CN107577347B - 一种基于虚拟现实的教育系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的教育系统及其方法，该系统涉及的软、硬件有VR一体机、体感外设、3D建模工具、VR开发工具、VR交互SDK和VR积木模块。VR积木模块是指模块化的VR项目封装程序块，包括VR体感外设封装程序块、VR标准场景事件封装程序块和VR标准场景模型封装模块。基于模块化VR积木模块，可以完成标准项目的拼装开发和自定义项目的开发，可广泛应用与STEAM教学、VR职业教育等领域。

Description

一种基于虚拟现实的教育系统及其方法

技术领域

本发明属于虚拟现实应用和教育教学领域，特别涉及了一种基于虚拟现实的教育系统及其方法。

背景技术

虚拟现实技术的发展已经经历了很多年，但引爆消费级VR市场的标志性事件就是2014年，Facebook以20亿美元收购Oculus。随后Sony开启Morpheus计划(即现在的PlayStation VR)、Google推出Cardboard、三星与Oculus合作推出Gear VR、HTC与Valve合作研发针对Steam游戏平台的HTC Vive。数百家国内VR创业公司，从VR操作系统、交互外设到VR眼镜、VR内容等，快速覆盖了几乎所有的产业环节，为VR产品及产业链的快速成熟和发展作出了至关重要的作用。

除了个人应用之外，VR行业应用也在2016年迎来元年。排名前三的VR热点行业分别为房地产、零售、教育；除此之外，VR还可以广泛应用于城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、房地产销售、旅游教学、水利电力、地质灾害、教育培训等众多领域。

随着云计算、大数据、物联网、移动计算、虚拟现实、人工智能等新技术逐步广泛应用，信息技术对教育的革命性影响日趋明显。国家教育十三五规划提出了有条件的地区要积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习(STEAM教育)、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用。

虚拟现实技术作为新兴技术，在市场和资本的带动下展开了爆发式增长，但随着市场的深入发展，越来越多的瓶颈开始制约产业的快速发展。典型的瓶颈和问题包括人才不足、社会认知度低等突出问题。尤其是在职业教育、K12教育方面，虚拟现实目前整体上还处于偏低的水平。现有的大多数培训或VR教学应用，主要集中在VR内容的开发、VR课件体验式教学等方式，缺乏VR硬件深度结合、缺乏基于VR完整软硬件系统的动手开发实践。

在教育部门重点发展的STEAM教育课程中，目前的建设内容主要集中在机器人、Scratch编程、3D打印及传统手工制作等方向，在面向虚拟现实技术本身的STEAM动手实践教学领域还是空白。

现有的虚拟现实项目开发培训方式，通常以编程语言教学、编程工具应用、完整开发案例整体教学等方式进行，基础知识要求高，培训周期长，主要用于某些专业人才的培训，难易开展面向中小学生、非专业VR人才的教学和培训。在VR开发模块化程序领域，主流的VR开发工具，比如Unity3D，没有针对VR案例的模块化拆分方式，同时也缺乏针对各类VR体感外设的程序包。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于虚拟现实的教育系统及其方法，解决和满足VR STEAM教学、VR职业教育等方面的问题和需求，克服Unity3D等VR开发工具在模块化程序教学方面的局限性。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于虚拟现实的教育系统，包括VR开发计算机、VR一体机和体感外设；所述VR开发计算机安装了3D建模工具和VR开发工具，用于建立VR积木模块，创建和编辑VR场景，以及生成VR应用；所述VR一体机是具备独立处理器的虚拟现实头戴式显示器，通过安装VR操作系统构建VR一体机的虚拟现实运行的基本环境，通过安装VR交互SDK，为体感外设提供软件驱动；用户通过所述体感外设向虚拟现实场景发送传感或控制指令，虚拟场景反馈体感体验并通过体感外设作用于用户身上；所述VR积木模块是指模块化的VR项目封装程序块，包括VR体感外设封装程序块、VR标准场景事件封装程序块和VR标准场景模型封装模块。

进一步地，建立VR积木模块的过程如下：

(a)根据学生情况和未来应用方向，制定VR标准项目案例；所述VR标准项目案例分为三类：单功能案例、综合功能案例和专业应用案例；所述单功能案例是指VR开发过程中所用到的某个单项功能，包括某类VR场景事件，某一种体感外设以及该外设的某个传感/控制参数，即针对某一项功能，设计一个VR标准项目案例；所述综合功能案例是指同时融合多个单项功能的VR标准案例；所述专业应用案例是指综合运用多个单项功能，并运用某一专业领域的知识，针对专业领域进行项目开发的VR标准项目案例；

(b)根据VR标准项目案例的难度进行分级，并据此对VR标准项目案例进行模块化切分封装；首先进行基础切分，在VR标准项目案例中，将场景模型、场景事件和体感外设进行整体切分，分成三个部分，形成三个大模块包，切分后，用户根据标准说明，将场景模型、场景事件和体感外设三个模块包组装起来，完成整个项目；然后进行场景模型的切分，在VR标准项目案例中，场景和模型都已经预设，通过切分，将场景和模型分开，并将模型中的物体切分打散，在切分后的场景中，用户依据标准说明或自己的设计，重新将物体模型放置在场景的合适位置中，将场景模型组装起来；进行场景事件程序包的切分，把VR标准项目案例中的碰撞事件、运动事件进行切分，碰撞事件、运动事件均被切分成若干个独立程序块，用户需要依据标准说明或自己的设计，将独立程序块加载到合适的场景事件上；进行体感外设程序包的切分，将各种不同体感外设的程序进行单独切分封装，并将每个外设的各个传感、控制参数程序切分封装，用户根据标准说明或自己的设计，选择某个外设程序块，并将该外设的不同传感、控制程序块加载到VR项目中；

(c)模块打包；将各个切分后的标准场景模型封装模块、体感外设封装程序块、标准场景事件封装程序块进行统一的命名，并放置在不同的目录中，然后将整个项目打包，形成一个标准课程包。

进一步地，所述体感外设包括但不限于九轴传感控制器、肌肉电传感控制器、脑电波传感控制器、双手柄空间传感控制器和全身动作捕捉传感控制器。

进一步地，所述3D建模工具采用3DMax；所述VR开发工具采用Unity3D或Unreal。

基于上述教育系统的VR教学方法，包括以下步骤：

(1)基于3D建模工具，自行建立和编辑VR场景，或者，使用VR积木模块中的VR标准场景模型封装模块；

(2)将自定义的VR场景或VR标准场景模型封装模块导入VR开发工具中；

(3)将VR积木模块中的VR体感外设封装程序块、VR标准场景事件封装程序块导入到VR开发工具中；

(4)基于标准说明或自己的设计，在VR标准案例场景中，对场景模型进行布放、编辑，构建出项目的场景模型；

(5)在构建好的场景模型中，将VR标准场景事件封装程序块加载到合适的场景模型上，实现场景模型的事件效果；

(6)将VR体感外设封装程序块加载到合适的场景模型上，实现体感交互效果；

(7)完成项目编辑之后，将项目打包，生成VR应用程序安装包；

(8)将VR应用程序安装包导入VR一体机，安装；

(9)将VR应用程序中选用的体感外设与VR一体机连接后，佩戴VR一体机进行VR应用的交互学习体验。

采用上述技术方案带来的有益效果：

采用本发明设计的VR积木模块，基于VR项目单元级(最高难度级)切分的模块包，可以灵活运用，与行业领域进行结合，进行实际项目的开发，具有突出的实际创新应用价值。本发明通过VR积木模块的设计提供了多个难度等级的切分模块，从零基础学生到已有相关专业经验的学生，均可以使用本发明提供的VR模块进行项目开发，降低教学和培训难度。

附图说明

图1是本发明的系统架构图；

图2是本发明中基础切分示意图；

图3是本发明中场景模型切分示意图；

图4是本发明中场景事件程序包切分示意图；

图5是本发明中体感外设程序切分示意图；

图6是基于VR积木模块的VR开发示意图；

图7是本发明的教学方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明设计的系统，包括以下软、硬件：

体感外设：是指虚拟现实领域需要用到的人机交互、体感设备，包括但不限于九轴传感控制器、肌肉电传感控制器、脑电波传感控制器、双手柄空间传感控制器、全身动作捕捉传感控制器等，人员通过体感外设向虚拟现实场景发送传感或控制指令，虚拟场景反馈体感体验并通过体感外设作用于人体身上，使人员有一种真正的虚拟现实沉浸沉浸感。

VR一体机：是具备独立处理器的虚拟现实头戴式显示器，具有独立的计算、图形显示处理和输入输出等功能。

VR操作系统：是VR一体机的运行系统，类似于手机中的Android系统，构建VR一体机的虚拟现实运行基本环境。

VR交互SDK：是基于VR操作系统，为体感外设提供的软件驱动，用于VR内容与体感外设的交互设计。

3D建模工具：是3D建模软件，常见包括3DMax等工具，用于虚拟现实场景建模。

VR开发工具：是虚拟现实开发软件，常见如Unity3D、Unreal等。

VR积木模块：是指模块化的VR项目封装程序块，包括VR体感外设封装程序块、VR标准场景事件封装程序块和VR标准场景模型封装模块。

VR应用：是最终开发完成的VR应用软件，可运行于VR一体机上，结合体感外设进行虚拟现实体验。

其中，VR积木模块的设计是本发明的核心，包括三个步骤：制定标准项目案例、案例模块化切分封装和模块打包。

1、制定标准项目案例

VR项目的培训，面向着K12学生、职教等多种知识背景、年龄层次的学生；同时，VR未来的应用，也面向多个行业领域，比如汽车维修、石油化工、旅游文博等等。因此，VR项目标准案例的设计，需要兼顾学生情况和未来应用方向等因素进行定义。

VR标准项目案例的设计分类如下：

单功能案例：单功能是指VR开发过程中所用到的某个单项功能，比如某类VR场景事件，某一种控制外设以及该外设的某个传感控制参数；单功能案例的设计，即针对某一项功能，设计一个标准VR案例，通过对该项功能的程序包进行切分封装，让使用者在使用该程序模块进行重新组装过程中掌握该项功能的开发技巧。

综合功能案例：是指同时融合上述多个单项功能的标准案例，该标准案例让使用者同时运用多个单项功能的程序模块，进行组装训练，掌握复杂场景下多个功能的综合运用。通常情况下，在使用者掌握了单功能操作技巧之后，就可以开展综合功能案例的操作。

专业应用案例：是指综合运用多个单项功能，并运用某一专业领域的知识，针对专业领域进行项目开发的标准案例。比如汽车发动机维修案例，是面向汽车发动机维修专业的应用，VR开发者需要了解汽车发动机维修方面的一些专业知识，在此基础之上，利用VR开发技能，开发出可以用于专业领域的项目。专业应用案例的设计，主要培养VR学习者面向实际应用需求、解决实际问题的能力。

2、案例模块化切分封装

针对上述标准案例，需要根据难度分级，对案例进行不同形式的拆分。拆分方法如表1所示。

表1

表格中的“自定义”场景，是指在更高级的学习阶段，用户可以自己自行建模、编辑场景事件，通过灵活选择加载体感外设程序包，来创建更高级别的应用项目。

2.1基础切分

如图2所示，在标准案例中，将场景模型、场景事件、体感外设进行整体切分，分成三个部分，形成三个大的模块包。切分后，用户需要根据标准说明，将场景模型、场景事件、体感外设三个模块包组装起来，完成整个项目。

2.2场景模型的切分

在标准案例中，场景和模型都已经预设，通过切分，将场景和模型分开，并将模型中的物体切分打散。切分后的场景中，用户需要依据标准说明或自己的想法，重新将物体模型放置在场景的合适位置中，将场景模型组装起来。

如图3所示，将一个VR标准案例中的场景模型，切分成多个模型：模型1～模型n；将模型命名、分类，放置在设定的文件夹下。

2.3场景事件程序包的切分

把标准案例中的碰撞事件、运动事件等常见事件进行切分。切分后，碰撞事件、运动事件都被切分成了若干个独立程序块。用户需要依据标准说明或自己的想法，将独立程序块加载到合适的场景事件上。

如图4所示，将VR标准案例场景中的多个碰撞事件，进行切分，形成针对多个碰撞事件的封装程序块(S1～Sn)。将标准案例场景中的多个运动事件，进行切分，形成针对多个运动事件的封装程序块(Sn+1～S2n)。

2.4体感外设程序包的切分

将各种不同体感外设的程序进行单独切分封装；并将每个外设的多个传感、控制参数程序切分封装。用户可以根据标准说明或自己的想法，选择某个外设程序块，并将该外设的不同传感控制程序块加载到VR项目中。

如图5所示，将体感外设的体感参数1～n进行切分，形成封装程序块Ti1～Tin，每个程序块对应一个体感参数值。将体感外设的控制指令1～n进行切分，形成封装程序块Tin+1～Ti2n，每个程序块对应一个控制指令。

3、打包

根据不同的难度级别，将各个标准案例切分封装之后，将各个切分后的场景块、程序块进行统一的命名，并放置在不同的目录中。然后将整个项目打包，形成一个标准课程包。

如图6所示，在VR开发环境中，将某标准案例的VR积木模块项目导入，根据标准说明或自己的想法对模型进行布放；然后将合适的封装程序块加载到场景模型中，让场景物体根据程序设置执行对应的动作逻辑。个性化参数可以通过直接编辑封装程序块中的函数参数来调整设置。

基于上述系统，本发明的教学方法如图7所示，具体步骤如下。

1.基于3D建模软件，自行建立和编辑VR场景；或者，使用VR积木模块的标准案例场景模型；

2.将自定义场景或标准案例场景导入VR开发工具中；

3.将VR积木模块中的模块化程序包(包括场景事件程序包、体感外设程序包)导入到VR开发工具中；

4.基于标准说明或自己的想法，在标准案例场景中，对场景模型进行布放、编辑，构建出项目的场景模型；

5.在构建好的场景模型中，将场景事件程序包中的程序块，加载到合适的场景模型上，实现场景模型的事件效果；

6.将体感外设程序包中的程序块，加载到合适的场景模型上，实现外设交互效果；

7.完成项目编辑之后，将项目打包、生成应用程序安装包；

8.将应用程序安装包导入VR一体机，安装；

9.安装成功后，可以使用程序中选用的体感外设设备，与VR一体机连接后，佩戴VR一体机进行VR应用的教学体验。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于虚拟现实的教育系统，其特征在于：包括VR开发计算机、VR一体机和体感外设；所述VR开发计算机安装了3D建模工具和VR开发工具，用于建立VR积木模块，创建和编辑VR场景，以及生成VR应用；所述VR一体机是具备独立处理器的虚拟现实头戴式显示器，通过安装VR操作系统构建VR一体机的虚拟现实运行的基本环境，通过安装VR交互SDK，为体感外设提供软件驱动；用户通过所述体感外设向虚拟现实场景发送传感或控制指令，虚拟场景反馈体感体验并通过体感外设作用于用户身上；所述VR积木模块是指模块化的VR项目封装程序块，包括VR体感外设封装程序块、VR标准场景事件封装程序块和VR标准场景模型封装模块；

建立VR积木模块的过程如下：

(a)根据学生情况和未来应用方向，制定VR标准项目案例；所述VR标准项目案例分为三类：单功能案例、综合功能案例和专业应用案例；所述单功能案例是指VR开发过程中所用到的某个单项功能，包括某类VR场景事件，某一种体感外设以及该外设的某个传感/控制参数，即针对某一项功能，设计一个VR标准项目案例；所述综合功能案例是指同时融合多个单项功能的VR标准案例；所述专业应用案例是指综合运用多个单项功能，并运用某一专业领域的知识，针对专业领域进行项目开发的VR标准项目案例；

(b)根据VR标准项目案例的难度进行分级，并据此对VR标准项目案例进行模块化切分封装；首先进行基础切分，在VR标准项目案例中，将场景模型、场景事件和体感外设进行整体切分，分成三个部分，形成三个大模块包，切分后，用户根据标准说明，将场景模型、场景事件和体感外设三个模块包组装起来，完成整个项目；然后进行场景模型的切分，在VR标准项目案例中，场景和模型都已经预设，通过切分，将场景和模型分开，并将模型中的物体切分打散，在切分后的场景中，用户依据标准说明或自己的设计，重新将物体模型放置在场景的合适位置中，将场景模型组装起来；进行场景事件程序包的切分，把VR标准项目案例中的碰撞事件、运动事件进行切分，碰撞事件、运动事件均被切分成若干个独立程序块，用户需要依据标准说明或自己的设计，将独立程序块加载到合适的场景事件上；进行体感外设程序包的切分，将各种不同体感外设的程序进行单独切分封装，并将每个外设的各个传感、控制参数程序切分封装，用户根据标准说明或自己的设计，选择某个外设程序块，并将该外设的不同传感、控制程序块加载到VR项目中；

(c)模块打包；将各个切分后的标准场景模型封装模块、体感外设封装程序块、标准场景事件封装程序块进行统一的命名，并放置在不同的目录中，然后将整个项目打包，形成一个标准课程包。

2.根据权利要求1所述基于虚拟现实的教育系统，其特征在于：所述体感外设包括但不限于九轴传感控制器、肌肉电传感控制器、脑电波传感控制器、双手柄空间传感控制器和全身动作捕捉传感控制器。

3.根据权利要求1所述基于虚拟现实的教育系统，其特征在于：所述3D建模工具采用3DMax；所述VR开发工具采用Unity3D或Unreal。

4.基于权利要求1所述教育系统的VR教学方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于3D建模工具，自行建立和编辑VR场景，或者，使用VR积木模块中的VR标准场景模型封装模块；

(2)将自定义的VR场景或VR标准场景模型封装模块导入VR开发工具中；

(3)将VR积木模块中的VR体感外设封装程序块、VR标准场景事件封装程序块导入到VR开发工具中；

(4)基于标准说明或自己的设计，在VR标准案例场景中，对场景模型进行布放、编辑，构建出项目的场景模型；

(5)在构建好的场景模型中，将VR标准场景事件封装程序块加载到合适的场景模型上，实现场景模型的事件效果；

(6)将VR体感外设封装程序块加载到合适的场景模型上，实现体感交互效果；

(7)完成项目编辑之后，将项目打包，生成VR应用程序安装包；

(8)将VR应用程序安装包导入VR一体机，安装；

(9)将VR应用程序中选用的体感外设与VR一体机连接后，佩戴VR一体机进行VR应用的交互学习体验。

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