CN107274730B - 中小学生科学教育的全息虚拟教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适合于中小学生科学教育的全息虚拟教学系统。所述中小学生科学教育的全息虚拟教学系统包括：围壁；前置讲台，所述前置讲台上设有第一全息投影设备；实验展示平台，所述实验展示平台上设有第二全息投影设备；中心讲台，所述中心讲台上设有第三全息投影设备；第一滑轨；第二滑轨；延伸滑轨；多个智能椅组件，所述智能椅组件包括底盘、坐椅及智能传感器；VR头盔；第一隔板；第二隔板；多个第一路障小车；多个第二路障小车，所述第一路障小车、所述第二路障小车及所述围壁围绕形成多个室外学习区间；多个飞行传感器；发射平台。本发明提供的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统能够同时进行室内教学与室外教学，并提高学习者体验。

Description

中小学生科学教育的全息虚拟教学系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种适合于中小学生科学教育的全息虚拟教学系统。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)，又译为临境，灵境等，从应用上它是一种综合了计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术、3D显示技术及仿真技术等多种科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术，也是信息学、计算机人工智能、力学、数学、光学、运动学等各种学科的综合应用。虚拟现实的特点在于以模仿的方式为用户创造一种虚拟的环境，使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉，并与虚拟环境相互作用从而引起虚拟环境的实时变化。

现有技术中，存在基于VR技术的教学设备，该种设备限于室内教学，并没有考虑应用于室外教学，而且，该种设备对于学习者的肢体动作及所处的位置缺乏准确的测量，使得学习者的体验度不高。

因此，有必要提供一种新的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统解决上述技术问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种适合于中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，旨在解决未考虑室外教学且学习者体验度不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统包括：围壁，所述围壁围绕形成室内学习区间，所述围壁上形成有入口及出口；前置讲台，所述前置讲台设于所述室内学习区间，所述前置讲台上设有第一全息投影设备；实验展示平台，所述实验展示平台设于所述室内学习区间，且与所述前置讲台相对设于所述室内学习区间的两端，所述实验展示平台上设有第二全息投影设备；中心讲台，所述中心讲台设于所述室内学习区间的中心，所述中心讲台上设有第三全息投影设备；第一滑轨，所述第一滑轨围绕所述中心讲台设置；第二滑轨，所述第二滑轨围绕所述第一滑轨设置；延伸滑轨，所述延伸滑轨连接所述第二滑轨及所述围壁，且朝向所述实验展示平台设置；多个智能椅组件，所述智能椅组件包括底盘、坐椅及智能传感器，所述底盘设于所述第一滑轨和/或所述第二滑轨，且所述底盘能够沿所述第一滑轨的延伸方向运动或者沿所述第二滑轨的延伸方向运动并进入所述延伸滑轨，所述坐椅与所述底盘转动连接，且所述坐椅能够转动朝向所述前置讲台或实验展示平台或所述中心讲台，所述智能传感器设于所述坐椅，所述智能传感器用于检测位于所述坐椅的学习者的肢体运动；VR头盔，所述VR头盔与所述智能传感器通信连接；第一隔板，所述第一隔板与所述围壁连接，所述第一隔板与所述围壁围绕形成教师备课区；第二隔板，所述第二隔板与所述围壁连接，所述第二隔板与所述围壁围绕形成学习者休息区；多个第一路障小车，所述第一路障小车围绕所述围壁设置；多个第二路障小车，所述第二路障小车设于所述第一路障小车与所述围壁之间，所述第一路障小车、所述第二路障小车及所述围壁围绕形成多个室外学习区间；多个飞行传感器，所述飞行传感器悬设于所述室外学习区间的上方，所述飞行传感器与所述VR头盔通信连接，并用于监测佩戴有所述VR头盔的所述学习者的位置；发射平台，所述发射平台设于所述围壁，所述发射平台用于发射所述第一路障小车、所述第二路障小车及所述飞行传感器。

优选地，所述中心讲台上形成有通道口，所述通道口通过地下通道与所述教师备课区连通。

优选地，所述围壁、所述第一隔板及所述第二隔板均能够伸缩以调整高度。

优选地，所述实验展示平台的数量为两个，两个所述实验展示平台、所述第一隔板及所述第二隔板围绕所述中心讲台设置。

优选地，所述第二滑轨包括第一实验段与第二实验段，所述延伸滑轨包括第一延伸滑轨及第二延伸滑轨，所述第一实验段朝向一个所述实验展示平台设置，所述第二实验段朝向另一个所述实验展示平台设置，所述第一延伸滑轨连接所述第一实验段及所述围壁，所述第二延伸滑轨连接所述第二实验段及所述围壁。

优选地，所述第一延伸滑轨与所述第一实验段成弧形结构，所述第二延伸滑轨与所述第二实验段成弧形结构。

优选地，所述第一路障小车和所述第二路障小车均包括车体、轮组及报警器，所述轮组与所述报警器相对设于所述车体的两端，所述报警器用于在所述学习者靠近所述车体时发出警报声。

优选地，所述发射平台的数量为四个，四个所述发射平台围绕设于所述围壁。

优选地，所述发射平台包括起降平台及发射口，所述起降平台用于发射或停降所述飞行传感器，所述发射口用于发射所述第一路障小车及所述第二路障小车。

优选地，所述室外学习区间为四个，四个所述室外学习区间围绕所述围壁设置。

本发明提出的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统中前置讲台上设有第一全息投影设备，第一全息投影设备用于投射教师的教学影像，实验展示平台上设有第二全息投影设备，第二全息投影设备用于投射实验教学影像，中心讲台上设有第三全息投影设备，第三投影设备用于投射教师教学所需的课程影像，坐椅能够通过所述底盘转动朝向所述前置讲台、实验展示平台或所述中心讲台，从而使学习者能够自由选择切换学习的内容和学习的场景。智能传感器设于所述坐椅，智能传感器用于检测位于坐椅的学习者的肢体运动，VR头盔与所述智能传感器通信连接，从而能够准确地测量学习者的肢体运动，提高VR的互动体验。多个第二路障小车设于所述第一路障小车与所述围壁之间，第一路障小车、第二路障小车及围壁围绕形成多个室外学习区间；多个飞行传感器悬设于所述室外学习区间的上方，飞行传感器与VR头盔通信连接，并用于监测佩戴有VR头盔的所述学习者的位置，在室外学习区间，VR头盔生成室外学习所需的VR影像，通过飞行传感器的监测能够有效地保证学习者的安全学习环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统的平面示意图；

图2为本实施例中智能椅组件的结构示意图；

图3为本实施例中第一路障小车的结构示意图；

图4为本实施例中发射平台的结构示意图。

图5为本实施例中VR头盔的结构示意图；

图6为本实施例中飞行传感器的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种适合于中小学生科学教育的全息虚拟教学系统100。

请参阅图1和图2，在本发明一实施例中，中小学生科学教育的全息虚拟教学系统100包括：围壁1，围壁1围绕形成室内学习区间2，围壁1上形成有入口11及出口13；前置讲台3，前置讲台3设于室内学习区间2，前置讲台3上设有第一全息投影设备31；实验展示平台4，实验展示平台4设于室内学习区间2，且与前置讲台3相对设于室内学习区间2的两端，实验展示平台4上设有第二全息投影设备41；中心讲台5，中心讲台5设于室内学习区间2的中心，中心讲台5上设有第三全息投影设备51；第一滑轨6，第一滑轨6围绕中心讲台5设置；第二滑轨7，第二滑轨7围绕第一滑轨6设置；延伸滑轨8，延伸滑轨8连接第二滑轨7及围壁1，且朝向实验展示平台4设置；多个智能椅组件9，智能椅组件9包括底盘91、坐椅93及智能传感器95，底盘91设于第一滑轨6和/或第二滑轨7，且底盘91能够沿第一滑轨6的延伸方向运动或者沿第二滑轨7的延伸方向运动并进入延伸滑轨8，坐椅93与底盘91转动连接，且坐椅93能够转动朝向前置讲台3或实验展示平台4或中心讲台5，智能传感器95设于坐椅93，智能传感器95用于检测位于坐椅93上的学习者的肢体运动；VR头盔9a，VR头盔9a与智能传感器95通信连接；第一隔板9b，第一隔板9b与围壁1连接，第一隔板9b与围壁1围绕形成教师备课区9c；第二隔板9d，第二隔板9d与围壁1连接，第二隔板9d与围壁1围绕形成学习者休息区9e；多个第一路障小车9f，第一路障小车9f围绕围壁1设置；多个第二路障小车9g，第二路障小车9g设于第一路障小车9f与围壁1之间，第一路障小车9f、第二路障小车9g及围壁1围绕形成多个室外学习区间9i；多个飞行传感器9j，飞行传感器9j悬设于室外学习区间的上方，飞行传感器9j用于监测佩戴有VR头盔9a的学习者的位置；发射平台9k，发射平台9k设于围壁1，发射平台9k用于发射第一路障小车9f、第二路障小车9g及飞行传感器9j。

本实施例中，全息投影设备是采用全息投影技术的电子设备，全息投影技术也称虚拟成像技术，其是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。全息投影技术不仅可以产生立体的空中幻象，还可以使幻象与学习者互动。第一全息投影设备31、第二全息投影设备41及第三全息投影设备51均为全息投影设备。第一全息投影设备31用于投射教师的教学影像，第二全息投影设备41用于投射试验教学所需的影像，例如：动态的生物教学中动物的骨骼的三维结构图，动物的血管组织分布图，植物的组织结构的三维模型图等，化学教学中，不同反应物反应前后的影像。第三全息投影设备51用于投射教师所需的教学影像，教师可以在中心讲台5，真人结合投射影像进行现场生动的教学。在室内学习区间2内，VR头盔9a用于根据学习者的调设，投放辅助教学的影像，在室外学习区间9i内，VR头盔9a可以投射用于室外教学所需的影像。

本发明提出的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统100中前置讲台3上设有第一全息投影设备31，第一全息投影设备31用于投射教师的教学影像，实验展示平台4上设有第二全息投影设备41，第二全息投影设备41用于投射实验教学影像，中心讲台5上设有第三全息投影设备51，第三投影设备用于投射教师教学所需的课程影像，坐椅93能够通过底盘91转动朝向前置讲台3、实验展示平台4或中心讲台5，从而使学习者能够自由选择切换学习的内容和学习的场景。智能传感器95设于坐椅93，智能传感器95用于检测位于坐椅93的学习者的肢体运动，VR头盔9a与智能传感器95通信连接，从而能够准确地测量学习者的肢体运动，提高VR的互动体验。多个第二路障小车9g设于第一路障小车9f与围壁1之间，第一路障小车9f、第二路障小车9g及围壁1围绕形成多个室外学习区间9i，多个飞行传感器9j悬设于室外学习区间的上方，飞行传感器9j与VR头盔9a通信连接，并用于监测佩戴有VR头盔9a的学习者的位置，在室外学习区间9i，VR头盔9a生成室外学习所需的VR影像，通过飞行传感器9j的监测能够有效地保证学习者的安全学习环境。

本实施例中，中心讲台5上形成有通道口9n，通道口9n通过地下通道9m与教师备课区9c连通，从而便于教师达到中心讲台5进行教学。作为本实施例一种优选的方式，围壁1、第一隔板9b及第二隔板9d均能够伸缩以调整高度，从而便于学习者从室内学习空间到达室外学习空间。

实验展示平台4的数量为两个，两个实验展示平台4、第一隔板9b及第二隔板9d围绕中心讲台5设置，从而增加了学习者观看不同的实验教学影像的机会。

作为本实施例一种优选的方式，第二滑轨7包括第一实验段71与第二实验段73，延伸滑轨8包括第一延伸滑轨81及第二延伸滑轨83，第一实验段71朝向一个实验展示平台4设置，第二实验段73朝向另一个实验展示平台4设置，第一延伸滑轨81连接第一实验段71及围壁1，第二延伸滑轨83连接第二实验段73及围壁1，从而便于学习者自行调整自己观看实验教学影像的位置。第一延伸滑轨81与第一实验段71成弧形结构，第二延伸滑轨83与第二实验段73成弧形结构，从而更进一步的优化学习者的调整设置。

请参阅图3，第一路障小车9f和第二路障小车9g均包括车体91f、轮组93f及报警器95f，轮组93f与报警器95f相对设于车体91f的两端，报警器95f用于在学习者靠近车体91f时发出警报声，从而保证学习者在进行室外学习时的安全。

请再次参阅图1，发射平台9k的数量为四个，四个发射平台9k围绕设于围壁1，从而优化发射平台9k的结构，本实施例种，飞行传感器9j的数量为四个，四个飞行传感器9j围绕围壁1设置，从而强化飞行传感器9j的测量精度，保证准确测量学习者的位置。

请参阅图4，发射平台9k包括起降平台91k及发射口93k，起降平台91k用于发射或停降飞行传感器9j，发射口93k用于发射第一路障小车9f及第二路障小车9g，从而便于飞行传感器9j、第一路障小车9f及第二路障小车9g的停靠。

请再次参阅图1，室外学习区间9i为四个，四个室外学习区间9i围绕围壁1设置。本实施例中，四个室外学习区间9i分别用于乒乓球、篮球、羽毛球及短跑体育教学，此时VR头盔9a用于投射体育教学所需的影像，飞行传感器9j准确监测佩戴有VR头盔9a的学习者的位置，辅助教学并提供学习者的用户体验。

请结合参阅图5与图6，飞行传感器9j包括第一通信器91j，VR头盔9a包括第二通信器91a，第一通信器91j与第二通信器91a通信连接，从而较好实现飞行传感器9j精确的监测佩戴有VR头盔9a的学习者的位置。

中小学生科学教育的全息虚拟教学系统100是一种多人交互的虚拟现实系统，其能够使中小学在进行科学探索时具有沉浸式虚拟互动体验，实现自然和谐的人机交互方式；采用精确到毫米级别的飞行传感器9j作为跟踪系统，飞行传感器9j的跟踪精度高、跟踪范围广。便于实现多人同时在虚拟场景中进行实时的交互体验，打造全新虚拟体验模；第一全息投影设备31、第二全息投影设备41及第三全息投影设备51采用具有真实感的实时渲染引擎，完全模拟真实场景，效果逼真，沉浸感强；智能传感器95采用独立设计的动态跟踪系统，捕捉用户头部、手部的空间位置，用户直接在在空气中对眼前的全息图像进行交互，实现更自然的人机交互体验。将真实环境与虚拟世界相结合，真实环境中的交互动作可以在虚拟世界中同步反映，运用增强现实技术、虚拟现实技术能实现教学环境的虚实结合、学习过程的三维沉浸、教学过程实时互动，有助于提升学习者的学习体验，促进其深度学习。VR头盔9a融合了计算机3D图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，使用户具有身临其境的沉浸感，并在虚拟现实环境中产生交互，有助于使用者加深感受、启发认知，为教师和学习者提供VR应用环境的交互式教学平台。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种适合于中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，包括：

围壁，所述围壁围绕形成室内学习区间，所述围壁上形成有入口及出口；

前置讲台，所述前置讲台设于所述室内学习区间，所述前置讲台上设有第一全息投影设备；

实验展示平台，所述实验展示平台设于所述室内学习区间，且与所述前置讲台相对设于所述室内学习区间的两端，所述实验展示平台上设有第二全息投影设备；

中心讲台，所述中心讲台设于所述室内学习区间的中心，所述中心讲台上设有第三全息投影设备；

第一滑轨，所述第一滑轨围绕所述中心讲台设置；

第二滑轨，所述第二滑轨围绕所述第一滑轨设置；

延伸滑轨，所述延伸滑轨连接所述第二滑轨及所述围壁，且朝向所述实验展示平台设置；

多个智能椅组件，所述智能椅组件包括底盘、坐椅及智能传感器，所述底盘设于所述第一滑轨和/或所述第二滑轨，且所述底盘能够沿所述第一滑轨的延伸方向运动或者沿所述第二滑轨的延伸方向运动并进入所述延伸滑轨，所述坐椅与所述底盘转动连接，且所述坐椅能够转动朝向所述前置讲台或实验展示平台或所述中心讲台，所述智能传感器设于所述坐椅，所述智能传感器用于检测位于所述坐椅的学习者上的肢体运动；

VR头盔，所述VR头盔与所述智能传感器通信连接；

第一隔板，所述第一隔板与所述围壁连接，所述第一隔板与所述围壁围绕形成教师备课区；

第二隔板，所述第二隔板与所述围壁连接，所述第二隔板与所述围壁围绕形成学习者休息区；

多个第一路障小车，所述第一路障小车围绕所述围壁设置；

多个第二路障小车，所述第二路障小车设于所述第一路障小车与所述围壁之间，所述第一路障小车、所述第二路障小车及所述围壁围绕形成多个室外学习区间；

多个飞行传感器，所述飞行传感器悬设于所述室外学习区间的上方，所述飞行传感器与所述VR头盔通信连接，并用于监测佩戴有所述VR头盔的所述学习者的位置；

发射平台，所述发射平台设于所述围壁，所述发射平台用于发射所述第一路障小车、所述第二路障小车及所述飞行传感器。

2.如权利要求1所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述中心讲台上形成有通道口，所述通道口通过地下通道与所述教师备课区连通。

3.如权利要求1所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述围壁、所述第一隔板及所述第二隔板均能够伸缩以调整高度。

4.如权利要求1所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述实验展示平台的数量为两个，两个所述实验展示平台、所述第一隔板及所述第二隔板围绕所述中心讲台设置。

5.如权利要求4所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述第二滑轨包括第一实验段与第二实验段，所述延伸滑轨包括第一延伸滑轨及第二延伸滑轨，所述第一实验段朝向一个所述实验展示平台设置，所述第二实验段朝向另一个所述实验展示平台设置，所述第一延伸滑轨连接所述第一实验段及所述围壁，所述第二延伸滑轨连接所述第二实验段及所述围壁。

6.如权利要求5所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述第一延伸滑轨与所述第一实验段成弧形结构，所述第二延伸滑轨与所述第二实验段成弧形结构。

7.如权利要求1-6中任一项所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述第一路障小车和所述第二路障小车均包括车体、轮组及报警器，所述轮组与所述报警器相对设于所述车体的两端，所述报警器用于在所述学习者靠近所述车体时发出警报声。

8.如权利要求1-6中任一项所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述发射平台的数量为四个，四个所述发射平台围绕设于所述围壁。

9.如权利要求8所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述发射平台包括起降平台及发射口，所述起降平台用于发射或停降所述飞行传感器，所述发射口用于发射所述第一路障小车及所述第二路障小车。

10.如权利要求1-6中任一项所述的中小学生科学教育的全息虚拟教学系统，其特征在于，所述室外学习区间为四个，四个所述室外学习区间围绕所述围壁设置。