结构化课件自动生成系统设计方案*
2016-08-18雷武超吴振强
◆雷武超 吴振强
结构化课件自动生成系统设计方案*
◆雷武超 吴振强
提出一种结构化课件。这种新型课件有两种呈现方式:一种是脚本课件,一种是视频课件。从教育软件工程的角度提出一种结构化课件自动生成系统方案,为结构化课件的实现进行相关探索。
虚拟教师;结构化课件;微课
10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.030
1 引言
随着国际人才竞争的加剧,各个国家对教育现代化的重视程度不断上升。新的教学形式和教学理念不断涌现出来,如智慧教育、MOOC、微课。在国际上,很多教育信息化层次比较高的国家,先后设置了比较专业化的信息化研究机构,为国家的教育现代化提供重要支撑。我国也在2010年颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》,指出“信息技术对教育发展具有革命性的影响,必须予以高度重视”[1]。由此来看,各个国家和地区都非常重视教学现代化。
在国内,伴随着互联网、云计算、大数据和智能计算技术的兴起,以及我国“三通两平台”工程的逐步实施,未来的教学将是数据驱动型教学,这就需要对教学模式和组织方式进行相应的变革。这种新型的教学模式需要对课件的结构和生成方式进行变革。现有的精品课程、开放课程、网络课程等教学资源存在形式单一、共享性低、更新速度和生成速度慢的问题,严重制约着我国教育信息化的进一步发展。
目前,虚拟教师作为智能计算技术的应用之一,具有生动性、交互性、亲和力等特点[2],已在远程教育领域广泛应用。随着计算机技术的快速发展,集触觉、视觉、听觉为一体的虚拟教学环境成为研究热点,这些具有空间和时间特性的数字化多维信息空间[3]的研究成果为解决以上问题提供了理论基础。基于XML的文件格式和媒体同步技术的成熟,为新型的脚本课件提供了实现的可能性。
本文提出的结构化课件主要分为两种类型:一种是脚本类型的课件,这种课件由虚拟教师、语音脚本和教学内容展示等三个部分有机融合而成,可以快速更新课件的内容和呈现形式;另一种是视频类型的课件,主要方便教师上课和学习者在线使用。为实现结构化课件,本文对结构化课件自动生成系统进行了方案设计。该系统主要功能是教师自己制作教学课件,根据教学课件的内容需求在系统的脚本区输入教师授课时的语言表述内容,该内容是虚拟教师发音的材料,再结合虚拟教师相应的动作、表情、音色等内容,通过发布功能自动生成出虚拟教师讲授课程内容的视频课件,而且能够快速更新视频课件的内容。
2 课件生成系统的研究现状
我国课件生成系统的研究比较早,第一套多媒体课件生成系统是南昌大学开发的多媒体课件模板套用系统[4],主要是在多媒体课件系统中存储一些教学设计的通用模板,编辑课件的教师再根据模板的需求导入相对应的多媒体素材,生成多媒体课件的一种课件制作系统。方正奥思也是一款比较成熟的课件生成系统,是北大方正电子有限公司推出的一个集成化、可视化、交互式的多媒体创作工具软件[5],具有制作简单、界面友好、过渡效果好的特点。天柏课件制作系统企业版也是一款比较成熟的课件制作工具,能够快速制作三分屏形式的课件,包括音视频、教学大纲、讲授内容三部分。此外还有金山WPS的PPT课件编辑工具及Z+Z智能教育平台等课件制作工具
国外对课件生成系统的研究也比较深入,其中比较有代表性的课件生成系统主要有三个:Camtasia Studio、Storyline课件制作工具、On-line Multimedia Courseware Authoring System。Camtasia Studio是美国TechSmith公司开发的,是一款集屏幕录制和素材编辑于一体的软件。该软件以其强大的屏幕动作录制、视频剪辑功能和简单易学的特点深受广大微课制作者的欢迎[6]。Storyline课件制作工具是美国Articulate公司发布的,是目前功能强大、最简单的高互动课件开发软件。On-line Multimedia Courseware Authoring System是Chorng-Shiunt[7]等人提出的,这种课件生成系统能够整合多种多媒体素材编辑工具,而且符合SCORM标准。除此以外,还有大家熟知的PPT以及其他课件生成系统。
从课件生成系统的现状,可以看出国内外设计的课件生成系统主要呈现的特点包括:
*项目来源:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“在线学习中教学流程再造与知识推荐方法研究”(GK261001236)。作者:雷武超,陕西师范大学计算机科学学院,主要研究方向为信息化教学资源的设计;吴振强,陕西师范大学(710119)。
1)在课件生成系统中提供可用于各个学科制作教学课件的通用模板,可以有效降低课件制作者开发课件的难度和开发时间;
2)课件生成系统实现的编程语言具有一定的普遍性,如XML语言;
3)制作视频类课件主要通过摄像设备和声音采集设备,再进行编辑合成;
4)课件生成系统比较注重课件标准的应用,主要是SCORM和AICC标准。
通过对课件生成系统的分析,目前基于PPT制作的课件或者使用PPT编辑风格的系统在整个课件制作过程中占有主流地位。然而在课件生成系统开发中存在一些不足:1)现存的课件生成系统制作的课件样式比较单一;2)系统生成的课件更新和生成效率比较低;3)生成的课件教师形象比较少,个别系统有现实教师的形象,但是教师动作单一,形象模糊。
根据上述情况,笔者认为一个课件生成系统应该具有的特点包括:1)界面友好,使用方便[8];2)课件呈现形式多样化;3)课件生成系统能及时更新和生成专业水平的课件;4)设计和制作的课件生成系统应兼顾大部分教师编辑课件的习惯;5)课件应该提供教师常用的教学课件的模板,方便教师制作课件。
依据上述研究,本文提出一种如图1所示的新型结构化课件结构。这种新型的课件由教学内容展示、虚拟教师、语音脚本等三部分有机融合而成,而不仅仅是平常单一媒体组成的课件。
教学展示内容形式可以是多样化呈现,如多版本的PPT、Word、网页、图片等。
虚拟教师是通过计算机三维技术设计和渲染的虚拟人物来代替真实教师,在课件中给学习者讲解教学内容。同时,课件编辑者可以设定虚拟教师的形象、动作、表情、音色、音速等元素,使虚拟教师能自然生动地给学习者讲解教学内容。
语音脚本是教师根据教学内容需要确定的脚本文字,它通过TTS语音合成技术转化为虚拟教师的发音。教师可以利用语音合成把教学内容以文字的形式生成到脚本区中,也可以通过键盘输入。
教师首先制作教学课件,根据教学课件的内容需求在脚本区输入授课内容,然后把脚本区的授课内容作为虚拟教师发音的材料,再结合相应的动作、表情、音色等内容,通过发布功能自动生成由虚拟教师讲授课程内容的视频课件。这三部分在课件制作过程中都是不断融合、不断修正的过程。
为了实现这种类型的课件,下面从教育软件工程的角度对结构化课件自动生成系统进行了设计。本系统主要实现以下功能:
1)课件制作者能方便地编辑和整合各种多媒体素材形成脚本课件;
2)可以在课件中添加和编辑逼真的虚拟教师;
3)通过发布功能自动生成视频形式的课件和及时更新已完成的课件。
3 理论基础
多元智能理论强调教师要通过情境帮助学习者锻炼各种智能。在1983年,霍华德在《智力的结构:多元智能理论》一书中首先提出该理论,后来扩充到9种智能,分别是语言智能、数理智能、节奏智能、运动智能、空间智能、人际交往智能、自然观察智能、内省智能、存在智能[9]。本系统设计的各种微视频可以在教学内容的设计中注重培养学习者的观察智能,在制作课件的过程中可以给课件中添加背景音乐,培养学习者的音乐节奏智能等。
图1 结构化课件的组成
图2 系统的总体架构
微课是“以微型教学视频为主要载体,教师针对某个学科知识点(如重点、难点、疑点、考点等)或教学环节(如学习活动、主题、实验、任务等)而设计开发的一种情境化、支持多种学习方式的新型在线网络视频课程”[10]。在本系统中会提供有关微课的教学设计,如移情移物、问题聚焦等微课教学设计模式非常适合微课程教学的教学设计模板。
虚拟教师理论主要强调通过计算机三维技术构建形象逼真、表情丰富、动作生动、行为真实[11]的虚拟教师,能够有效地缓解虚拟教学环境中师生不便实时互动的难题。虚拟教师逐渐被定义为计算机生成的三维虚拟学习环境中,能够模拟真实教师的形象及动作表情的教学功能的技术实体[12]。在本系统中,编辑课件的教师不仅可以选择虚拟教师的形象,而且可以设置虚拟教师的声音、动作、表情等内容,能够使一线教师非常容易就编辑出带有逼真虚拟教师的课件。
此外,结构化课件系统还借鉴了建构主义学习理论、虚拟教学环境理论和视频课件理论等相关理论。其中虚拟教学环境理论强调计算机技术和虚拟现实技术结合,可以创设适合学习者自主探究和相互协作的教学环境,与传统的教学环境相比显示出较明显的优势。因此,基于计算机的虚拟教学环境应是一种开放、动态、互动的教学环境,可以在时间和空间上突破物理教学环境的限制。
4 结构化课件自动生成系统的设计与开发
系统架构设计 用教育软件来实现结构化课件是一种非常方便的课件系统设计方式。本文提出的结构化课件自动生成系统的设计如图2所示。系统总体分为三个部分:第一部分是启动阶段;第二部分是课件的编辑部分;第三部分是课件生成部分。
编辑阶段是系统的核心部分。进入到此阶段后,课件制作者要选择录制课件的类型,涉及录屏模式课件和非录屏模式课件。录屏模式就是指教学内容的展示方式主要在电脑屏幕上,不借助其他载体。另一种类型就是通过PPT、网页或Word等形式展示教学内容的载体。本系统中会存储专业化的PPT教学模板,主要由封面、授课目录、过渡、正文和结尾等组成;同时会引进PPT常用插件,从而提升课件的制作速度。当选择一般录制模式时,系统会进入具有教学内容版式的页面,这个版式就如同在PPT中各种素材在页面上的布局样式。在此系统中,板式就是虚拟教师和教学内容展示的布局样式。在教学内容展示区可以插入、新建或选择模板中的PPT。课件制作者根据每一页PPT的内容,确定并在脚本区输入或修改讲授语言,也可以通过语音识别,把教师的语音转换为文字,自动生成到语音脚本区。
课件制作者根据教学内容的展示效果选择虚拟教师的形象,再配合相应的表情、动作、音调、音色等对虚拟教师进行编辑与调整。每编辑好一页之后,教师可以点击同步按钮,确定播放课件时虚拟教师的动作和PPT的展示是否相一致,并预览当前页虚拟教师讲授教学内容的效果。当课件制作者把教学内容每一页都设置完成后,就可以通过发布直接生成视频形式的课件内容。
选择录屏模式是教师想录制自己边讲解边操作教学内容的过程。通过录屏模式,可以使用录制屏幕工具把自己的声音和教学内容记录下来,然后通过同步按钮,就可以生成视频类操作课件。
第三阶段是课件的自动生成阶段。这个阶段是课件制作者通过自定义生成视频形式课件的过程。
系统模块设计 为方便软件开发,下面把系统分为主要模块和辅助模块。系统的主要模块包括:虚拟教师编辑模块、语音脚本模块、教学内容展示模块、多媒体素材编辑与合成模块、视频和屏幕录制模块等5个模块。
虚拟教师模块是本系统的一个重点和特色模块,它包括一些基本的虚拟教师的形象。由于虚拟教师形象对学生的学习产生较大影响,虚拟教师形象要模拟真实教师的形象进行设计[13],同时虚拟教师还会通过TTS技术实现自动发音效果;在本系统中将预先设定虚拟教师一些基本的动作和表情,如摇头、点头、移动,微笑、惊讶、失望等。制作者可以通过选择虚拟教师脚本区的文字,利用一些特定的标记设定虚拟教师在说这些话时的表情与动作,从而使虚拟教师在讲解教学内容时更加自然。
语音脚本模块主要是课件制作者通过教学内容确定虚拟教师需要说的教学语言,通过不同输入方式输入到此模块中,再通过TTS发音技术转化为虚拟教师的发音。在这个模块中,教师可以把自己的语音转化为模块中的文字,也可以通过键盘输入文字。而且在本模块中会定义一些标记,标记虚拟教师在说这些文字时的表情、动作、语音等。
教学内容展示模块是本系统的一个基本模块,其主要功能是给学习者呈现教学内容,可以展示的媒体对象包括PPT、网页、图片、Word等。
多媒体素材编辑模块主要是对课件需要的素材进行编辑和合成。素材的编辑主要包括对PPT、图片、音乐和视频的编辑等,这样可以节省课件制作者在不同多媒体素材编辑软件之间的切换时间,从而满足课件制作者在编辑课件时对相关素材的编辑需求,同时可以降低操作的复杂度,提高教学效率[14]。
视频录制模块是系统为了兼顾课件制作者原来录制视频课件的习惯而设置的模块。如果制作课件的教师喜欢使用自己的视频,可以把自己的视频展示在原来虚拟教师的位置,也可以在此模块中录制教师的声音。
屏幕录制功能模块主要是针对一些有操作性的教学内容。教师可以通过本软件直接录制鼠标的轨迹和教师的音频与视频,从而直接生成课件。
系统的辅助模块主要包括启动模块、界面模块、输出模块和帮助模块。其中,系统启动模块主要是系统初始化时需要执行的驱动程序和界面;界面模块主要设定课件系统功能的总体布局;输出模块是课件自动生成适合多种平台和格式的视频化课件过程;帮助模块主要是课件制作者在制作课件过程中需要帮助,或者系统需要更新,或者用户需要对软件有反馈时,可以使用本模块。
系统的编辑过程课件制作者编辑课件的操作过程如图3所示。
1)课件制作者启动课件自动生成系统之后,导入制作课件需要的各种素材,主要包括课件制作者自己收集的原始素材和系统本身提供的各种素材。
2)课件制作者对各种素材进行编辑与组合,主要包括PPT所涉及的各种素材的组合、虚拟教师的设计、脚本语言的编辑和同步的设置。
3)对制作的课件进行预览。在预览过程中如果存在需要修改的地方,可以返回到课件编辑的各个部分进行修改和调整。
4)视频课件的生成。通过修改和预览之后,就进入课件的生成环节。课件生成过程中主要是对课件的个性化生成,一般生成两种类型的课件,即视频形式的课件和脚本课件。视频课件主要是为教师上课使用,脚本课件主要是为课件内容和格式进行更新使用的。
图3 结构化课件自动生成系统的操作流程图
5)可以及时对课件进行更新。
5 结语
随着信息技术与教学的不断深入融合,未来的教学将会从物理空间转换到网络空间,这就需要对教学场景和形式进行相应的变革,而现在的教学课件难以适应未来的数据驱动教学、MOOC教学等新的教学方式。本文基于微课程、多元智能和虚拟教师等理论,提出结构化课件系统的概念。课件主要由虚拟教师、语音脚本和教学内容展示组成。并且从理论基础、系统架构、功能设计和实现流程等方面对结构化课件自动生成系统方案进行设计。当然,目前的课件生成系统还处于原型探索阶段,未来将进一步完善系统的功能,加强虚拟教师与学习者交互式研究和系统实现效果的实证研究等。■
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1671-489X(2016)12-0030-05