CN107742266A - 一种基于增强现实的教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于增强现实的教学系统，包括电连接的显示系统、信息处理单元、存储单元和/或云存储单元、输入输出接口单元，包括以软件模型存在于所述存储单元和/或云存储单元的教学模型，所述教学模型包括可调整的多组自定义参数，所述自定义参数为教学模型中的变量参数中的一种或多种；所述显示系统包括增强现实显示系统，用于使教学模型和/或教学模型的组件与指定现实对象组合显示。本发明的有益效果在于，在保持多媒体教学将能将知识点足够形象化，以降低学生对高度抽象化的知识的理解难度的优势的前提下，将传统教学过程中的教师临场能力及创新能力进行充分发挥，实现因材施教。

Description

一种基于增强现实的教学系统

技术领域

本发明属于教学技术领域，涉及一种基于现代电子电气技术的教学辅助系统，具体涉及一种基于增强现实的教学系统。

背景技术

教学是教师的教和学生的学所组成的一种人类特有的人才培养活动。通过这种活动，教师有目的、有计划、有组织地引导学生学习和掌握文化科学知识和技能，促进学生素质提高，使他们成为社会所需要的人。而文化科学知识和技能大多来源于前人的实践探索经验及推演，并通过总结提炼被高度抽象化形成教学内容。

教学工作也在力求尽可能的将上述被高度抽象化的知识本身能够以其本来的形象化形式展现出来，以求学生学习过程的直观化。这一努力贯穿着整个教学历史。

比如传统教学模式中的板书模式，教师通常会根据自己对知识的理解，通过板书推演将知识的形成过程及内在逻辑进行充分形象展现，如果图示能够更好的展示其形象性，也会进行附图展示。对于较为复杂及信息量较大的知识点，在板书教学模式中衍生出了教学用具，即将复杂的知识模型通过预先制作的复杂的模具进行形象化展示。

虽然，在不少地方已经实现了电气化的教学设备引入，使得课堂生动有趣，学生学习效率很高。但是现有的电气化教学设备使用技术门槛较高，操作复杂。教学过程中对与设备操作及知识点的讲解连贯性把控对教师提出了新的需求，也是电气化设备难以全面普及使用的原因之一。另外，教学资源存在严重的配置不平衡问题，不仅包括硬件资源的不平衡，也包括软件资源如师资配置的不平衡。比如农村、城乡结合部与城市之间存在的普遍差异。

为了知识讲解的标准化和优秀教师经验的普及推广，缩小因资源配置不平衡的不足，在多媒体技术逐步成熟的过程中，形成了多媒体教学。多媒体技术引入课堂后，课堂可以展示大量丰富的平面图像的形象化知识，并增加了视频、动画及声音等知识表达方式，更加推进了知识的形象化。

但是，教学的目的不光是把知识形象化的向学生进行广播，好的教学过程应该“因材施教”，即注重学生的个体因素，以学生学到知识为目的及标准。形象化的多媒体教学能够将知识进行形象化展示，提高知识被学生快速理解的可能性。但是，多媒体教学的素材通常是制作者通过预测教学过程进行预先设计，教学流程、进度、特定问题的讲解等难以实现个性化。比如在多媒体教案中，对统计意义上的大概率知识难点进行了细化深入的讲解，而对于统计意义上的小概率知识难点一笔带过；而恰好，这被一笔带过的该小概率知识难点，就是某特定学生甚至某特定学生群体的大概率知识难点；这种情况下，传统多媒体教学的弊端就会显露。与此同时，被预先设计的教学过程，也会在一定程度上阻碍一名教师的创新潜能及临场应变能力。也在一定程度上阻碍了教学方法的进步。

此外，随着人类知识的不断积累，教学过程变得越来越系统化且长期化。以国内通行教育为例，从3-5岁开始进入学校到20-30岁结束。由于知识体系系统，前后关联性强，覆盖了一个学生的整个懵懂期、叛逆期，如何让长期系统的教学过程持续的吸引学生主动学习求知，也是教学任务的重要研究课题之一。

发明内容

本发明的为了解决现有的教学辅助系统包括电气化/多媒体等教学系统使用技术难度大、标准不统一、操作复杂、形象化不够等诸多不足，提出了一种基于增强现实的教学系统。

本发明的技术方案是，一种基于增强现实的教学系统，包括电连接的显示系统、信息处理单元、存储单元和/或云存储单元、输入输出接口单元，包括以软件模型存在于所述存储单元和/或云存储单元的教学模型，其特征在于，

所述教学模型包括可调整的多组自定义参数，所述自定义参数为教学模型中的变量参数中的一种或多种；

所述显示系统包括增强现实显示系统，用于使教学模型和/或教学模型的组件与指定现实对象组合显示。

优选方案，所述教学模型中的变量参数包括组成所述教学模型的各个组件、组件间的相对位置关系、各个组件的位置坐标、组件及模型整体的外观尺寸、颜色中的一种或多种的组合。

优选方案，系统还包括操作信号输入单元，所述操作信号输入单元通过与所述输入输出接口单元相连接，用于对教学模型的自定义参数进行修改。

优选方案，所述教学系统包括教学评估系统，教学评估系统用于评估学生的学情，所述学情结果为所述教学系统采集的学生课堂行为、习题完成过程、习题答复情况、教师主观意见中的一种或多种数据的函数。

优选方案，所述作业系统，与所述教学评估系统电逻辑连接，用于生成根据教学评估结果输出不同而不同的作业任务；

用于实现因学生自身学情不同而不同的个性化的作业布置。

优选方案，所述教学系统包括人工智能子系统，所述人工智能子系统包括课堂评分系统，所述课堂评分系统用于评价指定课堂和/或当前课堂的教学综合效果。

优选方案，所述评分参数来自学生数据反馈，包括学生答题平均速度、答题正确率、答题速度分布中的一种或多种组合。

优选方案，所述教学系统包括助理交互系统，所述助理交互系统包括语音单元，用于通过语音与外部交互。

优选方案，所述教学系统包括团体学情可视化统计系统，所述团体学情可视化统计系统包括可视化模型库及模型，模型成长参数，所述模型成长参数为影响所述模型成长的参数。

优选方案，所述模型成长参数以常态化教学任务及预期结果为参考，如果与参考值相匹配，反应到模型为正常成长并输出模型相对于当前状态成长后的结果，如果存在优于常态的参数，则反应到模型为优质生长；如果某些参数劣于常态参数，则反应到模型为劣质生长。

优选方案，所述模型包含病态模型，所述系统设定特定参数阈值，如果所述参数低于所述阈值，则系统输出模型的病态。

基于此类直观方式展现，可以通过观察所述模型的健康程度及成长状态，就可以快速了解到该学习团体的整体水平，也会反应到该团体的集体荣誉感，有利于提升学习动力及形成相互监督互帮互助的学习氛围机制。其中的参数包括学生完成学习任务的平均时间、个体时间、正确率，所述学习任务包括课堂任务以及家庭作业。所述语音交互子系统，在与用户(学生)交互时，也会以该团体形象为虚拟对象进行交流，设置此种方式的目的在于增加团体中的个体对该形象的认知及认可度，对于形成集体荣誉感，进而互帮互助有益。

教学模型可以以平面显示或者虚拟现实等方式被直观图像化显示，对其参数的操作修改也可以被实时的以上述显示方式被同步执行。比如需要了解心脏的内部结构，则需要对心脏模型进行解剖并将解剖的部分分离开，该过程可以通过模拟解剖的手势动作对所述参数进行修改(操作)。

本发明的有益效果在于，提供了一种基于增强现实的教学系统。使得，在保持多媒体教学将能将知识点足够形象化，以降低学生对高度抽象化的知识的理解难度的优势的前提下，将传统教学过程中的教师临场能力及创新能力进行充分发挥，实现因材施教。系统充分利用当下迅速发展的增强现实(AR)、物联网技术及计算机数据处理等先进技术，使教学过程标准化及量化，进一步提升教学质量。通过数据分析，形成学生个性化教学，比如针对不同学生的个性化作业及个人难点强化训练作业系统等。就教学过程中增加学生学习兴趣及积极性方面，本系统提出了一种虚拟助手的方案，虚拟助手可以作为系统与外界(主要对象为学生)交互的主要交互接口成为学生的学习伴侣。基于对学生学情的数据化统计，将学生学情以班级化或其他组织的形式为对象，进行联合统计并形象化展示，具体的展示方式包括但不限于能根据学生个体学习情况进行生长(成长)的宠物形象、其他生物(如树)或其他虚拟形象。而具体的学情数据用于影响所述虚拟助手的成长速度、病态或健康程度、外观等。一方面增加学生学习团体的集体精神和荣誉感，另一方面用于直观反映学习团体的整体学情，以便于对教学策略做出及时调整。

附图说明

用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明的一种基于增强现实的教学系统一实施例结构示意图。

图2是本发明的一种基于增强现实的教学系统一实施例结构示意图。

图3是信号输入单元一实施例系统结构示意图。

图4是本发明无线控制终端一实施例系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的发明构思做具体示例性阐述，故对以下内容的理解不应该是对本发明保护范围的限定，而是对原理理解的辅助。

如图1、图2、图3及图4所述，本实施例的一种基于增强现实的教学系统，包括电连接的显示系统、信息处理单元、存储单元和/或云存储单元、输入输出接口单元，包括以软件模型存在于所述存储单元和/或云存储单元的教学模型，所述教学模型包括可调整的多组自定义参数，所述自定义参数为教学模型中的变量参数中的一种或多种；所述显示系统包括增强现实显示系统，用于使教学模型和/或教学模型的组件与指定现实对象组合显示。

优选实施例方案，所述教学模型中的变量参数包括组成所述教学模型的各个组件、组件间的相对位置关系、各个组件的位置坐标、组件及模型整体的外观尺寸、颜色中的一种或多种的组合。

优选实施例方案，系统还包括操作信号输入单元，所述操作信号输入单元通过与所述输入输出接口单元相连接，用于对教学模型的自定义参数进行修改。

优选实施例方案，所述教学系统包括教学评估系统，教学评估系统用于评估学生的学情，所述学情结果为所述教学系统采集的学生课堂行为、习题完成过程、习题答复情况、教师主观意见中的一种或多种数据的函数。

优选实施例方案，所述作业系统，与所述教学评估系统电逻辑连接，用于生成根据教学评估结果输出不同而不同的作业任务；

用于实现因学生自身学情不同而不同的个性化的作业布置。

优选实施例方案，所述教学系统包括人工智能子系统，所述人工智能子系统包括课堂评分系统，所述课堂评分系统用于评价指定课堂和/或当前课堂的教学综合效果。

优选实施例方案，所述评分参数来自学生数据反馈，包括学生答题平均速度、答题正确率、答题速度分布中的一种或多种组合。

优选实施例方案，所述教学系统包括助理交互系统，所述助理交互系统包括语音单元，用于通过语音与外部交互。

优选实施例方案，所述教学系统包括团体学情可视化统计系统，所述团体学情可视化统计系统包括可视化模型库及模型，模型成长参数，所述模型成长参数为影响所述模型成长的参数。

优选实施例方案，所述模型成长参数以常态化教学任务及预期结果为参考，如果与参考值相匹配，反应到模型为正常成长并输出模型相对于当前状态成长后的结果，如果存在优于常态的参数，则反应到模型为优质生长；如果某些参数劣于常态参数，则反应到模型为劣质生长。

优选实施例方案，所述模型包含病态模型，所述系统设定特定参数阈值，如果所述参数低于所述阈值，则系统输出模型的病态。

以下为另一优选实施例方式，教学系统包括以软件模型存在的教学模型，比如地理学上的地球模型、生物学上的人体心脏/肝脏等器官模型、血液循环模型、物理学上的各种实验模型等。上述各种模型根据知识点讲解的需求，设置了多种自定义参数(可调整)，这些自定义参数包括但不限于组成模型的各个组件及位置关系、各个组件的位置坐标、组件及模型整体的外观尺寸、颜色等特性信息，并定义了外部修改以上自定义参数的输入输出接口。

系统还包括操作信号输入单元，所述操作信号输入单元通过与所述输入输出接口相连接，用于对教学模型的自定义参数进行操作(修改)。

系统还包括教学评估系统，教学评估系统用于评估学生的学情，即对知识的掌握情况等。以及作业系统，用于实现电子化作业，作业系统的另一目的是针对不同的学生实现个性化作业布置。作业系统包括可定制或更新的作业题库，作业题库中的题根据知识点进行分类标识；系统还包括学生个体的作业生成方法，学生个体的作业生成包括默认作业，所述默认作业可由系统随机抽取同一类别的不同作业题组成不同学生的作业，确保其差异性；另一方面为个性化作业题库，所述个性化作业题在默认作业的基础上进行影响参数调整，

所述影响参数包括：历史作业完成率、正确率及作业类型，课堂作业答题情况(包括答题速度、正确率及类型等)，以及人工影响参数。其中人工影响参数为教师控制端的手动调整参数，通过与学生密切接触的教师对系统生成的作业进行调整/修正。作业系统还包括用于答题的电子油墨纸等输入设备，所述电子油墨纸的目的在于实现手动答题，系统包括对答题笔迹的辨识子系统，用于辨识答题者的笔迹，以确保答题行为为学生本人所为。

系统包括人工智能子系统，所述人工智能子系统包括课堂评分系统，所述课堂评分系统用于评价指定课堂和/或当前课堂的教学综合效果，其中评分参数来自学生数据反馈，包括但不限于学生答题平均速度、答题正确率、答题速度分布等。还包括助理交互系统，所述助理交互系统包括语音单元，用于通过语音与外部交互(包括接收命令和/或反馈结果)。还包括团体学情可视化统计系统，所述团体学情可视化统计系统包括可视化模型库及模型，模型成长参数，所述模型可以是植物、动物或者其他电子化的可成长形象，可以作为该学习团体的“吉祥物”、“宠物”等形象存在。其中成长参数是指影响所述模型成长的参数，所述参数以常态化教学任务及预期结果为参考，如果与参考值相匹配，反应到模型为正常成长，如果某些参数优于常态参数，则反应到模型为优质生长，如树叶更繁茂，动物更健壮活泼等。如果某些参数劣于常态参数，则反应到模型为劣质生长，如消瘦、营养不良的形象等。并设定特定参数阈值，如果低于该阈值，则会出现病态。通过此类直观方式展现，可以通过观察所述模型的健康程度及成长状态，就可以快速了解到该学习团体的整体水平，也会反应到该团体的集体荣誉感，有利于提升学习动力及形成相互监督互帮互助的学习氛围机制。其中的参数包括学生完成学习任务的平均时间、个体时间、正确率，所述学习任务包括课堂任务以及家庭作业。所述语音交互子系统，在与用户(学生)交互时，也会以该团体形象为虚拟对象进行交流，设置此种方式的目的在于增加团体中的个体对该形象的认知及认可度，对于形成集体荣誉感，进而互帮互助有益。

教学模型可以以平面显示或者虚拟现实等方式被直观图像化显示，对其参数的操作修改也可以被实时的以上述显示方式被同步执行。比如需要了解心脏的内部结构，则需要对心脏模型进行解剖并将解剖的部分分离开，该过程可以通过模拟解剖的手势动作对所述参数进行修改(操作)。

信号输入单元包含多种：

一、触摸屏输入单元，通过触摸屏与屏幕上显示的模型进行互动，实现对屏幕上模型的操作(修改参数)；

二、摄像头单元，所述摄像头单元通过获取操作者肢体动作并进行分析，实现对操作者手势操作对象的估计，进而控制最可能的被操作对象执行相应的动作。此处不同于传统的基于摄像头的手势识别系统，由于教学过程中伴随着教师的各种肢体语言，以追求对知识的形象化表达，这些肢体语言的一部分是配合教师语言的直接表达(不需要借助教学模型)，另一部分肢体语言则是需要结合教学模型才能完成形象化表达。对于系统而言，显然应该对以上两种字体语言进行正确及时的区分，但是仅仅借助摄像头获取视频信息以及计算机程序的实时处理，难以识别这两类肢体语言，即使能够辨识，也大大增加了系统的运算量，对于系统硬件处理能力的要求增加了不少。本方案中，设置了无线控制终端，所述无线控制终端可以以可穿戴的形式配备给教师，比如以手套、腕带等形式存在。无线操控终端设置有快捷物理控制键，所述快捷物理控制键用于控制摄像头(信号输入单元)是否对接下来的动作进行采集分析。所述物理控制键用于检测教师发出的控制信号，具体的，可以是设置在指间的物理按键(便于操作)，也可以是设置有信号检测的陀螺仪系统(或者其他状态检测系统)，可以检测教师的特定手势(比如快速甩动、二次甩动等)。所述无线控制终端还包括有模型切换快捷信号生成单元，用于生成模型切换的快捷信号。比如因为教学的需要，在短时间内可能需要在地球模型的政区图、地形图、地图上的显示及需要屏蔽的信息之间进行不断切换，则快捷信号包括对预设模型的切换信号(上一模型、下一模型等)；还包括复位信号，所述复位信号用于回归特定主模型。以上信号可以通过设置有信号检测的陀螺仪系统(或者其他状态检测系统)对手势进行预先定义实现，也可以通过物理案件或者触摸屏对手势的识别实现。通过以上信号的定义，将大大提升教学讲解的效率，教师的教学连贯性将大大加强(不会因为操作工具而打断教学思路)。

三、客观题答题系统，所述客观题答题系统包括分配到每一答题参与者(学生)的答题器，系统包括对答题状态的统计功能。解决的问题是，传统答题练习老师难以对现场答题的情况有全面了解，仅仅是抽样了解(请学生回答)，或者简单统计(比如对某一答案举手统计)。但是这样的方式都很难实现对学生真实状态的反应，比如说学生甲选择的答案是A，但是在举手统计的过程中，大多数学生选择了答案B，这时候不太自信的学生A可能就会在选择答案B的行列举手，造成统计错误。该答题系统可以实现统一的答题，完全排除学生间的答题干扰，真正做到客观反映当前每一学生的答题状态以及学生群体的统计状态。对于教学方案的调整，教学重点的修正具有明细意义。答题器可以是设置在连入系统的手机等电子设备上的虚拟答题终端(单元)。

系统还包括基于AR的摄像投影单元，所述摄像投影单元通过摄取环境视像信息并输入系统，系统根据摄像单元获取的视像信息调整教学模型及投影单元，实现模型与现实的情景化互动。比如情景式教学互动，可以通过投影对每个角色人物投射出能反应该任务形象的光影及装束；亦或者生物教学中，教学中将人体的内部结构投射至真实的人体，或者将某一实物教学产品如汽车的内部结构投射至该实物教学产品的表面等。摄像投影单元包括实时获取并最终目标(实物对象)的摄像头及控制系统，投影显示控制系统，用于控制投射对象被投射到正确的位置等。系统还可以包括投影光机座，用于根据需要实时调整投影光机的位置，以满足投射需求。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“根部”、“内”、“外”、“外围”、“里侧”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于增强现实的教学系统，包括电连接的显示系统、信息处理单元、存储单元和/或云存储单元、输入输出接口单元，包括以软件模型存在于所述存储单元和/或云存储单元的教学模型，其特征在于，

所述教学模型包括可调整的多组自定义参数，所述自定义参数为教学模型中的变量参数中的一种或多种；

所述显示系统包括增强现实显示系统，用于使教学模型和/或教学模型的组件与指定现实对象组合显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述教学模型中的变量参数包括组成所述教学模型的各个组件、组件间的相对位置关系、各个组件的位置坐标、组件及模型整体的外观尺寸、颜色中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，系统还包括操作信号输入单元，所述操作信号输入单元通过与所述输入输出接口单元相连接，用于对教学模型的自定义参数进行修改。

4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述教学系统包括教学评估系统，教学评估系统用于评估学生的学情，所述学情结果为所述教学系统采集的学生课堂行为、习题完成过程、习题答复情况、教师主观意见中的一种或多种数据的函数。

5.根据权利要求4所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述作业系统，与所述教学评估系统电逻辑连接，用于生成根据教学评估结果输出不同而不同的作业任务；

用于实现因学生自身学情不同而不同的个性化的作业布置。

6.根据权利要求1-5之任一项权利要求所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述教学系统包括人工智能子系统，所述人工智能子系统包括课堂评分系统，所述课堂评分系统用于评价指定课堂和/或当前课堂的教学综合效果。

7.根据权利要求6所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述评分参数来自学生数据反馈，包括学生答题平均速度、答题正确率、答题速度分布中的一种或多种组合。

8.根据权利要求1-7之任一项权利要求所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述教学系统包括助理交互系统，所述助理交互系统包括语音单元，用于通过语音与外部交互。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述教学系统包括团体学情可视化统计系统，所述团体学情可视化统计系统包括可视化模型库及模型，模型成长参数，所述模型成长参数为影响所述模型成长的参数。

10.根据权利要求9所述的一种基于增强现实的教学系统，其特征在于，所述模型成长参数以常态化教学任务及预期结果为参考，如果与参考值相匹配，反应到模型为正常成长并输出模型相对于当前状态成长后的结果，如果存在优于常态的参数，则反应到模型为优质生长；如果某些参数劣于常态参数，则反应到模型为劣质生长。所述模型包含病态模型，所述系统设定特定参数阈值，如果所述参数低于所述阈值，则系统输出模型的病态。