◆雷武超 吳振強

結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)設(shè)計方案*

◆雷武超 吳振強

提出一種結(jié)構(gòu)化課件。這種新型課件有兩種呈現(xiàn)方式：一種是腳本課件，一種是視頻課件。從教育軟件工程的角度提出一種結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)方案，為結(jié)構(gòu)化課件的實現(xiàn)進行相關(guān)探索。

虛擬教師；結(jié)構(gòu)化課件；微課

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.030

1　引言

隨著國際人才競爭的加劇，各個國家對教育現(xiàn)代化的重視程度不斷上升。新的教學形式和教學理念不斷涌現(xiàn)出來，如智慧教育、MOOC、微課。在國際上，很多教育信息化層次比較高的國家，先后設(shè)置了比較專業(yè)化的信息化研究機構(gòu)，為國家的教育現(xiàn)代化提供重要支撐。我國也在2010年頒布了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，指出“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視”［1］。由此來看，各個國家和地區(qū)都非常重視教學現(xiàn)代化。

在國內(nèi)，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和智能計算技術(shù)的興起，以及我國“三通兩平臺”工程的逐步實施，未來的教學將是數(shù)據(jù)驅(qū)動型教學，這就需要對教學模式和組織方式進行相應(yīng)的變革。這種新型的教學模式需要對課件的結(jié)構(gòu)和生成方式進行變革?，F(xiàn)有的精品課程、開放課程、網(wǎng)絡(luò)課程等教學資源存在形式單一、共享性低、更新速度和生成速度慢的問題，嚴重制約著我國教育信息化的進一步發(fā)展。

目前，虛擬教師作為智能計算技術(shù)的應(yīng)用之一，具有生動性、交互性、親和力等特點［2］，已在遠程教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，集觸覺、視覺、聽覺為一體的虛擬教學環(huán)境成為研究熱點，這些具有空間和時間特性的數(shù)字化多維信息空間［3］的研究成果為解決以上問題提供了理論基礎(chǔ)。基于XML的文件格式和媒體同步技術(shù)的成熟，為新型的腳本課件提供了實現(xiàn)的可能性。

本文提出的結(jié)構(gòu)化課件主要分為兩種類型：一種是腳本類型的課件，這種課件由虛擬教師、語音腳本和教學內(nèi)容展示等三個部分有機融合而成，可以快速更新課件的內(nèi)容和呈現(xiàn)形式；另一種是視頻類型的課件，主要方便教師上課和學習者在線使用。為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化課件，本文對結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)進行了方案設(shè)計。該系統(tǒng)主要功能是教師自己制作教學課件，根據(jù)教學課件的內(nèi)容需求在系統(tǒng)的腳本區(qū)輸入教師授課時的語言表述內(nèi)容，該內(nèi)容是虛擬教師發(fā)音的材料，再結(jié)合虛擬教師相應(yīng)的動作、表情、音色等內(nèi)容，通過發(fā)布功能自動生成出虛擬教師講授課程內(nèi)容的視頻課件，而且能夠快速更新視頻課件的內(nèi)容。

2　課件生成系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

我國課件生成系統(tǒng)的研究比較早，第一套多媒體課件生成系統(tǒng)是南昌大學開發(fā)的多媒體課件模板套用系統(tǒng)［4］，主要是在多媒體課件系統(tǒng)中存儲一些教學設(shè)計的通用模板，編輯課件的教師再根據(jù)模板的需求導(dǎo)入相對應(yīng)的多媒體素材，生成多媒體課件的一種課件制作系統(tǒng)。方正奧思也是一款比較成熟的課件生成系統(tǒng)，是北大方正電子有限公司推出的一個集成化、可視化、交互式的多媒體創(chuàng)作工具軟件［5］，具有制作簡單、界面友好、過渡效果好的特點。天柏課件制作系統(tǒng)企業(yè)版也是一款比較成熟的課件制作工具，能夠快速制作三分屏形式的課件，包括音視頻、教學大綱、講授內(nèi)容三部分。此外還有金山WPS的PPT課件編輯工具及Z+Z智能教育平臺等課件制作工具

國外對課件生成系統(tǒng)的研究也比較深入，其中比較有代表性的課件生成系統(tǒng)主要有三個：Camtasia Studio、Storyline課件制作工具、On-line Multimedia Courseware Authoring System。Camtasia Studio是美國TechSmith公司開發(fā)的，是一款集屏幕錄制和素材編輯于一體的軟件。該軟件以其強大的屏幕動作錄制、視頻剪輯功能和簡單易學的特點深受廣大微課制作者的歡迎［6］。Storyline課件制作工具是美國Articulate公司發(fā)布的，是目前功能強大、最簡單的高互動課件開發(fā)軟件。On-line Multimedia Courseware Authoring System是Chorng-Shiunt［7］等人提出的，這種課件生成系統(tǒng)能夠整合多種多媒體素材編輯工具，而且符合SCORM標準。除此以外，還有大家熟知的PPT以及其他課件生成系統(tǒng)。

從課件生成系統(tǒng)的現(xiàn)狀，可以看出國內(nèi)外設(shè)計的課件生成系統(tǒng)主要呈現(xiàn)的特點包括：

*項目來源：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目“在線學習中教學流程再造與知識推薦方法研究”（GK261001236）。作者：雷武超，陜西師范大學計算機科學學院，主要研究方向為信息化教學資源的設(shè)計；吳振強，陜西師范大學（710119）。

1）在課件生成系統(tǒng)中提供可用于各個學科制作教學課件的通用模板，可以有效降低課件制作者開發(fā)課件的難度和開發(fā)時間；

2）課件生成系統(tǒng)實現(xiàn)的編程語言具有一定的普遍性，如XML語言；

3）制作視頻類課件主要通過攝像設(shè)備和聲音采集設(shè)備，再進行編輯合成；

4）課件生成系統(tǒng)比較注重課件標準的應(yīng)用，主要是SCORM和AICC標準。

通過對課件生成系統(tǒng)的分析，目前基于PPT制作的課件或者使用PPT編輯風格的系統(tǒng)在整個課件制作過程中占有主流地位。然而在課件生成系統(tǒng)開發(fā)中存在一些不足：1）現(xiàn)存的課件生成系統(tǒng)制作的課件樣式比較單一；2）系統(tǒng)生成的課件更新和生成效率比較低；3）生成的課件教師形象比較少，個別系統(tǒng)有現(xiàn)實教師的形象，但是教師動作單一，形象模糊。

根據(jù)上述情況，筆者認為一個課件生成系統(tǒng)應(yīng)該具有的特點包括：1）界面友好，使用方便［8］；2）課件呈現(xiàn)形式多樣化；3）課件生成系統(tǒng)能及時更新和生成專業(yè)水平的課件；4）設(shè)計和制作的課件生成系統(tǒng)應(yīng)兼顧大部分教師編輯課件的習慣；5）課件應(yīng)該提供教師常用的教學課件的模板，方便教師制作課件。

依據(jù)上述研究，本文提出一種如圖1所示的新型結(jié)構(gòu)化課件結(jié)構(gòu)。這種新型的課件由教學內(nèi)容展示、虛擬教師、語音腳本等三部分有機融合而成，而不僅僅是平常單一媒體組成的課件。

教學展示內(nèi)容形式可以是多樣化呈現(xiàn)，如多版本的PPT、Word、網(wǎng)頁、圖片等。

虛擬教師是通過計算機三維技術(shù)設(shè)計和渲染的虛擬人物來代替真實教師，在課件中給學習者講解教學內(nèi)容。同時，課件編輯者可以設(shè)定虛擬教師的形象、動作、表情、音色、音速等元素，使虛擬教師能自然生動地給學習者講解教學內(nèi)容。

語音腳本是教師根據(jù)教學內(nèi)容需要確定的腳本文字，它通過TTS語音合成技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬教師的發(fā)音。教師可以利用語音合成把教學內(nèi)容以文字的形式生成到腳本區(qū)中，也可以通過鍵盤輸入。

教師首先制作教學課件，根據(jù)教學課件的內(nèi)容需求在腳本區(qū)輸入授課內(nèi)容，然后把腳本區(qū)的授課內(nèi)容作為虛擬教師發(fā)音的材料，再結(jié)合相應(yīng)的動作、表情、音色等內(nèi)容，通過發(fā)布功能自動生成由虛擬教師講授課程內(nèi)容的視頻課件。這三部分在課件制作過程中都是不斷融合、不斷修正的過程。

為了實現(xiàn)這種類型的課件，下面從教育軟件工程的角度對結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)進行了設(shè)計。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1）課件制作者能方便地編輯和整合各種多媒體素材形成腳本課件；

2）可以在課件中添加和編輯逼真的虛擬教師；

3）通過發(fā)布功能自動生成視頻形式的課件和及時更新已完成的課件。

3　理論基礎(chǔ)

多元智能理論強調(diào)教師要通過情境幫助學習者鍛煉各種智能。在1983年，霍華德在《智力的結(jié)構(gòu)：多元智能理論》一書中首先提出該理論，后來擴充到9種智能，分別是語言智能、數(shù)理智能、節(jié)奏智能、運動智能、空間智能、人際交往智能、自然觀察智能、內(nèi)省智能、存在智能［9］。本系統(tǒng)設(shè)計的各種微視頻可以在教學內(nèi)容的設(shè)計中注重培養(yǎng)學習者的觀察智能，在制作課件的過程中可以給課件中添加背景音樂，培養(yǎng)學習者的音樂節(jié)奏智能等。

圖1　結(jié)構(gòu)化課件的組成

圖2　系統(tǒng)的總體架構(gòu)

微課是“以微型教學視頻為主要載體，教師針對某個學科知識點（如重點、難點、疑點、考點等）或教學環(huán)節(jié)（如學習活動、主題、實驗、任務(wù)等）而設(shè)計開發(fā)的一種情境化、支持多種學習方式的新型在線網(wǎng)絡(luò)視頻課程”［10］。在本系統(tǒng)中會提供有關(guān)微課的教學設(shè)計，如移情移物、問題聚焦等微課教學設(shè)計模式非常適合微課程教學的教學設(shè)計模板。

虛擬教師理論主要強調(diào)通過計算機三維技術(shù)構(gòu)建形象逼真、表情豐富、動作生動、行為真實［11］的虛擬教師，能夠有效地緩解虛擬教學環(huán)境中師生不便實時互動的難題。虛擬教師逐漸被定義為計算機生成的三維虛擬學習環(huán)境中，能夠模擬真實教師的形象及動作表情的教學功能的技術(shù)實體［12］。在本系統(tǒng)中，編輯課件的教師不僅可以選擇虛擬教師的形象，而且可以設(shè)置虛擬教師的聲音、動作、表情等內(nèi)容，能夠使一線教師非常容易就編輯出帶有逼真虛擬教師的課件。

此外，結(jié)構(gòu)化課件系統(tǒng)還借鑒了建構(gòu)主義學習理論、虛擬教學環(huán)境理論和視頻課件理論等相關(guān)理論。其中虛擬教學環(huán)境理論強調(diào)計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，可以創(chuàng)設(shè)適合學習者自主探究和相互協(xié)作的教學環(huán)境，與傳統(tǒng)的教學環(huán)境相比顯示出較明顯的優(yōu)勢。因此，基于計算機的虛擬教學環(huán)境應(yīng)是一種開放、動態(tài)、互動的教學環(huán)境，可以在時間和空間上突破物理教學環(huán)境的限制。

4　結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計 用教育軟件來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化課件是一種非常方便的課件系統(tǒng)設(shè)計方式。本文提出的結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)的設(shè)計如圖2所示。系統(tǒng)總體分為三個部分：第一部分是啟動階段；第二部分是課件的編輯部分；第三部分是課件生成部分。

編輯階段是系統(tǒng)的核心部分。進入到此階段后，課件制作者要選擇錄制課件的類型，涉及錄屏模式課件和非錄屏模式課件。錄屏模式就是指教學內(nèi)容的展示方式主要在電腦屏幕上，不借助其他載體。另一種類型就是通過PPT、網(wǎng)頁或Word等形式展示教學內(nèi)容的載體。本系統(tǒng)中會存儲專業(yè)化的PPT教學模板，主要由封面、授課目錄、過渡、正文和結(jié)尾等組成；同時會引進PPT常用插件，從而提升課件的制作速度。當選擇一般錄制模式時，系統(tǒng)會進入具有教學內(nèi)容版式的頁面，這個版式就如同在PPT中各種素材在頁面上的布局樣式。在此系統(tǒng)中，板式就是虛擬教師和教學內(nèi)容展示的布局樣式。在教學內(nèi)容展示區(qū)可以插入、新建或選擇模板中的PPT。課件制作者根據(jù)每一頁PPT的內(nèi)容，確定并在腳本區(qū)輸入或修改講授語言，也可以通過語音識別，把教師的語音轉(zhuǎn)換為文字，自動生成到語音腳本區(qū)。

課件制作者根據(jù)教學內(nèi)容的展示效果選擇虛擬教師的形象，再配合相應(yīng)的表情、動作、音調(diào)、音色等對虛擬教師進行編輯與調(diào)整。每編輯好一頁之后，教師可以點擊同步按鈕，確定播放課件時虛擬教師的動作和PPT的展示是否相一致，并預(yù)覽當前頁虛擬教師講授教學內(nèi)容的效果。當課件制作者把教學內(nèi)容每一頁都設(shè)置完成后，就可以通過發(fā)布直接生成視頻形式的課件內(nèi)容。

選擇錄屏模式是教師想錄制自己邊講解邊操作教學內(nèi)容的過程。通過錄屏模式，可以使用錄制屏幕工具把自己的聲音和教學內(nèi)容記錄下來，然后通過同步按鈕，就可以生成視頻類操作課件。

第三階段是課件的自動生成階段。這個階段是課件制作者通過自定義生成視頻形式課件的過程。

系統(tǒng)模塊設(shè)計 為方便軟件開發(fā)，下面把系統(tǒng)分為主要模塊和輔助模塊。系統(tǒng)的主要模塊包括：虛擬教師編輯模塊、語音腳本模塊、教學內(nèi)容展示模塊、多媒體素材編輯與合成模塊、視頻和屏幕錄制模塊等5個模塊。

虛擬教師模塊是本系統(tǒng)的一個重點和特色模塊，它包括一些基本的虛擬教師的形象。由于虛擬教師形象對學生的學習產(chǎn)生較大影響，虛擬教師形象要模擬真實教師的形象進行設(shè)計［13］，同時虛擬教師還會通過TTS技術(shù)實現(xiàn)自動發(fā)音效果；在本系統(tǒng)中將預(yù)先設(shè)定虛擬教師一些基本的動作和表情，如搖頭、點頭、移動，微笑、驚訝、失望等。制作者可以通過選擇虛擬教師腳本區(qū)的文字，利用一些特定的標記設(shè)定虛擬教師在說這些話時的表情與動作，從而使虛擬教師在講解教學內(nèi)容時更加自然。

語音腳本模塊主要是課件制作者通過教學內(nèi)容確定虛擬教師需要說的教學語言，通過不同輸入方式輸入到此模塊中，再通過TTS發(fā)音技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬教師的發(fā)音。在這個模塊中，教師可以把自己的語音轉(zhuǎn)化為模塊中的文字，也可以通過鍵盤輸入文字。而且在本模塊中會定義一些標記，標記虛擬教師在說這些文字時的表情、動作、語音等。

教學內(nèi)容展示模塊是本系統(tǒng)的一個基本模塊，其主要功能是給學習者呈現(xiàn)教學內(nèi)容，可以展示的媒體對象包括PPT、網(wǎng)頁、圖片、Word等。

多媒體素材編輯模塊主要是對課件需要的素材進行編輯和合成。素材的編輯主要包括對PPT、圖片、音樂和視頻的編輯等，這樣可以節(jié)省課件制作者在不同多媒體素材編輯軟件之間的切換時間，從而滿足課件制作者在編輯課件時對相關(guān)素材的編輯需求，同時可以降低操作的復(fù)雜度，提高教學效率［14］。

視頻錄制模塊是系統(tǒng)為了兼顧課件制作者原來錄制視頻課件的習慣而設(shè)置的模塊。如果制作課件的教師喜歡使用自己的視頻，可以把自己的視頻展示在原來虛擬教師的位置，也可以在此模塊中錄制教師的聲音。

屏幕錄制功能模塊主要是針對一些有操作性的教學內(nèi)容。教師可以通過本軟件直接錄制鼠標的軌跡和教師的音頻與視頻，從而直接生成課件。

系統(tǒng)的輔助模塊主要包括啟動模塊、界面模塊、輸出模塊和幫助模塊。其中，系統(tǒng)啟動模塊主要是系統(tǒng)初始化時需要執(zhí)行的驅(qū)動程序和界面；界面模塊主要設(shè)定課件系統(tǒng)功能的總體布局；輸出模塊是課件自動生成適合多種平臺和格式的視頻化課件過程；幫助模塊主要是課件制作者在制作課件過程中需要幫助，或者系統(tǒng)需要更新，或者用戶需要對軟件有反饋時，可以使用本模塊。

系統(tǒng)的編輯過程課件制作者編輯課件的操作過程如圖3所示。

1）課件制作者啟動課件自動生成系統(tǒng)之后，導(dǎo)入制作課件需要的各種素材，主要包括課件制作者自己收集的原始素材和系統(tǒng)本身提供的各種素材。

2）課件制作者對各種素材進行編輯與組合，主要包括PPT所涉及的各種素材的組合、虛擬教師的設(shè)計、腳本語言的編輯和同步的設(shè)置。

3）對制作的課件進行預(yù)覽。在預(yù)覽過程中如果存在需要修改的地方，可以返回到課件編輯的各個部分進行修改和調(diào)整。

4）視頻課件的生成。通過修改和預(yù)覽之后，就進入課件的生成環(huán)節(jié)。課件生成過程中主要是對課件的個性化生成，一般生成兩種類型的課件，即視頻形式的課件和腳本課件。視頻課件主要是為教師上課使用，腳本課件主要是為課件內(nèi)容和格式進行更新使用的。

圖3　結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)的操作流程圖

5）可以及時對課件進行更新。

5　結(jié)語

隨著信息技術(shù)與教學的不斷深入融合，未來的教學將會從物理空間轉(zhuǎn)換到網(wǎng)絡(luò)空間，這就需要對教學場景和形式進行相應(yīng)的變革，而現(xiàn)在的教學課件難以適應(yīng)未來的數(shù)據(jù)驅(qū)動教學、MOOC教學等新的教學方式。本文基于微課程、多元智能和虛擬教師等理論，提出結(jié)構(gòu)化課件系統(tǒng)的概念。課件主要由虛擬教師、語音腳本和教學內(nèi)容展示組成。并且從理論基礎(chǔ)、系統(tǒng)架構(gòu)、功能設(shè)計和實現(xiàn)流程等方面對結(jié)構(gòu)化課件自動生成系統(tǒng)方案進行設(shè)計。當然，目前的課件生成系統(tǒng)還處于原型探索階段，未來將進一步完善系統(tǒng)的功能，加強虛擬教師與學習者交互式研究和系統(tǒng)實現(xiàn)效果的實證研究等?！?/p>

［1］國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）［EB/OL］.［2010-10-01］.http：//www.moe.edu.cn.

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