專利名稱：數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬多媒體教育設備技術領域，是一種通過計算機服務器和多媒體數據壓縮編解碼電路實現多用戶交互式聽音的語言實驗室系統(tǒng)?？捎糜诮ㄔ齑笾行W校的交互式語言實驗室。
目前，有條件的大、中、小學在外語聽力教學中采用語言實驗室的方法。學校建幾間語言實驗室，上課時由教師播放磁帶進行教學。由于造價高昂，維護困難，每所學校的語音教室，數量有限，造成了語音教學資源緊張的狀況，即使是在大學里，每個班一周也只能安排1～2次聽力課，使得學生的聽力訓練嚴重不足。
另外，傳統(tǒng)的語音教學以磁帶作為語音資料的存儲介質。磁帶是以順序方式存儲的，無法快速定位。在實際教學中，教室和學生不得不反復倒帶、快進來播放需要的內容，無形中浪費了寶貴的時間。另外，學生自己練習聽力時，由于每人每課都需要一盤磁帶，語音教室不得不預備大量的磁帶，給維護帶來了很大困難。更嚴重的是，磁帶固有的老化問題需要巨額更新費用。而且隨著磁帶音質的下降，學生的學習效果也不理想。
隨著多媒體計算機應用的發(fā)展和普及，人們越來越清楚的認識到交互式語言學習的良好效果，出現了大量的計算機輔助教學的課件，但是由于這些課件需要一定的硬件環(huán)境，而目前的多數學校和個人都無力支付計算機教學的昂貴費用，仍難以普及應用。
這些因素形成了目前很多貧困地區(qū)學校無力建造足夠的語言實驗室，同時大量已建成的語言實驗室卻無法滿足學生的要求的不合理局面。
綜上所述，改變現有的語言實驗室狀況，提高教學質量，已迫在眉睫。
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉，維護和使用方便，并且能夠達到在多媒體計算機上運行的交互式多媒體課件的學習效果的易于普及的語言實驗室系統(tǒng)。
本發(fā)明立足于先進計算機教學的優(yōu)點，將具有交互信息的經壓縮的多媒體數據庫安裝在服務器上，配合高性能的適配器，運行相應的服務和管理軟件，構成一套先進的交互式語言實驗室服務系統(tǒng)。每臺服務器通過信號線路與多臺學生機連接，接收用戶通過鍵盤發(fā)出的指令，對用戶的要求進行處理后，從數據庫中調出經過壓縮的音頻數據，由獨立的硬件解碼器解碼，還原出音頻信號，輔以一些字符和圖形信息，由學生機回放給學生，實現交互式語言練習。學生機采用廉價的專用集成電路，摒棄了傳統(tǒng)的機械式磁帶錄音機，大幅度的降低了整個系統(tǒng)的成本，提高了使用壽命和可靠性，適合向各種地區(qū)推廣使用。
本發(fā)明提出的數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)由服務器系統(tǒng)、多個學生終端機組和連接服務器系統(tǒng)和學生機的通訊線路組成，如圖一所示。
服務器系統(tǒng)由計算機、適配器和控制器組成。計算機用于存儲數據和運行管理軟件。計算機通過插在主板上的適配器與控制器連接。為提高系統(tǒng)的性能，適配器使用PCI總線接口?？刂破魍ㄟ^電纜與多個學生機相連?？刂破鞑捎貌灏迨浇Y構設計，可以根據實際的學生機數量擴充相應的插板。每臺控制器可接駁多達64個用戶終端。同時控制器還提供錄音機、話筒、揚聲器、混音器、呼叫器等用于教學的常規(guī)設備。
服務器系統(tǒng)的功能為1.存儲交互式多媒體數據庫。
2.通過適配器與學生機通信，接受用戶的指令，處理后向學生機提交音頻和圖像等多媒體信號，完成交互操作。
3.提供系統(tǒng)管理維護界面。
4.提供交互式教學控制界面。
學生機由單片機、雙向通信接口電路、音頻輸入輸出電路、混音器、點陣式LCD圖形顯示器和鍵盤等構成，如圖四所示。用戶終端機通過鍵盤接受用戶的操作，上傳給服務器，同時接收服務器下傳的音頻信號和圖形文字數據，經解碼后分別通過耳機和顯示屏回放給用戶。上課時，學生還可以通過學生機上的麥克風，和控制臺配合完成多人對話功能。
因為音頻信號有很大的信息量(未經壓縮的CD音質的立體聲信號可達1.4Mbps)，如果不進行有效的數據壓縮的話，無論是計算機的存儲量還是數據吞吐能力都很難滿足多用戶同時聽音的要求。所以，本系統(tǒng)中音頻數據的存儲和傳送均使用壓縮格式。以應用廣泛的MPEG1-LAYER3(MP3)格式為例，數據壓縮率可達12∶1，播放CD音質的立體聲信號的數據率也僅有96Kbps。同時，采用了每個用戶獨立的硬件音頻解碼器。對服務器系統(tǒng)的要求也大大降低，使一個計算機帶多個學生機成為可能，極大的降低了成本，易于普及。硬件音頻解碼器可以使用DSP芯片實現，也可以采用專用的MP3解碼器實現，如STA013解碼芯片等。采用STA013的音頻解碼器電路如圖5所示。
服務器系統(tǒng)和學生機的數據連接采用485雙向差分總線的方案。根據用戶的不同需要，音頻解碼器可以安裝在學生機內以提高音質，也可以安裝在控制器中以降低數字通信電路成本。連接電纜中同時還具有上下行模擬線路，用于傳輸模擬音頻信號。
系統(tǒng)原理如圖2所示?？刂破髋c學生終端機通信，接收用戶的請求，通過適配卡上傳給服務器處理。服務器處理好用戶請求后，將從數據庫中調出的壓縮音頻數據通過適配卡下傳給控制器，由控制器負責分配給對應終端機的音頻解碼器解碼出模擬音頻信號。音頻信號經過混音器和放大器處理后由終端機回放給用戶。同時，相應的圖形和文字提示信息也通過數字通信由終端機顯示出來。音頻切換矩陣用來實現多人對話功能。
服務器端軟件系統(tǒng)如圖3所示。媒體數據庫存儲多媒體教學信息，用戶數據庫維護所有使用本系統(tǒng)的用戶的記錄，工作數據庫維護整個系統(tǒng)工作的情況。管理軟件提供了系統(tǒng)管理員管理本系統(tǒng)的界面。交互教學軟件協(xié)助教師上課，完成呼叫，對話等功能。服務引擎用來完成服務器與終端之間的操作、輸入輸出等功能。設備驅動程序提供了軟件系統(tǒng)與硬件之間的接口。
在同時建造多個語言實驗室時，通過計算機網絡，可以將多個系統(tǒng)的服務器連接在一起，實現數據共享和集中管理。利用網絡服務程序，用戶甚至可以通過互聯網和PC機實現遠程學習。
由于采用了先進的數字處理技術，本系統(tǒng)完全克服了使用磁帶錄音機的傳統(tǒng)語言實驗室設備音質差，使用不便，維護更新困難，代價高昂的缺點。同時，還具有以下優(yōu)點
1.可以實現交互式語言練習，易學易用，效果顯著。由于無需計算機操作基礎，學生可以集中精力學習語言，甚至可以取得比多媒體計算機更好的語言學習效果。
2.使用本系統(tǒng)，教師不但可以完成傳統(tǒng)設備上課的所有功能，更可以由計算機完成自動測驗功能，并且可以方便的統(tǒng)計和查詢每個學生的成績。
3.容量大，一個具有常見的10G硬盤的服務器可以存儲相當于1000盤常用的45分鐘磁帶。
4.學習材料更新方便快捷。工作人員再也不需要大量的復制錄音帶，只需用系統(tǒng)提供的軟件將原有的磁帶一次錄入計算機即可。使用專門為交互式語言教學制作的課件光盤，可以方便的將交互式語言練習安裝到系統(tǒng)中。
5.易于管理。系統(tǒng)維護每個學生的數據。通過密碼驗證，系統(tǒng)可以自動管理每個學生使用的時間，進度，成績等。
6.成本低廉，維護簡單。由于徹底放棄了傳統(tǒng)磁帶機，極大降低了建造成本和維護成本。不需要很多管理員，節(jié)省了人力資源占用。適合推廣普及。
與完全由個人計算機和局域網構成的多媒體教室相比，本系統(tǒng)裝備一間教室的成本僅為多媒體教室的幾十分之一，而且對工作環(huán)境沒有苛刻的要求。耗電量也僅為多媒體教室的幾十分之一。無需專業(yè)的電腦維護人員。而在交互式語言練習效果上，可以接近甚至超過多媒體教室的效果。而且學員可以集中精力在聽力練習上，而無須先花費大量時間來學習電腦基本操作。
掌握一門以上外語已經是現代教育的基本要求。而我國的外語教學能力遠遠不能滿足要求。本系統(tǒng)的建設成本和維護成本僅為多媒體教室的幾十分之一，甚至比傳統(tǒng)的磁帶機系統(tǒng)還低，而交互式練習的效果可與計算機系統(tǒng)媲美，非常適合普及推廣。同時，也降低了對使用者的要求，即使未接觸過電腦的人也能輕易使用。
附

圖1為系統(tǒng)布局圖，描述語言實驗室系統(tǒng)的布局。
附圖2為系統(tǒng)原理圖，描述系統(tǒng)的信號流程。
附圖3為服務器端軟件原理圖，描述服務器上運行的軟件的組成。
附圖4為學生機的電路圖，包括單片機、通訊接口電路、顯示驅動電路、鍵盤和接口電路。
附圖5為音頻解碼器的電路圖。
權利要求
1.一種數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)，由服務器系統(tǒng)、多個學生機、連接服務器系統(tǒng)和學生機的通訊線路組成，其特征在于服務器由用于存儲多媒體交互教學數據和運行管理軟件的計算機、適配器與控制器構成，計算機通過插在主板上的適配器與控制器連接，服務器系統(tǒng)通過線路連接多個學生終端機，接受學生通過學生終端機發(fā)出的操作指令，操作教學數據庫后將音頻、圖形和文字數據提供給學生終端機。
2.根據權利要求1所述的數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)，其特征在于音頻數據經過壓縮處理，從而使海量音頻數據的存儲和傳輸以較低的硬件代價實現。
3.根據權利要求2所述的數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)，其特征在于每個終端機都使用獨立的硬件音頻解碼器，降低了對服務器的要求。
4.根據權利要求1所述的數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)，其特征在于學生終端機由單片機、雙向通信接口電路、音頻輸入輸出電路、混音器、LCD圖形顯示器和鍵盤構成。
5.根據權利要求1所述的數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)，其特征在于控制器中具有音頻切換矩陣，配合學生機中的麥克風和相應的控制軟件，可以實現多人對話功能。
6.根據權利要求5所述的數碼交互式語言實驗室系統(tǒng)，其特征在于控制器中含有錄放音機、話筒、混音器、呼叫器等常規(guī)教學設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數碼交互式語言實驗室系統(tǒng),由服務器系統(tǒng)、多個學生機以及連接服務器系統(tǒng)與學生機的通訊線路組成。服務器上安裝有具有交互信息的經壓縮的多媒體數據庫,配備有高性能的適配器,運行相應的服務和管理軟件;學生機采用廉價的專用集成電路;兩者之間的數據連接采用485雙向差分總線方案。本系統(tǒng)可實現交互式語音學習,易學易用,效果顯著;學習材料的更新方便、快捷;成本低廉,維護簡單;易于推廣應用。
文檔編號G06F15/18GK1261700SQ0011173
公開日2000年8月2日 申請日期2000年2月22日 優(yōu)先權日2000年2月22日
發(fā)明者李梁海 申請人:李梁海