結構化課件自動生成系統設計方案*

◆雷武超 吳振強

結構化課件自動生成系統設計方案*

◆雷武超 吳振強

提出一種結構化課件。這種新型課件有兩種呈現方式：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構化課件自動生成系統方案，為結構化課件的實現進行相關探索。

虛擬教師；結構化課件；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，先后設置了比較專業化的信息化研究機構，為國家的教育現代化提供重要支撐。我國也在2010年頒布了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》，指出“信息技術對教育發展具有革命性的影響，必須予以高度重視”［1］。由此來看，各個國家和地區都非常重視教學現代化。

在國內，伴隨著互聯網、云計算、大數據和智能計算技術的興起，以及我國“三通兩平臺”工程的逐步實施，未來的教學將是數據驅動型教學，這就需要對教學模式和組織方式進行相應的變革。這種新型的教學模式需要對課件的結構和生成方式進行變革。現有的精品課程、開放課程、網絡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展。

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

本文提出的結構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、語音腳本和教學內容展示等三個部分有機融合而成，可以快速更新課件的內容和呈現形式；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。為實現結構化課件，本文對結構化課件自動生成系統進行了方案設計。該系統主要功能是教師自己制作教學課件，根據教學課件的內容需求在系統的腳本區輸入教師授課時的語言表述內容，該內容是虛擬教師發音的材料，再結合虛擬教師相應的動作、表情、音色等內容，通過發布功能自動生成出虛擬教師講授課程內容的視頻課件，而且能夠快速更新視頻課件的內容。

2　課件生成系統的研究現狀

我國課件生成系統的研究比較早，第一套多媒體課件生成系統是南昌大學開發的多媒體課件模板套用系統［4］，主要是在多媒體課件系統中存儲一些教學設計的通用模板，編輯課件的教師再根據模板的需求導入相對應的多媒體素材，生成多媒體課件的一種課件制作系統。方正奧思也是一款比較成熟的課件生成系統，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。天柏課件制作系統企業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的研究也比較深入，其中比較有代表性的課件生成系統主要有三個：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公司發布的，是目前功能強大、最簡單的高互動課件開發軟件。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。

從課件生成系統的現狀，可以看出國內外設計的課件生成系統主要呈現的特點包括：

*項目來源：中央高校基本科研業務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計；吳振強，陜西師范大學（710119）。

1）在課件生成系統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課件的難度和開發時間；

2）課件生成系統實現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備和聲音采集設備，再進行編輯合成；

4）課件生成系統比較注重課件標準的應用，主要是SCORM和AICC標準。

通過對課件生成系統的分析，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開發中存在一些不足：1）現存的課件生成系統制作的課件樣式比較單一；2）系統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，個別系統有現實教師的形象，但是教師動作單一，形象模糊。

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

依據上述研究，本文提出一種如圖1所示的新型結構化課件結構。這種新型的課件由教學內容展示、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。

教學展示內容形式可以是多樣化呈現，如多版本的PPT、Word、網頁、圖片等。

虛擬教師是通過計算機三維技術設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容。同時，課件編輯者可以設定虛擬教師的形象、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容。

語音腳本是教師根據教學內容需要確定的腳本文字，它通過TTS語音合成技術轉化為虛擬教師的發音。教師可以利用語音合成把教學內容以文字的形式生成到腳本區中，也可以通過鍵盤輸入。

教師首先制作教學課件，根據教學課件的內容需求在腳本區輸入授課內容，然后把腳本區的授課內容作為虛擬教師發音的材料，再結合相應的動作、表情、音色等內容，通過發布功能自動生成由虛擬教師講授課程內容的視頻課件。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。

為了實現這種類型的課件，下面從教育軟件工程的角度對結構化課件自動生成系統進行了設計。本系統主要實現以下功能：

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

多元智能理論強調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《智力的結構：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、數理智能、節奏智能、運動智能、空間智能、人際交往智能、自然觀察智能、內省智能、存在智能［9］。本系統設計的各種微視頻可以在教學內容的設計中注重培養學習者的觀察智能，在制作課件的過程中可以給課件中添加背景音樂，培養學習者的音樂節奏智能等。

圖1　結構化課件的組成

圖2　系統的總體架構

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）或教學環節（如學習活動、主題、實驗、任務等）而設計開發的一種情境化、支持多種學習方式的新型在線網絡視頻課程”［10］。在本系統中會提供有關微課的教學設計，如移情移物、問題聚焦等微課教學設計模式非常適合微課程教學的教學設計模板。

虛擬教師理論主要強調通過計算機三維技術構建形象逼真、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實體［12］。在本系統中，編輯課件的教師不僅可以選擇虛擬教師的形象，而且可以設置虛擬教師的聲音、動作、表情等內容，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，結構化課件系統還借鑒了建構主義學習理論、虛擬教學環境理論和視頻課件理論等相關理論。其中虛擬教學環境理論強調計算機技術和虛擬現實技術結合，可以創設適合學習者自主探究和相互協作的教學環境，與傳統的教學環境相比顯示出較明顯的優勢。因此，基于計算機的虛擬教學環境應是一種開放、動態、互動的教學環境，可以在時間和空間上突破物理教學環境的限制。

4　結構化課件自動生成系統的設計與開發

系統架構設計 用教育軟件來實現結構化課件是一種非常方便的課件系統設計方式。本文提出的結構化課件自動生成系統的設計如圖2所示。系統總體分為三個部分：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、網頁或Word等形式展示教學內容的載體。本系統中會存儲專業化的PPT教學模板，主要由封面、授課目錄、過渡、正文和結尾等組成；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，系統會進入具有教學內容版式的頁面，這個版式就如同在PPT中各種素材在頁面上的布局樣式。在此系統中，板式就是虛擬教師和教學內容展示的布局樣式。在教學內容展示區可以插入、新建或選擇模板中的PPT。課件制作者根據每一頁PPT的內容，確定并在腳本區輸入或修改講授語言，也可以通過語音識別，把教師的語音轉換為文字，自動生成到語音腳本區。

課件制作者根據教學內容的展示效果選擇虛擬教師的形象，再配合相應的表情、動作、音調、音色等對虛擬教師進行編輯與調整。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，并預覽當前頁虛擬教師講授教學內容的效果。當課件制作者把教學內容每一頁都設置完成后，就可以通過發布直接生成視頻形式的課件內容。

選擇錄屏模式是教師想錄制自己邊講解邊操作教學內容的過程。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。

系統模塊設計 為方便軟件開發，下面把系統分為主要模塊和輔助模塊。系統的主要模塊包括：虛擬教師編輯模塊、語音腳本模塊、教學內容展示模塊、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生較大影響，虛擬教師形象要模擬真實教師的形象進行設計［13］，同時虛擬教師還會通過TTS技術實現自動發音效果；在本系統中將預先設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的文字，利用一些特定的標記設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發音技術轉化為虛擬教師的發音。在這個模塊中，教師可以把自己的語音轉化為模塊中的文字，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。

教學內容展示模塊是本系統的一個基本模塊，其主要功能是給學習者呈現教學內容，可以展示的媒體對象包括PPT、網頁、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素材的編輯需求，同時可以降低操作的復雜度，提高教學效率［14］。

視頻錄制模塊是系統為了兼顧課件制作者原來錄制視頻課件的習慣而設置的模塊。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，系統啟動模塊主要是系統初始化時需要執行的驅動程序和界面；界面模塊主要設定課件系統功能的總體布局；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之后，導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、虛擬教師的設計、腳本語言的編輯和同步的設置。

3）對制作的課件進行預覽。在預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整。

4）視頻課件的生成。通過修改和預覽之后，就進入課件的生成環節。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容和格式進行更新使用的。

圖3　結構化課件自動生成系統的操作流程圖

5）可以及時對課件進行更新。

5　結語

隨著信息技術與教學的不斷深入融合，未來的教學將會從物理空間轉換到網絡空間，這就需要對教學場景和形式進行相應的變革，而現在的教學課件難以適應未來的數據驅動教學、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，提出結構化課件系統的概念。課件主要由虛擬教師、語音腳本和教學內容展示組成。并且從理論基礎、系統架構、功能設計和實現流程等方面對結構化課件自動生成系統方案進行設計。當然，目前的課件生成系統還處于原型探索階段，未來將進一步完善系統的功能，加強虛擬教師與學習者交互式研究和系統實現效果的實證研究等。■

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