统进入接收互动学习终端数据状态；教师通过监视界面同步观看学生书写的习题答案；保存接收到的手写笔的书写坐标数据；系统判断是否完成回答，如果为否，返回学生操作互动学习终端，如果为是，则进入生成作业报告，产生习题生成作业报告。

技术领域\n本发明涉及一种计算机网络教学系统及其教学互动的方法。\n背景技术\n随着科学技术的快速发展，各种借助计算机、网络等手段的多媒体教学逐步被试验引用，但由于各自技术的局限性，教师与学生的互动仍然存在诸多技术问题迫切解决。\n一种全数字化多媒体语言实验室：这种教学系统是对传统模拟语言实验室的数字化改进，教师能和学生进行语言、文本的交流，教师也可以通过外接的显示设备如显示器、投影仪等将教师的DVD、展示台等视频内容广播给学生，但其应用仅局限于语言教学，不能适应双向互动特别是双向手写互动发展的需要。\n另一种计算机网络的多媒体教学系统：这种教学系统运行于多媒体计算机及计算机网络平台上，通过计算机软件实现音频、视频的交流，由于每个学生都需要配备多媒体计算机，因此造成结构复杂、整个系统的购买成本和使用成本高昂，系统能耗大。加之多媒体计算机稳定性和可靠性差，容易受到计算机病毒的感染和破坏，需要专业人员维护，在非计算机专用教学领域如中小学的一般课程教学应用有很多的困难。\nCN1101575C公开一种全数字化多媒体语言实验室专利，该系统仅能传输音频、文本数据，系统仅能用于语言、文本的交换，只适用于语言教学，无法进行互动特别是手写互动教学。该系统采用主交换机+分交换机的网络结构，网络通讯必须通过主交换机和分交换机的两次集群适配过程，这种网络结构适合于分在非常远的区域内的有大量的终端连接，经过两次的集群适配必然对稳定性和可靠性造成影响，同时增加设备成本，对在同一教室内的互动教学系统，采用这种网络结构显然投资大资源配置浪费。\n发明内容\n本发明要解决的技术问题是针对目前多媒体互动教学系统存在的问题，设计一种在小区域内将计算机、语音、文本、视频、手写等多种教学元素结合在一起，提供结构简单、系统可靠、使用方便、成本低廉、节约能源的互动教学设备及其方法。\n本发明提供一种数字网络互动教学系统，包括计算机及其输入输出设备，在计算机及其输入输出设备之间采用时分多址和异步串行传输方式，其特征在于：\n计算机用以太网线依次连接网络通迅卡、网络交换机和与网络交换机并联的若干互动学习终端；\n所述网络通讯卡包括PCI插槽、PCI桥、双口RAM、第一现场可编程门阵列FPGA、第一音频处理模块和第一差分驱动；所述PCI插槽、PCI桥、双口RAM、第一现场可编程门阵列FPGA和第一差分驱动依次相连接；所述网络通讯卡用于计算机和网络交换机之间的数据传输；\n所述网络交换机包括第二差分驱动、第二现场可编程门阵列FPGA和若干第三差分驱动，网络交换机的第二差分驱动与网络通讯卡的第一差分驱动相连接，第二现场可编程门阵列FPGA与若干第三差分驱动相连接，用于网络通讯卡与互动学习终端之间的数据传输；\n所述互动学习终端包括第四差分驱动、第三现场可编程门阵列FPGA、第二音频处理模块、PS2键盘接口、CPU中央处理器、视频解码模块、VGA模块、液晶屏、手写笔和触摸屏；第三现场可编程门阵列FPGA通过第四差分驱动与网络交换机的第三差分驱动相连接，第二现场可编程门阵列FPGA与CPU中央处理器相连接，CPU中央处理器与视频解码模块、液晶屏、PS2键盘接口、触摸屏和手写笔相连接。\n数字网络互动教学系统中的手写互动教学方法，其特征在于包括以下步骤：\na、系统启动教学程序，生成用户使用界面供教师端操作；\nb、教师通过使用界面选定授课模式，然后建立网络连接；\nc、系统等待学生登录，若学生登录，判断为是，系统进入教师端与学生端进行手写互动作业；\nd、系统依据选定的教学模式，按不同的格式产生并保存互动作业数据；\ne、教师将系统生产的互动作业数据回放给全体学生，同时对作业数据进行评估讲解而后结束教学程序。\n本系统采用时分多址(TDMA)和异步串行传输方式不仅能够最大程度的利用系统带宽、保证系统的实时性，又使系统结构简单，网线直接提供低压安全直流电源，不需要再额外为每个终端布置电源线，网线采用以太网的EIA/TIA 568B标准，从而使整个网络布线非常方便，系统结合了现场可编程门阵列(FPGA)和单片机控制不仅其稳定性和可靠性比采用多媒体计算机网络要高得多，系统也不需要专门的维护人员，学生端无法破坏系统软件，终端的功耗低，每个终端小于2w，因此本发明的可靠性、稳定性、可维护性比使用多媒体计算机网络要好得多，但设备成本和使用能耗却比多媒体计算机网络要低得多，既经济又环保。\n附图说明\n图1为本发明的系统结构图；\n图2为本系统的网络通讯卡结构框图；\n图3为本系统的网络交换机结构框图；\n图4为本系统的互动学习终端结构框图；\n图5为本数字网络互动教学系统的手写互动方法运作流程图；\n图6是本数字网络互动教学系统的手写互动方法为手写互动作业流程图；\n图7是本数字网络互动教学系统的手写互动方法为教师计算机鼠标和键盘的远程操作流程图；\n图8是本数字网络互动教学系统的手写互动方法为练字作业流程图；\n图9是本数字网络互动教学系统的手写互动方法为习题作业流程图。\n具体实施方式\n如图1所示，本发明的系统结构包括计算机1、显示设备2、网络通讯卡3、网络交换机4、互动学习终端5。各部分由以太网网线连接，以太网线包括4对双绞数据线和电源线，采用标准的RJ-45接插件。网络通讯卡3安装在计算机1的PCI插槽上，网络交换机4接在网络通讯卡3的输入输出端，若干互动学习终端5并接在网络交换机4的输入输出端。网络通讯卡3用于计算机1和网络交换机4之间的数据传输与接收。计算机1、显示设备2、网络交换机4安装在教师主控台中，互动学习终端5安装在学生桌上。计算机1通过网络通讯卡3将经过时分多址TDMA处理，复合在一起的数据以异步串行传输方式传送给网络交换机4，网络交换机4再解复用为2～64路数据并以异步串行传输方式传送给互动学习终端5，所有终端发出的数据以相反的方向发送给计算机。系统的关键在于先将各路的音频、编码压缩影片、文本、指令、图形数据打包为数据包，再进行多路打包数据的时分复用，然后以异步串行方式进行传输。时分复用和解复用在网络通讯卡3和网络交换机4中完成，若采用64路数据，则上下行数据各占64个信道，每个信道数据占用固定的信道，每个信道互不干扰，网络通讯卡3和网络交换机4直接传输的是经时分复用后的复合数据，网络通讯卡3和网络交换机4、互动学习终端5之间的数据传输都采用异步串行方式，具有时钟的无关性，不需要特定的同步信号进行同步，异步串行传输方式只需要上下行2条传输线，在差分驱动方式下也只需要4条线，传输结构简单可靠。\n如图2所示，网络通讯卡3包括PCI插槽31、PCI桥32、双口RAM 33、第一现场可编程门阵列FPGA 35、第一音频处理模块34和第一差分驱动器36；所述PCI插槽31、PCI桥32、双口RAM 33、第一现场可编程门阵列FPGA 35和第一差分驱动36依次相连接；所述第一现场可编程门阵列FPGA 35还与第一音频处理模块34相连接；由第一差分驱动36与网络交换机4相连接，PCI插槽31将计算机1传来的数据通过PCI桥32传向双口RAM 33，第一现场可编程门阵列FPGA 35从双口RAM 33读出，其中取出一路教师音频数据经第一音频处里模块34进行数模转换作为教师耳机输出，其它数据经第一现场可编程门阵列FPGA 35根据通讯协议打包成特定格式的数据包后第一经差分驱动36输出给网络交换机；网络交换机4发送过来的数据，经第一差分驱动36接收后，由第一现场可编程门阵列FPGA 35输入，第一现场可编程门阵列FPGA 35根据通讯协议解包出音频、编码压缩视频、文本、指令、图形数据，同时接收第一音频处里模块34送来经模数转换的教师话筒和多媒体外设音频数据数据，写入双口RAM 33中，计算机通过PCI插槽31、PCI桥32从RAM 33中读出。\n如图3所示，网络交换机4包括第二差分驱动41、第二现场可编程门阵列FPGA 42和若干第三差分驱动43，网络交换机4的第二差分驱动41与网络通讯卡3的第一差分驱动36相连接，第二现场可编程门阵列FPGA 42与第二差分驱动41相连接，第二现场可编程门阵列FPGA 42与若干第三差分驱动43相连接，网络交换机4的第三差分驱动43与互动学习终端5的第四差分驱动50通过以太网线相连接。所述第二现场可编程门阵列FPGA 42通过第二差分驱动41接收来自网络通讯卡3的数据，将数据解时分复用，分为2～64路数据，再以异步串行方式经若干第三差分驱动43输出给互动学习终端5。同时由互动学习终端5送来的数据经第三差分驱动43接收后，再由第二现场可编程门阵列FPGA 42进行时分复用的复用合成，在以异步串行方式通过第二差分驱动41传送给网络通讯卡3。\n如图4所示，互动学习终端5包括第四差分驱动50、第三现场可编程门阵列FPGA 51、第二音频处理模块52、PS2键盘接口53、CPU中央处理器54、视频解码模块55、VGA模块56、液晶屏57、手写笔58和触摸屏59。第三现场可编程门阵列FPGA 51通过第四差分驱动50与网络交换机4的第三差分驱动43相连接，第三现场可编程门阵列FPGA 51与CPU中央处理54相连接，CPU中央处理器54与视频解码模块55、液晶屏57、PS2键盘接口53、触摸屏59和手写笔58相连，视频解码模块55连接第二音频处理模块52和VGA模块56，第三现场可编程门阵列FPGA 51还分别与视频解码模块55和第二音频处理模块52相连接。第四差分驱动50接收网络交换机4传来的数据包，传送给第三现场可编程门阵列FPGA 51，由第三现场可编程门阵列FPGA 51根据通讯协议分别从数据包中取出音频数据、编码压缩影片数据、文本数据、指令数据和图形数据。音频数据传入第二音频处理模块52，第二音频处理模块52将数据做数模转换后由耳机和线路输出；编码压缩影片数据传送到视频解码模块55，经解码后生成的音频数据传送给第二音频处理模块52混音后输出到学生耳机，解码出的视频信号通过VGA模块56转换后输出给学生显示器；文本、指令和图形数据分别送到CPU中央处理器54，CPU中央处理器54根据通讯协议和相应的指令将文本显示在液晶屏上57，或根据图形坐标在液晶屏57上绘图；第二音频处理模块52将话筒的声音经数模转换后，输入第三现场可编程门阵列FPGA 51；CPU中央处理器54接收手写笔58在触摸屏59上的书写和压力信号，转换为图形坐标和压力数据，同时接收PS2键盘接口53传来的标准PC键盘上按键信息，一起传送给场第三可编程门阵列FPGA 51；第三现场可编程门阵列FPGA 51并根据通讯协议对CPU中央处理器54和音频处里模块52发送过来的数据进行打包，通过差分驱动50输出给网络交换机4。\n图5是数字网络互动教学系统手写互动方法运作流程图，首先，由系统启动教学程序；并生成用户使用界面供教师端操作(步骤100)，接着教师通过使用界面选择授课模式(步骤101)，然后建立网络连接(步骤102)，系统开始等待学生登录(步骤103)，如果全部学生登录完成判断为是，学生登录后系统进入教师端与学生端进行手写互动作业(步骤104)，否则判断为否，系统继续等待学生登录。作业结束后，系统会依据(步骤101)选择的教学模式，按不同的格式产生并保存互动作业数据(步骤105)，接着系统生产作业评估界面(步骤106)，教师可以通过作业评估界面回放保存下来的作业数据，并对作业的过程进行评估讲解，而后结束教学程序，手写互动作业还有更详细的作业流程，将在后面做更详细的描述。\n图6是数字网络互动教学系统手写互动方法的手写互动作业流程图，进行手写互动作业的(步骤104)，包括下面详细的步骤：手写系统会判断教师所选的手写互动教学模式(步骤201)，如果选定的是教师计算机鼠标和键盘的远程操作模式，系统进入教师计算机鼠标和键盘的远程操作作业(步骤202)，如果教师选定的是练字作业模式，系统进入练字作业(步骤203)，如果教师选择的是习题作业模式，系统进入习题作业(步骤204)。\n图7是数字网络互动教学系统的手写互动方法为教师计算机鼠标和键盘的远程操作流程图，教师计算机鼠标和键盘的远程操作作业(步骤202)，包括下列详细的流程：首先进入指定学生的界面，由教师任意指定一个学生(步骤301)，然后学生开始操作互动学习终端(步骤302)，当指定学生在进行互动学习并通过手写笔在互动学习终端的触摸屏上移动，或按压手写笔，或通过终端连接的标准PC键盘上按键时，或学生通过终端的话筒说话时，系统接收这些互动学习终端产生的数据(步骤303)，随后系统开始模拟教师计算机键盘鼠标操作(步骤305)，系统将手写笔移在触摸屏上移动生产的坐标变化转换为教师计算机的鼠标移动，将手写笔的按压转换为教师计算机的鼠标按键操作，将终端的学生PC按键数据转换为教师计算机的按键操作，这样就产生了学生对教师计算机的远程鼠标和键盘操作，并且在操作的过程中学生可以进行讲解，教师也可以进行指导，在通过模拟的教师计算机键盘和鼠标操作计算机软件时还会产生音频和图像的影音数据，系统可以保存所有接收到终端数据和教师计算机产生的影音数据数据(步骤304)，然后进入影音互动数据传输状态(步骤306)，将这些数据传输给全部学生互动学习终端。系统判断教师是否选择完成作业(步骤307)，如果为否，返回学生操作互动学习终端，如果为是，则系统生成作业报告(步骤308)，产生教师计算机鼠标和键盘的远程操作作业报告，而后结束作业。这样就实现了由学生直接操作教师计算机，学生可以直接使用教师计算机上的任何软件、课件、多媒体素材，在学生操作的过程中教师还可以和学生之间进行互动交流，同时系统通过系统网络和连接的显示设备将教师和学生的交流、计算机产生的音频、视频的各类影音数据广播给全体学生，由于系统保存了互动过程的数据，教师有需要可以通过这些数据回放学生操作教师计算机的这一互动过程，由于学生的直接参与，让上课变得非常生动。\n图8是数字网络互动教学系统手写互动方法为练字作业流程图，练字作业(步骤203)，包括下列详细流程：首先系统进入生成练字格(步骤401)，在所有的互动学习终端的液晶屏上产生练习训练用的练字格，然后学生开始操作互动学习终端(步骤402)，学生可以通过互动学习终端的手写笔，对着练字格，在互动终端液晶屏上的触摸屏中书写，系统进入接收互动学习终端数据状态(步骤404)，同时系统为教师产生一个监视界面(步骤403)，教师可以通过监视界面同步观看学生的书写，同时保存接收到的手写笔的书写坐标和压力数据(步骤405)，系统判断教师是否选择完成练习(步骤406)，如果为否，返回学生操作互动学习终端，如果为是，则进入生成作业报告(步骤407)，系统通过连续保存的手写笔的书写坐标和压力数据，连同练字格，产生练字作业报告，教师可以随时回放这些保持下来的动态作业报告，从而使教师就可以完全掌握每一位学生的书写习惯，并可以针对每一个学生，纠正他们的书写错误。\n图9是数字网络互动教学系统的手写互动方法为习题作业流程图，习题作业(步骤204)，包括下列详细流程：首先进入发放习题步骤(步骤501)，教师可以通过用户界面选择习题，并将习题通过习题连接的显示设备(如外部投影仪或学生显示器)广播给全体学生，或通过系统发放给全体互动学习终端，压缩的编码影音习题数据经终端视频解码模块解码后，通过VGA模块输出给终端的显示器，音频数据通过终端的音频处理模块输出到学生耳机，文本在终端液晶屏上显示，然后学生开始操作互动学习终端(步骤502)，学生可以通过互动学习终端的手写笔，在互动终端液晶屏上的触摸屏中书写习题的答案，系统进入接收互动学习终端数据状态(步骤504)，同时系统为教师生产一个监视界面(步骤503)，教师可以通过监视界面同步观看学生书写的习题答案，同时保存接收到的手写笔的书写坐标数据(步骤505)，系统判断是否完成回答(步骤506)，如果为否，返回学生操作互动学习终端，如果为是，则进入生成作业报告(步骤507)，系统通过连续保存的书写坐标数据，产生连续的作习题的书写动画报告，然后结束作业。这样教师就能够详细掌握学生在解题过程操作的步骤，比如那些地方做过修改、删除、某个学生开始的时候使用了一种解题方式，后来又擦掉重新写了一个，教师通过对这些过程的了解，再通过使用系统的对话功能教师可以和学生一起探讨为什么会有这些修改的过程，这样教师就可以真正掌握学生是如何理解每一个知识点了。\n本发明终端的主要软件功能的处理运算是通过教师计算机完成，只要通过对教师计算机的软件功能添加就可以实现新的功能，因此系统的扩展性非常强，本发明集中了计算机、笔、图像、声音、文本等多种教学元素，因此系统设计并没有局限于某一种课程的教学，具有非常广泛的通用性。\n如上所述为本发明的较佳实施方式，并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员在本发明领域内，依本发明所作的均等变化或修饰，皆应属于本发明的保护范围。