专利名称：数码交互式语言实验室系统的制作方法
技术领域：
本发明属多媒体教育设备技术领域，是一种通过计算机服务器和多媒体数据压缩编解码电路实现多用户交互式听音的语言实验室系统。可用于建造大中小学校的交互式语言实验室。
目前，有条件的大、中、小学在外语听力教学中采用语言实验室的方法。学校建几间语言实验室，上课时由教师播放磁带进行教学。由于造价高昂，维护困难，每所学校的语音教室，数量有限，造成了语音教学资源紧张的状况，即使是在大学里，每个班一周也只能安排1～2次听力课，使得学生的听力训练严重不足。
另外，传统的语音教学以磁带作为语音资料的存储介质。磁带是以顺序方式存储的，无法快速定位。在实际教学中，教室和学生不得不反复倒带、快进来播放需要的内容，无形中浪费了宝贵的时间。另外，学生自己练习听力时，由于每人每课都需要一盘磁带，语音教室不得不预备大量的磁带，给维护带来了很大困难。更严重的是，磁带固有的老化问题需要巨额更新费用。而且随着磁带音质的下降，学生的学习效果也不理想。
随着多媒体计算机应用的发展和普及，人们越来越清楚的认识到交互式语言学习的良好效果，出现了大量的计算机辅助教学的课件，但是由于这些课件需要一定的硬件环境，而目前的多数学校和个人都无力支付计算机教学的昂贵费用，仍难以普及应用。
这些因素形成了目前很多贫困地区学校无力建造足够的语言实验室，同时大量已建成的语言实验室却无法满足学生的要求的不合理局面。
综上所述，改变现有的语言实验室状况，提高教学质量，已迫在眉睫。
本发明的目的在于提供一种成本低廉，维护和使用方便，并且能够达到在多媒体计算机上运行的交互式多媒体课件的学习效果的易于普及的语言实验室系统。
本发明立足于先进计算机教学的优点，将具有交互信息的经压缩的多媒体数据库安装在服务器上，配合高性能的适配器，运行相应的服务和管理软件，构成一套先进的交互式语言实验室服务系统。每台服务器通过信号线路与多台学生机连接，接收用户通过键盘发出的指令，对用户的要求进行处理后，从数据库中调出经过压缩的音频数据，由独立的硬件解码器解码，还原出音频信号，辅以一些字符和图形信息，由学生机回放给学生，实现交互式语言练习。学生机采用廉价的专用集成电路，摒弃了传统的机械式磁带录音机，大幅度的降低了整个系统的成本，提高了使用寿命和可靠性，适合向各种地区推广使用。
本发明提出的数码交互式语言实验室系统由服务器系统、多个学生终端机组和连接服务器系统和学生机的通讯线路组成，如图一所示。
服务器系统由计算机、适配器和控制器组成。计算机用于存储数据和运行管理软件。计算机通过插在主板上的适配器与控制器连接。为提高系统的性能，适配器使用PCI总线接口。控制器通过电缆与多个学生机相连。控制器采用插板式结构设计，可以根据实际的学生机数量扩充相应的插板。每台控制器可接驳多达64个用户终端。同时控制器还提供录音机、话筒、扬声器、混音器、呼叫器等用于教学的常规设备。
服务器系统的功能为1.存储交互式多媒体数据库。
2.通过适配器与学生机通信，接受用户的指令，处理后向学生机提交音频和图像等多媒体信号，完成交互操作。
3.提供系统管理维护界面。
4.提供交互式教学控制界面。
学生机由单片机、双向通信接口电路、音频输入输出电路、混音器、点阵式LCD图形显示器和键盘等构成，如图四所示。用户终端机通过键盘接受用户的操作，上传给服务器，同时接收服务器下传的音频信号和图形文字数据，经解码后分别通过耳机和显示屏回放给用户。上课时，学生还可以通过学生机上的麦克风，和控制台配合完成多人对话功能。
因为音频信号有很大的信息量(未经压缩的CD音质的立体声信号可达1.4Mbps)，如果不进行有效的数据压缩的话，无论是计算机的存储量还是数据吞吐能力都很难满足多用户同时听音的要求。所以，本系统中音频数据的存储和传送均使用压缩格式。以应用广泛的MPEG1-LAYER3(MP3)格式为例，数据压缩率可达12∶1，播放CD音质的立体声信号的数据率也仅有96Kbps。同时，采用了每个用户独立的硬件音频解码器。对服务器系统的要求也大大降低，使一个计算机带多个学生机成为可能，极大的降低了成本，易于普及。硬件音频解码器可以使用DSP芯片实现，也可以采用专用的MP3解码器实现，如STA013解码芯片等。采用STA013的音频解码器电路如图5所示。
服务器系统和学生机的数据连接采用485双向差分总线的方案。根据用户的不同需要，音频解码器可以安装在学生机内以提高音质，也可以安装在控制器中以降低数字通信电路成本。连接电缆中同时还具有上下行模拟线路，用于传输模拟音频信号。
系统原理如图2所示。控制器与学生终端机通信，接收用户的请求，通过适配卡上传给服务器处理。服务器处理好用户请求后，将从数据库中调出的压缩音频数据通过适配卡下传给控制器，由控制器负责分配给对应终端机的音频解码器解码出模拟音频信号。音频信号经过混音器和放大器处理后由终端机回放给用户。同时，相应的图形和文字提示信息也通过数字通信由终端机显示出来。音频切换矩阵用来实现多人对话功能。
服务器端软件系统如图3所示。媒体数据库存储多媒体教学信息，用户数据库维护所有使用本系统的用户的记录，工作数据库维护整个系统工作的情况。管理软件提供了系统管理员管理本系统的界面。交互教学软件协助教师上课，完成呼叫，对话等功能。服务引擎用来完成服务器与终端之间的操作、输入输出等功能。设备驱动程序提供了软件系统与硬件之间的接口。
在同时建造多个语言实验室时，通过计算机网络，可以将多个系统的服务器连接在一起，实现数据共享和集中管理。利用网络服务程序，用户甚至可以通过互联网和PC机实现远程学习。
由于采用了先进的数字处理技术，本系统完全克服了使用磁带录音机的传统语言实验室设备音质差，使用不便，维护更新困难，代价高昂的缺点。同时，还具有以下优点
1.可以实现交互式语言练习，易学易用，效果显著。由于无需计算机操作基础，学生可以集中精力学习语言，甚至可以取得比多媒体计算机更好的语言学习效果。
2.使用本系统，教师不但可以完成传统设备上课的所有功能，更可以由计算机完成自动测验功能，并且可以方便的统计和查询每个学生的成绩。
3.容量大，一个具有常见的10G硬盘的服务器可以存储相当于1000盘常用的45分钟磁带。
4.学习材料更新方便快捷。工作人员再也不需要大量的复制录音带，只需用系统提供的软件将原有的磁带一次录入计算机即可。使用专门为交互式语言教学制作的课件光盘，可以方便的将交互式语言练习安装到系统中。
5.易于管理。系统维护每个学生的数据。通过密码验证，系统可以自动管理每个学生使用的时间，进度，成绩等。
6.成本低廉，维护简单。由于彻底放弃了传统磁带机，极大降低了建造成本和维护成本。不需要很多管理员，节省了人力资源占用。适合推广普及。
与完全由个人计算机和局域网构成的多媒体教室相比，本系统装备一间教室的成本仅为多媒体教室的几十分之一，而且对工作环境没有苛刻的要求。耗电量也仅为多媒体教室的几十分之一。无需专业的电脑维护人员。而在交互式语言练习效果上，可以接近甚至超过多媒体教室的效果。而且学员可以集中精力在听力练习上，而无须先花费大量时间来学习电脑基本操作。
掌握一门以上外语已经是现代教育的基本要求。而我国的外语教学能力远远不能满足要求。本系统的建设成本和维护成本仅为多媒体教室的几十分之一，甚至比传统的磁带机系统还低，而交互式练习的效果可与计算机系统媲美，非常适合普及推广。同时，也降低了对使用者的要求，即使未接触过电脑的人也能轻易使用。
附
图1为系统布局图，描述语言实验室系统的布局。
附图2为系统原理图，描述系统的信号流程。
附图3为服务器端软件原理图，描述服务器上运行的软件的组成。
附图4为学生机的电路图，包括单片机、通讯接口电路、显示驱动电路、键盘和接口电路。
附图5为音频解码器的电路图。
权利要求
1.一种数码交互式语言实验室系统，由服务器系统、多个学生机、连接服务器系统和学生机的通讯线路组成，其特征在于服务器由用于存储多媒体交互教学数据和运行管理软件的计算机、适配器与控制器构成，计算机通过插在主板上的适配器与控制器连接，服务器系统通过线路连接多个学生终端机，接受学生通过学生终端机发出的操作指令，操作教学数据库后将音频、图形和文字数据提供给学生终端机。
2.根据权利要求1所述的数码交互式语言实验室系统，其特征在于音频数据经过压缩处理，从而使海量音频数据的存储和传输以较低的硬件代价实现。
3.根据权利要求2所述的数码交互式语言实验室系统，其特征在于每个终端机都使用独立的硬件音频解码器，降低了对服务器的要求。
4.根据权利要求1所述的数码交互式语言实验室系统，其特征在于学生终端机由单片机、双向通信接口电路、音频输入输出电路、混音器、LCD图形显示器和键盘构成。
5.根据权利要求1所述的数码交互式语言实验室系统，其特征在于控制器中具有音频切换矩阵，配合学生机中的麦克风和相应的控制软件，可以实现多人对话功能。
6.根据权利要求5所述的数码交互式语言实验室系统，其特征在于控制器中含有录放音机、话筒、混音器、呼叫器等常规教学设备。
全文摘要
本发明涉及一种数码交互式语言实验室系统,由服务器系统、多个学生机以及连接服务器系统与学生机的通讯线路组成。服务器上安装有具有交互信息的经压缩的多媒体数据库,配备有高性能的适配器,运行相应的服务和管理软件;学生机采用廉价的专用集成电路;两者之间的数据连接采用485双向差分总线方案。本系统可实现交互式语音学习,易学易用,效果显著;学习材料的更新方便、快捷;成本低廉,维护简单;易于推广应用。
文档编号G06F15/18GK1261700SQ0011173
公开日2000年8月2日 申请日期2000年2月22日 优先权日2000年2月22日
发明者李梁海 申请人:李梁海