一种教学数据中台管理系统

技术领域

本发明属于数据管理技术领域，具体涉及一种教学数据中台管理系统。

背景技术

传统的课堂教学环境通常采用线下讲授，即教师在讲台上讲课，学生在台下听讲。传统的教学环境无法对教学内容进行实时记录，不便于学生课后复习。

而网络课堂教学利用已经普及的计算机和宽带等硬件环境，以及现成的网络课堂教学软件基础上，可以实现本地或异地、同时、实时、互动教学和学习的新教学模式。在线课堂录播是针对在线课堂教学的录制和点播的方法，旨在提高课程回顾和学习巩固的作用和效果。因此，在学生线下上课并同步录屏时，需对上课的教学数据进行实时记录和处理，得到完整的教学数据，以便学生复习巩固。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种教学数据中台管理系统。

本发明的技术方案是：一种教学数据中台管理系统包括教学信息获取单元、学生信息交互单元、教学课程交互单元和教学信息存储单元；

教学信息获取单元用于获取学生身份信息、学生课程信息、教学课程音视频信息和教学课程板书信息；

学生信息交互单元用于对学生身份信息进行校验，并获取校验通过的学生身份信息对应的学生课程信息；

教学课程交互单元用于提取教学课程音视频信息对应的文字信息；

教学信息存储单元用于存储并加密学生课程信息、教学课程音视频信息、教学课程音视频信息对应的文字信息以及教学课程板书信息。

进一步地，教学信息获取单元通过摄像头采集学生图像，作为学生身份信息；

教学信息获取单元通过摄像头采集教师的教学视频，作为教学课程音视频信息；

教学信息获取单元通过对屏幕进行录屏或通过摄像头采集黑板图像并对黑板图像进行预处理，作为教学课程板书信息。

进一步地，学生课程信息包括实到学生人数以及学生发言音视频。

进一步地，学生信息交互单元对学生身份信息进行校验的具体方法为：

对学生图像依次进行降噪处理和平滑处理，得到最新学生图像；

提取最新学生图像中各个像素点的灰度值，并根据最新学生图像各个像素点的灰度值计算最新学生图像中各个像素点的梯度值；

计算最新学生图像中所有像素点的梯度值的均值，作为最新学生图像的梯度权重；

提取标准学生图像中各个像素点的梯度值，并计算标准学生图像中所有像素点的梯度值的均值，作为标准学生图像的梯度权重；

根据最新学生图像的梯度权重和标准学生图像的梯度权重，对学生身份信息进行校验；其中，若最新学生图像的梯度权重大于或等于标准学生图像的梯度权重，则校验通过，否则校验不通过。

进一步地，最新学生图像中各个像素点的梯度值g的计算公式为：

；式中，G(·)表示高斯函数，x表示最新学生图像中各个像素点的横坐标，y表示最新学生图像中各个像素点的纵坐标，σ表示自适应标准差，/>

进一步地，教学信息获取单元对黑板图像进行预处理的具体方法为：

提取黑板图像中各个像素点的像素深度；

提取黑板图像的显著图，提取显著图的各连通域，并确定各连通域中的最长直线，计算所有最长直线的均值；

以像素深度最大值对应的像素点为圆心，以所有最长直线的均值为半径，绘制待检测区域；

在待检测区域中，计算各个像素点的灰度值，若最大灰度值大于或等于设定灰度阈值，则将黑板图像作为教学课程板书信息，否则将黑板图像输入至图像处理网络模型中，进行模糊处理，并将模糊处理后的黑板图像作为教学课程板书信息。

进一步地，图像处理网络模型F的表达式为：

；式中，θ

进一步地，教学课程交互单元提取教学课程音视频信息对应的文字信息的具体方法为：将教学视频均分为若干段视频序列，提取各个视频序列的音频特征矩阵，将各个音频特征矩阵输入至构建的文字提取网络模型中，进行文字提取。

进一步地，文字提取网络模型包括依次连接的输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层；

卷积层包括第一卷积单元和第二卷积单元；池化层包括第一池化单元和第二池化单元；

第一卷积单元的输入端和第二卷积单元的输入端均与输入层连接；第一卷积单元的输出端与第一池化单元的输入端连接；第二卷积单元的输出端与第二池化单元的输入端连接；第一池化单元的输出端和第二池化单元的输出端均与全连接层连接。

进一步地，全连接层的损失函数Z表达式为：

；式中，/>

本发明的有益效果是：

（1）该教学数据中台管理系统基于摄像头采集的学生图像进行身份验证，便于统计实到学生人数以及完成签到，保证后续单元的信息处理；

（2）该教学数据中台管理系统通过对不同形式的板书信息进行采集并处理，保证板书信息的准确性；针对电子板书进行屏幕录制，针对传统的黑板板书进行拍摄并对图像进行预处理，从而避免学生在查看教学视频段时板书不清楚的情况，大大提升了学习效率，也提升了用户的使用体验；

（3）该教学数据中台管理系统提取教师的教学音视频的文字信息，将文字信息与教学视频结合，辅助学生理解讲授内容，提升教学过程的容错能力；

（4）该教学数据中台管理系能够保存并加密学生课程信息、教学课程音视频信息、教学课程音视频信息对应的文字信息以及教学课程板书信息，便于学生复习时在终端进行显示，保证数据安全性。

附图说明

图1为教学数据中台管理系统的结构图；

图2为文字提取网络模型的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：

显著图：在机器视觉中，显著性是一种图像分区的模式，而显著图是显示每个像素独特性的图像。

如图1所示，本发明提供了一种教学数据中台管理系统，包括教学信息获取单元、学生信息交互单元、教学课程交互单元和教学信息存储单元；

教学信息获取单元用于获取学生身份信息、学生课程信息、教学课程音视频信息和教学课程板书信息；

学生信息交互单元用于对学生身份信息进行校验，并获取校验通过的学生身份信息对应的学生课程信息；

教学课程交互单元用于提取教学课程音视频信息对应的文字信息；

教学信息存储单元用于存储并加密学生课程信息、教学课程音视频信息、教学课程音视频信息对应的文字信息以及教学课程板书信息。

在本发明实施例中，教学信息获取单元通过摄像头采集学生图像，作为学生身份信息；

教学信息获取单元通过摄像头采集教师的教学视频，作为教学课程音视频信息；

教学信息获取单元通过对屏幕进行录屏或通过摄像头采集黑板图像并对黑板图像进行预处理，作为教学课程板书信息。

在本发明实施例中，学生课程信息包括实到学生人数以及学生发言音视频。

实到学生人数可以通过学生身份信息的校验结果得到，学生身份信息校验通过的学生即为实到学生人数之一。学生发言音视频可以通过安装在教室的摄像头采集得到。

在本发明实施例中，学生信息交互单元对学生身份信息进行校验的具体方法为：

对学生图像依次进行降噪处理和平滑处理，得到最新学生图像；

提取最新学生图像中各个像素点的灰度值，并根据最新学生图像各个像素点的灰度值计算最新学生图像中各个像素点的梯度值；

计算最新学生图像中所有像素点的梯度值的均值，作为最新学生图像的梯度权重；

提取标准学生图像中各个像素点的梯度值，并计算标准学生图像中所有像素点的梯度值的均值，作为标准学生图像的梯度权重；

根据最新学生图像的梯度权重和标准学生图像的梯度权重，对学生身份信息进行校验；其中，若最新学生图像的梯度权重大于或等于标准学生图像的梯度权重，则校验通过，否则校验不通过。

标准学生图像是存储在学校教学系统中的学生照片，可以为学生的身份证照片，也可以为学校采集的学生留存照片。

将学生图像和教学系统中标准学生图像进行对比，若图像匹配通过，则相当于学生签到，作为实到学生。

在本发明实施例中，最新学生图像中各个像素点的梯度值g的计算公式为：

学生发言音视频通过安装在教室的摄像头拍摄得到。

在本发明实施例中，教学信息获取单元对黑板图像进行预处理的具体方法为：

提取黑板图像中各个像素点的像素深度；

提取黑板图像的显著图，提取显著图的各连通域，并确定各连通域中的最长直线，计算所有最长直线的均值；

以像素深度最大值对应的像素点为圆心，以所有最长直线的均值为半径，绘制待检测区域；

在待检测区域中，计算各个像素点的灰度值，若最大灰度值大于或等于设定灰度阈值，则将黑板图像作为教学课程板书信息，否则将黑板图像输入至图像处理网络模型中，进行模糊处理，并将模糊处理后的黑板图像作为教学课程板书信息。

不同的教室可能采用现代的电子白板，也可以采用传统的黑板，因此教学课程板书信息可能为录屏也可能为摄像头拍摄的照片。教学课程板书信息若为录屏，则只需对录屏进行截屏即可。教学课程板书信息若为摄像头拍摄的黑板照片，则黑板照片中可能出现教师的身影，因此需要黑板照片进行预处理，得到一张清晰且内容完整的黑板照片。在黑板照片中，首先应判断照片中是否出现教师身影，若未出现，则直接将黑板照片作为教学课程板书信息，若出现，则需弱化教师身影，强调板书内容。

根据显著图和连通域确定可能存在教师身影的区域，作为重点处理区域。在检测到出现教师身影后，进行模糊处理，减少教师身影对板书信息的干扰。

在本发明实施例中，图像处理网络模型F的表达式为：

；式中，θ

在本发明实施例中，教学课程交互单元提取教学课程音视频信息对应的文字信息的具体方法为：将教学视频均分为若干段视频序列，提取各个视频序列的音频特征矩阵，将各个音频特征矩阵输入至构建的文字提取网络模型中，进行文字提取。

在本发明实施例中，如图2所示，文字提取网络模型包括依次连接的输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层；

卷积层包括第一卷积单元和第二卷积单元；池化层包括第一池化单元和第二池化单元；

第一卷积单元的输入端和第二卷积单元的输入端均与输入层连接；第一卷积单元的输出端与第一池化单元的输入端连接；第二卷积单元的输出端与第二池化单元的输入端连接；第一池化单元的输出端和第二池化单元的输出端均与全连接层连接。

在本发明实施例中，全连接层的损失函数Z表达式为：

；式中，/>

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。