ИНТЕРАКТИВНЫЙ УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКС
INTERACTIVE LEARNING COMPLEX

Изобретение относится к автоматизированным средствам обучения, предназначено для управления графическим интерфейсом пользователя и может быть широко использовано для создания интерактивных систем и комплексов для группового или индивидуального обучения детей или подготовки специалистов в любой области.
В современных компьютерных операционных системах и пользовательских программах основным инструментом управления графическим интерфейсом пользователя является манипулятор «мышь», преобразующий перемещения манипулятора на плоскости в перемещения курсора на экране, также содержащий дополнительные элементы управления (кнопки, колеса прокрутки и т.п.), действие которых обычно связывается с текущим положением курсора.
Вместе с тем, в некоторых системах область применения мыши ограничена. Это относится к демонстрационным и обучающим системам, в которых используется экран большого размера. В этих случаях для управления графическим интерфейсом используется «интерактивная доска», которая позволяет демонстратору или преподавателю управлять графическим интерфейсом, взаимодействуя непосредственно с экраном. Комплект интерактивной доски включает компьютер и проектор. Проектор отображает изображение с компьютера на поверхность доски, а пользователь управляет графическим интерфейсом, прикасаясь к поверхности доски стилусом, маркером или просто пальцем (далее, указателем) (Фиг.5).
Существующие технологии интерактивных досок делят их на активные и пассивные. Активную электронную доску необходимо подключить к источнику питания и к компьютеру с помощью проводов. Пассивная электронная доска не содержит в своей поверхности никаких датчиков и не нуждается в подключении. Предлагаемый способ описывает пассивную интерактивную доску. Существующие технологии производства пассивных досок: ультразвуковая; микроточечная, лазерная и оптическая - характеризуются наличием графического планшета и высокой ценой.
Существующие инфракрасные интерактивные доски, например Smart Board, использующие запатентованную технологию DViT (Digital Vision Touch) применяют метод триангуляции указателя в плоскости экрана.
Известна продукция компании WiSeNet Lab с фирменным наименованием «Умный мел» (Smart Chalk), использующая стандартную web-камеру и лазерный указатель.
Отличительными особенностями интерактивных досок является высокая цена и сложности осуществления способа взаимодействия графического интерфейса пользователя с действиями мышью. При работе с интерактивной доской пользователь работает в методике графического планшета, когда позиционирование определяется физическим местоположением указателя (без связи с курсором на экране), а прикосновение указателя к экрану интерпретируется, как нажатие клавиши. Это создает определенные затруднения для понимания аудитории с обучаемыми связи между действиями преподавателя с одним типом манипулятора (графический планшет) и используемым ими другим типом манипулятора (мышь). Кроме того, ряд функций современного графического интерфейса, связанных с фиксацией местоположения указателя мыши (выпадающие окна, контекстные подсказки и т.п.), становится недоступным для демонстрации на интерактивной доске.
Известна «Интерактивная автоматизированная система обучения», содержащая по крайней мере, один проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса, поддерживающего в режиме диалога автоматизированные циклы обучения и контроля знаний обучающихся, информационные входы и выходы которого соединены со всеми элементами системы, при этом проблемно-ориентированный программно-технический комплекс на базе интеллектуального интерфейса выполнен в виде модуля вычислительной системы управления процессом обучения, снабженного программным обеспечением системы, а система дополнительно снабжена, по меньшей мере, тремя функциональными модулями: модулем группового обучения, модулем индивидуального обучения и модулем процедурного тренажера, причем все модули системы выполнены автономными и соединены между собой коммуникационными связями и своими информационными входами и выходами, при этом модуль вычислительной системы управления процессом обучения снабжен электронными блоками: обучающим блоком, техническим блоком, ремонтным блоком, блоком электронной документации, контрольным блоком, блоком режимов, управляющим блоком, блоком тестирования и коммутационным блоком, каждый из которых имеет свои информационные выходы.
Патент РФ №2271040, МПК: G09B 9/00, G09B 19/00 д. публ. 2010.07.20.
Также известен «Аппаратно-программный учебный комплекс», содержащий основной сервер, выполненный с возможностью управлять работой аппаратно-программного учебного комплекса; источник бесперебойного питания, предназначенный для питания основного сервера; группу интерактивных учебных кабинетов, каждый из которых оснащен компьютером преподавателя; интерактивной доской, подключенной к компьютеру преподавателя, мультимедийным проектором, также подключенным к компьютеру преподавателя и предназначенным для проецирования мультимедийных данных на интерактивную доску; по меньшей мере одним планшетом преподавателя, причем каждый из этих планшетов преподавателя подключен к интерактивной доске; группой пультов тестирования обучаемых, подключенных каждый к интерактивной доске, при этом в памяти компьютера преподавателя хранятся операционная система и по меньшей мере программное обеспечение для работы интерактивной доски во взаимодействии с планшетом преподавателя и пультами тестирования обучаемых; сетевое оборудование комплекса, подключенное к основному серверу и выполненное с возможностью объединять локальной сетью комплекса по меньшей мере компьютеры преподавателя всех интерактивных учебных кабинетов.
Патент РФ №70394, МПК: G09B 5/00, д. публ. 2008.01.20.
Известно «Устройство для демонстрации учебных мультимедийных материалов», содержащее расположенные в аудитории видеопроектор, проекционный экран, интерактивную трибуну с размещенными в ней персональным компьютером, источником бесперебойного питания и контроллером управления освещением и шторами затемнения, при этом интерактивная трибуна снабжена защитной крышкой с фиксатором, закрепленной посредством шарнирных S-образных петель, обеспечивающих вращение на угол 280…300, и датчиком перемещения, подключенным к контролеру управления.
Патент на полезную модель №96264, МПК: G03B 21/00; д. публ. 2010.07.20.
Наиболее близким аналогом к предложенному техническому решению является «Интерактивный учебный кабинет», включающий в себя компьютер преподавателя, интерактивную доску, подключенную к компьютеру преподавателя, мультимедийный проектор, подключенный к компьютеру преподавателя и предназначенный для проектирования мультимедийных данных на интерактивную доску, по меньшей мере один планшет преподавателя, причем каждый из этих планшетов преподавателя подключен к интерактивной доске, группу пультов тестирования обучаемых, подключенных каждый к интерактивной доске, при этом в памяти компьютера преподавателя хранится операционная система и программное обеспечение для работы интерактивной доски во взаимодействии с планшетом преподавателя и пультами тестирования обучаемых.
Патент на полезную модель №68162, МПК: G09B 5/00; д. публ. 2007.11.10.
Все рассмотренные аналоги отличаются тем, что аппаратное обеспечение не позволяет индицировать графическим интерфейсом пользователя перемещение курсора на проекционном экране (интерактивной доске).
К техническому результату относится расширение взаимодействия между преподавателем и учениками путем использования проекционного экрана и инфракрасного конусного излучателя, пятно излучения которого считывает web-камера с узкополосным инфракрасным фильтром. Технический результат достигается тем, что «Интерактивный учебный комплекс» содержит компьютер преподавателя с операционной системой и программным обеспечением, имеющий средства подключения к интерактивной доске, а также мультимедийный проектор учебных материалов, подключенный к компьютеру преподавателя и предназначенный для проектирования мультимедийных данных на интерактивную доску. При этом интерактивный учебный комплекс в качестве интерактивной доски оборудован проекционным экраном, а также инфракрасным конусным излучателем, снабженным в свою очередь инфракрасным светодиодом, с помощью которого осуществляют перемещение курсора графического интерфейса на плоскости проекционного экрана в виде переменного по размерам и по интенсивности излучения пятна. Кроме того, комплекс дополнительно оборудован web-камерой с узкополосным инфракрасным фильтром, которая считывает пятно излучения конусного излучателя. При этом операционная система компьютера преподавателя с помощью программного обеспечения осуществляет управляющие операции по взаимодействию инфракрасного конусного излучателя с web-камерой и проекционным экраном.
Интерактивный учебный комплекс поясняется схемами и графиками, изображенными на фиг.1, 2, 3, 4 и 5.
Фиг.1 - общая схема интерактивного учебного комплекса;
Фиг.2. - схема конструктивного исполнения инфракрасного конусного излучателя.
Фиг.3. - график зависимости диаметра пятна от расстояния между инфракрасным конусным излучателем и экраном;
Фиг.4. - график зависимости интенсивности пятна от расстояния между инфракрасным конусным излучателем и экраном;
Фиг 5 - схема подключения известных интерактивных досок.
Общая схема интерактивного учебного комплекса (Фиг.1 и Фиг.2) содержит: компьютер преподавателя 1 с операционной системой и программным обеспечением, мультимедийный проектор 2 учебных материалов, проекционный экран 3, а также инфракрасный конусный излучатель 4 и web-камеру 5 с узкополосным инфракрасным фильтром. В свою очередь инфракрасный конусный излучатель 4 снабжен инфракрасным светодиодом 6.
Предложенное в качестве изобретения техническое решение в виде интерактивного учебного комплекса позволяет естественным и удобным для человека образом имитировать функциональность мыши на проекционном экране. В качестве указателя в комплексе использован инфракрасный конусный излучатель 4 (источник инфракрасных электромагнитных волн), действующий в невидимом спектре, излучение которого направлено на проекционный экран 3 в виде конуса. Конструктивно инфракрасный конусный излучатель 4 выполнен в виде фонарика-ручки с инфракрасным светодиодом 6 в качестве источника света (Фиг.2). В качестве сенсора используется стандартная web-камера 5 с установленным узкополосным инфракрасным фильтром, соответствующим частоте излучения инфракрасного светодиода 6, присоединяемая к компьютеру 1 по порту USB (Фиг.1). Благодаря использованию узкополосного фильтра web-камера 5 не воспринимает видимое изображение на проекционном экране 3 и видит только пятно света от инфракрасного конусного излучателя 4.
Минимальный размер пятна определяется расстоянием от инфракрасного конусного излучателя 4 до поверхности проекционного экрана 3. Кромка излучателя сделана из материала, прозрачного для инфракрасных электромагнитных волн, следовательно, глубина установки инфракрасного светодиода 6 определяется таким образом, чтобы при прикосновении излучателя 4 к проекционному экрану 3 диаметр пятна воспринимался сенсором как один-два ярких пиксела (точки на сенсоре). Так как излучение инфракрасного светодиода 6 имеет форму конуса, диаметр пятна линейно зависит от расстояния между инфракрасным конусным излучателем 4 и проекционным экраном 3 (Фиг.3), а интенсивность потока имеет обратную кубическую зависимость от расстояния между инфракрасным конусным излучателем и проекционным экраном 3 (Фиг.4). На графиках можно выделить три точки, характеризующие размер пятна, видимого камерой: А - минимальный размер пятна при максимальной интенсивности, Б - увеличенный размер пятна при относительном сохранении интенсивности, В - размер пятна, позволяющий четко отделять его от фонового излучения. Таким образом, используемый способ позволяет четко определить три уровня удаления инфракрасного конусного излучателя от экрана: расстояние между А и Б - «прикосновение», расстояние между Б и В - «указание», расстояние больше В - «невидимость». Это составляет основную отличительную особенность от способа, используемого в интерактивных досках, который имеет всего два основных состояния указателя: «прикосновение» и «невидимость».
Таким образом, в применении к работе интерактивного учебного комплекса при взаимодействии графического интерфейса с инфракрасным конусным излучателем 4 предлагается следующая парадигма взаимодействия: при приближении к экрану инфракрасного конусного излучателя 4 на расстояние 15-20 см он захватывает курсор и при перемещении вдоль плоскости проекционного экрана 3 позиционирует его; при касании экрана 3 инфракрасным конусным излучателем 4, а также при приближении на расстояние менее 0.5 см - зависит от калибровки) имитируется нажатие левой клавиши мыши. В итоге, естественным образом полностью имитируется функциональность мыши для управления графическим пользовательским интерфейсом, в том числе, и вспомогательные действия: двойное нажатие левой клавиши - двойное прикосновение, нажатие правой клавиши - задержка прикосновения и т.п. Управление строится на трехмерном позиционировании инфракрасного конусного излучателя 4 без использования дополнительных кнопок и элементов графического интерфейса, что значительно упрощает применение интерактивного учебного комплекса в процессе обучения. Использование в качестве основы сенсора типовой USB web-камеры 5 также существенно удешевляет общую стоимость интерактивного учебного комплекса.
Программное обеспечение включает в себя драйвер устройства, обеспечивающий преобразование динамических изображений, полученных от web-камеры 5, в координаты и события графического курсора компьютера 1. Кроме того, в программное обеспечение входит процедура калибровки (начальной настройки), позволяющая синхронизировать изображение на матрице сенсора web-камеры 5 с видимой областью проекционного экрана 3, задать параметры аффинного преобразования из экранных координат в матричные, определить чувствительность указателя, то есть границу между «прикосновением» и «указанием».
Следовательно, применение данного интерактивного учебного комплекса позволяет значительно расширить взаимодействие между преподавателем и учениками путем использования проекционного экрана и инфракрасного конусного излучателя, пятно излучения которого считывает web-камера с узкополосным инфракрасным фильтром.