1.本发明属于教学技术领域，涉及一种可移动穿戴式授课工具及其应用。


背景技术：

2.今天有许多问题制约着今天教育行业的发展。例如，今天课堂有众多老师不能“走下”讲台，进行课堂互动，课堂教学互动是指师生互相交流，共同探讨，互相促进的一种教学组织形式。其中制约其发展的最主要的原因就是授课工具的制约，在讲台下无法对课堂授课的 powerpoint课件内容进行修改，现阶段只能用激光笔进行简单的ppt翻页等课堂讲解，大大降低了课堂互动性。并且在现阶段，一位老师的课堂授课在面对众多学生的时候是无法做到面面俱到的，比如上课时课堂举手询问问题、课堂上学生在老师转过头在黑板上书写时讲台底下交头接耳，也就是课堂之上老师不光要集中注意力在课堂讲课上，并且还要负责课堂秩序维持、管理，并且面对一系列的问题还要进行记录汇报给班主任，这一系列的问题导致教师工作繁重且复杂，为了维持授课质量，很多情况下学生的管理是非常容易被忽视，并且高中及以前的教育对于一位同学一生的学习认知影响是非常关键的。
3.在考场的范围内，考生的情绪是影响考生考试发挥的重要内在影响因素，在学期考场工作中，许多考场内的临时安排，需要对各个教室内进行广播、或者派专门老师到考场进行通知。即便是进行手机电话通知，也会产生手机铃声，在这个信息传达过程中对于考场中的学生情绪影会产生非常大的影响，影响学生考试；在学生考场中，经常有同学会有问题请教考场老师，但举手又不能第一时间被老师察觉到，所以考生需要发出声音让老师注意，这进一步影响到考场纪律问题。并且在考试过程中，一般配有两位监考老师，老师在巡视考场的时候，难免会出现考场死角，造成考生考试作弊现象的发生，严重影响了对学生教务工作的评估和纪律问题，对于考试后期的针对性的教学也很难得到一个正确的考试结果反馈。所以如何针对教学工作中杜绝考试作弊的情况发生，让考生真正意义上避免侥幸心理，回归考试的本质更好检验考生学习能力具有重要意义中的。
4.例如当今大学校园内，心理问题调查情况十分堪忧，问题就是在离家后到达一个陌生和相对非常自由的大学校园环境内，导致一个人的心理问题无法受到家人和学校老师的有效管理，并且因为传统观念的影响，一位学生在校园内接受和主动寻求心理辅导的行为还不被广泛重视，并且现阶段即便学校每年对学生发放心理问卷调查，但是大多数情况下是学生为了不引起事端怕心中隐私暴露，所以照着正常的答案所填写，所以在这种情况下是需要一种切实有效的手段和方法在心理成长的青少年阶段介入进去，一个学生大多情况下在校园内度过，学校有先天的优势这也赋予了学校责任和义务。
5.在非常多新教师任教初期，有许多新教师对于教学中的一些细节和关键点的掌握没有多年积累就很难掌握。这就导致了年轻老师要在职业生涯的初期对教务工作不断探索，这无疑是一个非常缓慢的过程，所以培养年轻教师会花费一个学校的大量人力物力，并且对于教学质量没有十分把握，所以在教育界广泛关注并期待一种能够快速提升年轻教师教务能力的方式方法可以被提出采纳。
6.针对上述情况，本发明在经过大量课堂授课案例分析后，推出一种可移动穿戴式授课工具及应用方法。本发明更符合中国教育工作特性，在教育工作中有极大的改善提高，并且完全可以将现有的教室内设备进行改装使用，实现教学工具低成本的改造从而实现教学工作的巨大改进。


技术实现要素：

7.本发明为了提高教学质量而设计出的一种可移动穿戴式授课工具及应用方法，用于提高教学质量从而为教育工作培养出更多德才兼备的优质学生，并且提高新入职教师教学能力水平。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.本发明装置由智能书写笔和智能眼镜两大部分组成，并且配合教室内现有电子设备进行协同工作，首先在教室电脑内安装配套特定驱动，智能书写笔和智能眼镜两者各自装有内置 wifi模块，通过教室内wifi网络将数据信号连接于教室内电脑端、音响、讲台上大屏幕显示器、教室监控设备，以及学校内数据控制中心共同组成授课工具主体部分的信息交互圈，组成一套授课工具系统。
10.该授课工具移动硬件(智能书写笔和智能眼镜)中，均配有可外接有线充电接口且各自内置储能电池，利用移动充电宝即可对智能眼镜和智能书写笔进行充电，保证长时间授课。并且智能书写笔内并配置有充电线圈，可插入进配备的充电基座进行无线充电。如图6所示
11.本发明智能书写笔，其包括a(2)，b(3)，c(4)，d(5)，e(6)五个按键；内置充电电池，可通过外部充电接口(18)进行充电；顶端设置激光灯(1)；内置wifi模块，可实现通过wifi信号对电脑进行远程操作，可以与教室内的计算机和智能眼镜进行连接，并且可以通过wifi信号控制计算机的使用。具有：电脑界面模式，打开虚拟黑板模式，授课模式以及监考模式四种模式。所述激光灯(1)，可以完成上课时，在远距离对讲台上的实体屏幕和黑板进行照射，吸引同学注意力达到配合教师讲课的目的。
12.本发明智能眼镜，其包括智能眼镜眼镜架(14)前置处理器(10)；摄像头(11)；棱镜(12)中可以显现出“模拟黑板”；并且可自由进行更换镜片(13)，适应于近视、远视人群佩戴；内置wifi模块，通过wifi信号与智能书写笔、教室内计算机等连接。
13.智能眼镜眼镜腿(9)靠近耳朵位置利用扭力弹簧(16)设置有骨传导麦克风(8)、声波传声器(7)、内置电池、内部埋设电子元件电路，后置外部充电口(18)。
14.眼镜腿(9)末端接麦克风支架(19)连成一体，麦克风支架(19)末端内侧设置骨传导传声器(17)接收声带振动声源；外侧设置声波传声器(7)接收自然声源声源，组成多维声源数据，由处理器(10)经wifi信号传输到教室内计算机进行声波处理，将处理后的声音信号传输到教室内音响设备。
15.麦克风支架(19)由弹性记忆材料构成，使得麦克风支架(19)绕过耳骨，麦克风支架 (19)末端可以自由调节紧贴脖颈，利用支架与人体颈部之间的摩擦力来均衡眼镜的整体重力，使之重心后移，减少眼镜对人体面部的压迫感提高佩戴者的舒适度；内部埋设电子元件电路。
16.智能眼镜中设置有微型投影仪，特征如图7所示，是将画面从投影仪中射出，投影
出来的光经过这条光路的不断反射传播，最后在棱镜上形成像，然后再反射进人眼。人眼就可以看见智能眼镜中所述的各个模式下的特定画面了。
17.1.通过wifi信号传递虚拟黑板的画面
18.硬件部分包括智能书写笔和智能眼镜；智能眼镜中的微型投影仪将特定教学需要画面投射在眼镜棱镜(12)上，可根据智能书写笔调节不同教学模式，棱镜中显示不同的模式画面，棱镜(12)中的虚拟黑板可配合智能书写笔进行教学书写工作，其中智能书写笔在开启虚拟黑板时，智能黑板出现在棱镜中(也就是使用者的面前)，此时使用者移动智能书写笔到虚拟黑板范围内时，笔尖会成为智能黑板范围内的光标，按动特定按键后可以在虚拟黑板上留有相应笔画痕迹，同时将书写内容通过wifi信号传递到教室内计算机，最终在教室内显示屏上呈现出虚拟黑板上书写的内容；
19.2.图像识别和处理：
20.在授课中棱镜(12)中的画面还同时显示课堂内学生的状态。本发明通过图像识别技术，对教室内监控视频进行人脸识别，配合特定模式要求，对教室内同学行为进行识别区分，将识别信息经wifi信号传输到处理器(10)，将摄像头(11)所摄取的图像对被识别区域进行特定渲染处理，呈现在棱镜(12)画面之中。
21.从总控制台获取的监控画面识别同学举手、长时间不看黑板、交头接耳以及其他课堂不允许等动作，此时经过处理后的特定画面中被识别出的同学所在画面区域会被标出红色，画面传递到教室计算机中再经过wifi信号传递到智能眼镜中，棱镜(12)中会显示出此画面；同时眼镜腿(9)下的骨传导耳机(8)会通知老师进行课堂管理，并且此声音只能老师听到不影响课堂纪律，而且不影响老师听到教室内其他环境声音。同样原理适应于考试模式中对考场内秩序的管理，对人像的动作识别后对监考老师通过骨传导耳机(8)进行通知。
22.3.建立个人信息库
23.对于教室内图像处理中，还会根据学生平时的课堂表现，建立个人信息库：信息库为每个学生在回答问题时的正确率和准确率，其中正确率和准确率为教师进行点评，点评结果存储在学校的图文中心的电脑主机中，根据人类的“遗忘曲线”，主机程序根据时间节点通知教室内的代课教师对学生进行检查，并设定与之对应的抽查检查学生对错误问题的机制，对学生的学习情况进行摸排，进而还可以对教学质量进行提升，防止因为学生自觉性较差或者授课教师的遗忘而造成学生对以往知识点的忽略。在上课时对特定学生展开各个知识点的针对性提问和检查。在数据库中对于各个班级中学生人脸识别后，经心理专家对每个学生的情绪变化进行分析，提取每个学生的脸部特征对应此学生的心理状态(喜怒哀乐)，并不断对每个学生的脸部特征进行提取，并在后期不断完善类别特征。并且在后期得到学生图像后，对学生的脸部特性进行分类，根据历史数据得到图像中学生的心理状态。经过大量个体样本数据可主动分析每个学生特定的心理健康，与学校心理辅导老师建立参考信息资料，对每一位学生针对性展开心理辅导。可有效提高学生的学习效率以及心理健康发展。
24.4.课程录制
25.智能眼镜配置有摄像头(11)、骨传导麦克风(17)和声波传声器(7)同时对授课画面和声音进行录制，可将每节课上课配有声音的画面进行录制传递到控制台进行备份，有
助于课堂有秩有序开展课堂工作，对于教学事故可有备案可查。录制信息存储于总控制台(也就是学校图文中心的电脑主机内)。
26.5.多维声音去噪
27.对于教室经常上课时，麦克风出现杂音，本智能眼镜配有骨传导和声波传导两种声音信号，麦克风支架(19)将两个骨传达传声器(17)绕过耳骨经脖颈到声带部位，对人体声音震动信号最强烈的部位进行声波采集；声波传感器(7)位于麦克风支架(19)末端外侧，采集人体发出的声音信号；组成多维声源数据，经处理器(10)利用稳定的教室内wifi传递到教室内电脑计算机对声源信号进行滤波降噪后合成输出标准声音信号，再将处理后的声音信号再传递到教室内音响设备，可最大程度还原授课教师的真实原声，提高授课质量。
28.6.联机授课
29.本发明针对年轻没有经验的老师，棱镜(12)与主控制台画面实时传递，配合骨传导耳机(8)进行声音传递，可与有经验的教师实现联机授课，年轻老师边上课边被老教师指导，对年轻教师的教学经验实现快速培养。
30.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.一、本发明利用通过wifi信号传递虚拟黑板的画面，可大大增加教师的教室内的活动范围的同时保证教学质量。
32.二、本发明利用图像处理技术和智能硬件配合授课过程，可大大增加师生互动效率与教室内学生管理效率，提高教学质量。
33.三、本发明利用图像处理技术针对每个学生建立个人数据库，对特定章节学生的表现经过算法计算出学生的学习程度，把结果反馈给老师，老师根据特定情况针对性的讲解和授课，可大大增加师生互动效率，并且根据个人信息库的数据对比，分析学生心理健康状态，对学生进行针对性的心理辅导，从而调高教学质量，保护同学心理健康。
34.四、本发明利用wifi信号传递技术针对年轻教师，可实现与控制台实时联机，控制台内的有经验教师对授课内容实现及时反馈，由骨传导耳机传递声音信号不影响教师正常听觉同时，不影响授课过程，实现对年轻教师的快速培养。并且借麦克风支架的自重和支架与人体颈部的摩擦力，对整个眼镜架的重心往后移，减少鼻梁压迫感，让眼镜佩戴更为舒适。
35.本发明中麦克风支架结构是现有技术未公开的，可以通过支架对颈部的摩擦力抵消眼镜对鼻梁的压迫感。提高佩戴者的舒适度。
附图说明
36.图1是本发明工具使用概念图。
37.图2是本发明智能书写笔的结构示意图。
38.图3是本发明智能眼镜的结构示意图。
39.图4是本发明智能眼镜中骨传导耳机结构的正视图和左视图。
40.图5是本发明智能眼镜中麦克风支架末端内外两侧视图.
41.图6是本发明智能书写笔的无线充电原理图.
42.图7是本发明棱镜原理图.
43.图中标记说明：
44.其中：1、激光灯；2、a键；3、b键；4、c键；5、d键；6、e键；7、声波传声器；8、骨传导耳机、9、眼镜腿；10、处理器；11、摄像头；12、棱镜；13、眼镜片；14、眼镜架； 15、外部充电接口；16、扭力弹簧；17、骨传导传声器；18、外部充电接口；19、麦克风支架；20、充电线圈；21、智能书写笔充电基座；22、充电线圈。
具体实施方式
45.结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
46.本发明应用在授课、考试监考等教学工作中，包括：用以控制电脑的智能书写笔和用以进行课堂人机交互作用的智能眼镜组成。授课工具可通过wifi信号连接教室内电脑设备，可实现对现有教学硬件进行升级改造。与现有的课堂授课工具相比，本发明具有：信号传递稳定、人机交互能力强、大幅度提高教学环境下，学生心理健康；大幅度提高教学环境以及大幅度提高教师授课效率等优点。
47.本发明应用在授课、考试监考等教学工作中，主体部分包括：智能书写笔(图2所示) 和智能眼镜组成(图3所示)，并且联接教室内电脑、音响、讲台上大屏幕显示器、监控摄像以及学校内控制台(图文信息中心)共同组成授课工具主体部分的整个信息交互圈，及应用方法的实施。
48.智能书写笔内置充电电池，顶端设置激光灯；内置wifi模块，通过wifi信号与教室内的计算机和智能眼镜进行连接，并且可以通过wifi信号控制计算机的使用。如图2所示。
49.智能眼镜，眼镜腿(9)内置电池；眼镜腿(9)末端接麦克风支架(19)连成一体；眼镜腿(9)靠近耳朵位置利用扭力弹簧(16)设置骨传导耳机(8)。并且镜腿内部埋设电子元件电路。后置外部充电口(18)。如图3所示。
50.麦克风支架(19)，末端内侧设置骨传导传声器(17)接收声带振动声源；外侧设置声波传声器(7)接收自然声源声源，组成多维声源数据由处理器(10)经wifi信号传输到教室内计算机进行声波处理，将处理后的声音信号传输到教室内音响设备。并且麦克风支架(19) 由弹性记忆材料构成，使得麦克风支架(19)绕过耳骨，支架末端可以自由调节紧贴脖颈。且麦克风支架内部埋设电子元件电路。如图3所示。
51.智能眼镜，眼镜架(14)内置wifi模块，通过wifi信号与智能书写笔、教室内计算机连接。前置处理器(10)、摄像头(11)、棱镜(12)；且镜片(13)可自由进行替换。
52.智能眼镜眼镜腿(9)末端接麦克风支架(19)连成一体，接麦克风支架的自重和支架与人体颈部的摩擦力，对整个眼镜架(14)的重心往后移，减少鼻梁压迫感，让眼镜佩戴更为舒适。并且本镜架可自由更换镜片，适应于近视、远视人群佩戴。
53.本发明的应用方法：利用图像处理技术，对教室内监控视频进行人脸识别，配合特定模式要求，对教室内同学脸部特征和肢体行为进行识别区分，将识别信息经wifi信号传输到处理器(10)，将摄像头(11)所摄取的图像对被识别区域进行特定渲染处理，呈现在棱镜(12) 画面之中，以及对教室内计算机屏幕进行操控。亦可将教室外的画面进行录像或者直播将声音和画面传递到教室内的代课教师，对教室的技能等教学工作进行培养或者进行私密信息通知。
54.实施例
55.如图2、图3所示，在图2关于智能书写笔，和智能眼镜两者各自内置有wifi模块，在教室内电脑设备中安装本发明配套的驱动，则可利用教室内的wifi信号连接教室内的电脑设备，同时与学校内控制台、教室内的摄像头、音响、讲台大屏幕等设备共同组成一套授课工具系统。
56.智能书写笔中激光灯(1)可以完成上课时，在远距离对讲台上的实体屏幕和黑板进行照射，吸引同学注意力达到配合教师讲课的目的。智能书写笔内部设置电池，可通过外部充电接口(18)进行充电。其中智能书写笔表面有5个按键分别是a，b，c，d，e。
57.其中a键(2)起到：1、在电脑界面模式下，起到鼠标中的左键也就是前进键的作用；2、在打开虚拟黑板模式下，按住不动则可以起到书写的作用；3、在监考模式下，可以移动摄像头的方向。授课模式：起到鼠标中的左键也就是前进键的作用；
58.其中b键(3)起到：1、在电脑界面模式下，起到鼠标中的右键也就是后退键的作用；2、在打开虚拟黑板模式下，放大虚拟黑板的特定部分的作用；3、在监考模式下，起到放大摄像画面的作用。授课模式：起到鼠标中的右键也就是后退键的作用；
59.其中c键(4)起到：1、在电脑界面模式下，按住不动可以移动虚拟电脑界面中的鼠标。 2、在打开虚拟黑板模式下，缩小虚拟黑板的特定部分的作用；3、在监考模式下，起到缩小摄像画面的作用。授课模式：按住不动可以将每个学生的以往课堂学习情况的评分投射在棱镜内，方便教师针对每个学生的以往表现进行特定提问。
60.其中d键(5)起到模式切换的作用，分别有：电脑界面模式；虚拟黑板模式；监考模式；授课模式；
61.其中e键(6)起到打开激光灯的作用。
62.四种不同模式的应用：
63.1.授课模式：本发明配合图像处理技术，对教室内的监控画面进行人脸识别，对教室内每位同学建立信息库，提取个人脸部特征，在授课过程中的同学表现进行归类，得出每位同学上课时的动作表情，分析每位同学的上课状态。在上课过程中，根据每位同学的上课状态，对授课老师进行提醒，将授课老师的注意力放入上课不在状态的同学，及时防止上课走神、交头接耳等行为，这样授课老师也不用将精力放在注意每位台下同学状态上，专心授课的同时，还可以有针对性的提醒同学上课，既可以保证授课质量还可以关心各位同学的上课状态，最大限度保证同学的听课质量。并且在智能书写笔的d键(5)切换模式的时候，按住d键不放会在智能眼镜的棱镜(12)中会显示d键在棱镜中的光标位置，当松开d键是，会以光标在棱镜中的位置为起点展开一个与教室内电脑一样的虚拟电脑界面或在虚拟黑板模式下是一个虚拟黑板。所以在这两种模式下，教室可以在教室内或者在授课场所内的任何角落能连接到wifi信号的地方，完成电脑中的ppt换页、台下就可对ppt内容做修改。还可以切换到虚拟黑板模式，在台下就可以书写教师需要书写的内容，极大增强了课堂的互动性。由于在本装置可以通过教室内的监控设备获取个人面部特征，并建立个人信息库，所以可以应用于个体心理分析，在这个过程中班主任和学校中的心理教师，可以通过大量样本数据及时了解分析学生状态，及时介入对学生开展心理辅导工作，在培养学生人格的形成与辅导过程中有据可依。
64.2.监考模式：1、在d键(5)切换到监考模式的时候，本发明设备连接教室内的电脑
发出信号到学校内的控制台，进而可以教师可以利用a键(2)移动教室内的摄像头，通过b键 (3)c键(4)来放大和缩小监控的画面，更有利于监考。在监考过程中，本发明配合图像处理技术，对教室内的监控画面进行人脸识别，对摇头晃脑、前顾后看、举手等考场内多发性动作进行识别，通过智能眼镜的骨传导耳机(8)对监考老师进行提醒，其中被教室内电脑进行图像识别后会发出信号传递到处理器(11)，则智能眼镜上的摄像头(11)中传导到棱镜(12)中的画面会被处理器(11)处理，教室内所对应的同学位置，在棱镜中显示的画面会被渲染成红色，更有利于老师进行识别。2、并且在考场内有特殊安排的时候需要下发到特定考场进行通知，这就可以通过控制台发送信息到智能眼镜，其中骨传导耳机8既不会影响监考老师的听觉同时保证声音信号只能由监考老师获取。本发明最大限度保证了考场内秩序和考生举手询问时不必要的骚动。其中骨传导耳机(8)在连接眼镜腿(9)的使用扭力弹簧 (16)进行链接，保证骨传导耳机8可适应不同脸宽的人员使用。如图4所示。
65.3.虚拟黑板模式
66.其中虚拟黑板模式，是使用者可以在智能数学比的配合下，直接在使用者的棱镜中投射出一个虚拟书写板，其中眼睛上的摄像头可以对智能数学笔的笔尖进行图像捕捉，当笔尖移动到虚拟黑板界面内的时候，会出现与笔尖相同步的光标，使用者可以在智能书写笔的配合下，移动光标，也可以按动智能数学笔上相应按键，使光标在虚拟黑板上留有书写痕迹，其中虚拟黑板上的内容可以经过wifi信号传递到教室内计算机上，进而投屏在教室内的大屏幕上。
67.4.电脑界面模式
68.电脑界面模式，就是使用者选择电脑界面模式的时候，可以直接将教室内电脑屏幕的内容投射到智能眼镜的棱镜内，其中眼睛上的摄像头可以对智能数学笔的笔尖进行图像捕捉，当笔尖移动到电脑屏幕的界面内的时候，智能书写笔可以操控教室内计算机界面内的光标(此时智能书写笔相当计算机的鼠标)，进而可以实现教室内远程控制电脑计算机，实现台下对 ppt等文件的修改。
69.在本发明中，麦克风分为：骨传导传声器(17)和声波传声器(7)，其中骨传导传声器 (17)位于麦克风支架(19)末端内侧，声波传声器(7)位于麦克风支架(19)末端外侧。如图5所示。所以本发明针对教师讲话声音小普遍反映教室内使用的扬声器声音音量不足、噪声杂乱等影响上课因素提出多维声音信号去噪方法，麦克风支架(19)将两个骨传达传声器(17)绕过耳骨经脖颈到声带部位，对人体声音震动信号最强烈的部位进行声波采集；第二是声波传感器(7)位于麦克风支架(19)末端外侧，采集人体发出的声音信号；所以通过多维声音信号的采集经处理器(10)利用稳定的教室内wifi信号传输到教室电脑端，利用教室内电脑对声源信号进行信号的去噪以及信号合成，再将处理后的声音信号再传递到教室内的音响设备，可大大提高教室内的授课声音质量。其中眼镜腿(9)末端接麦克风支架(19) 连成一体，接麦克风支架的自重和支架与人体颈部的摩擦力，又对整个眼镜架(14)的重心往后移，尽量靠近耳朵部位，减少鼻梁压迫感，让眼镜佩戴更为舒适。并且本镜架可自由更换镜片，适应于近视、远视人群佩戴。
70.本发明所涉及的摄像头(11)配合传声器可实时采集教师上课内容，实时传输到控制台进行保存，对于教师的资料备案和课后回顾有重要意义。并且可根据本发明硬件设置，用于新教师的培训工作，可根据智能眼镜传输到控制台的画面声音对教室内教师的授课进
行实时指导，并且声音是由骨传导耳机(8)进行声音传递，棱镜(12)可传递控制台内的实时画面，所以对于年轻教师培养具有良好效果。
71.本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。