CN108417116A - 一种可视化编辑的智能课堂设计系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，包括：对象获取单元，所述对象获取单元用于获取适用于情景化课堂教学的虚拟教学对象；可视化编辑单元，包括编辑窗口，所述编辑窗口包括可视化编程区、用于通过链接调用对象获取单元数据的对象获取单元链接区和用于通过链接调用知识库单元数据的知识库单元链接区。本发明的有益效果在于，提供了可视化编辑的智能课堂设计系统和设计方法。用可视化的图形替代了需要专业编程语言才能实现的逻辑控制，使教师教学经验及思想创意的表达不在受限于其掌握的计算机技术水平。这为增强现实技术应用于教学领域的全面推广降低了技术门槛。为优秀教学资源，特别使教师等人才资源的优化扩散提供了有效的技术渠道。

Description

一种可视化编辑的智能课堂设计系统及设计方法

技术领域

本发明属于教学技术领域，涉及运用现代化智能技术的课堂教学 技术，具体涉及一种可视化编辑的智能课堂设计系统以及基于所述系 统的可视化编辑的智能课堂设计方法。

背景技术

课程设计是教师智慧的结晶，同样的知识点，通过不同的课程设 计并讲解出来，学生的接收理解程度大有不同。这也衍生了教学资源 分配问题，以及优秀教师配置等问题。

在传统的教学中，诸如课程设计等教师智慧的体现通常表现在教 师的个人经验层面，通过板书形式的呈现很难被推广和复制，好的教 学经验难以得到传播。

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。

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。

增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地 计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术， 这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这 种技术1990年提出。随着随身电子产品CPU运算能力的提升，预期增 强现实的用途将会越来越广。增强现实技术应用于课堂教学，将难以 呈现的知识实验通过虚拟化呈现出来，解决了实验资源和成本以及操 作技能等诸多问题。

不过，增强现实技术引入教育领域，毕竟技术是属于计算机操作 层面的技术，使用者确实“非专业”的教师，当教师使用新的技术进 行实验设计、课程设计时，通常的阻碍并不在于对课程的创意和对知 识的理解，反而在于对增强现实操作系统的不熟练。这种阻碍成为了 增强现实技术在教育领域推广应用的主要阻碍因素之一。

发明内容

本发明的为了解决现有的增强现实技术系统应用于教育领域，受 限于主要使用对象(教师)的技术水平，影像教学课程设计创意表达 的不足，提出了一种可视化编辑的智能课堂设计系统以及基于所述系 统的可视化编辑的智能课堂设计方法。

本发明的技术方案是，一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其 特征在于，包括：

对象获取单元，所述对象获取单元用于获取适用于情景化课堂教 学的虚拟教学对象；

知识库单元，所述知识库单元可用于存储适用于所述电化情景教 学的知识数据；

可视化编辑单元，包括编辑窗口，所述编辑窗口包括可视化编程 区、用于通过链接调用对象获取单元数据的对象获取单元链接区和用 于通过链接调用知识库单元数据的知识库单元链接区。

优选方案，知识引擎单元，所述知识引擎单元包括知识引擎，所 述知识引擎用于驱动系统以呈现知识作用于对象的过程现象，所述过 程现象包括所述知识作用于被所述对象识别单元完成识别的对象时， 所述对象变化过程现象中除去对象本体的部分。

优选方案，所述可视化编辑单元包括用于通过链接调用知识引擎 单元数据的知识引擎单元链接区。

优选方案，对象库，所述对象库可用于存储适用于情景化课堂教 学的虚拟教学道具对象。

优选方案，对象编辑单元，所述对象编辑单元可用于对对象获取 单元获取的对象进行特征编辑。

优选方案，所述可视化编辑单元之可视化编程区包括可视化逻辑 组件，所述可视化逻辑组件用于可视化连接对象、知识和/或知识引 擎，以将所述逻辑组件表示的逻辑赋予被连接的对象、知识和/或知 识引擎。

优选方案，所述对象库包括指代性对象模块，所述指代性对象模 块可用于在授课过程中被即时替换为其他对象。

优选方案，增强现实对象获取组件，所述增强现实对象获取组件 可用于通过增强现实拍摄组件获取任意实体对象，并识别为虚拟对象， 所述虚拟对象可用作智能课堂设计的对象。

优选方案，通过增强现实拍摄组件识别任意实体对象方式获取的 虚拟对象，与所述指代性对象模块之间的实时链接，所述链接用于将 实时指代性对象模块实时替换为所述通过增强现实拍摄组件识别任 意实体对象方式获取的虚拟对象。

一种可视化编辑的智能课堂设计方法，其特征在于，包括以下步 骤：

通过对象获取单元获取备用对象；

筛选并编辑备用对象；

使用可视化编辑单元，构建对象、和/或知识、和/或知识引擎之 间的组合，和/或逻辑关系，以形成课程。

优选方案，所述步骤a中备用对象包括链接增强现实拍摄组件识 别任意实体对象方式获取的虚拟对象的指代性对象。

本发明的有益效果在于，提供了可视化编辑的智能课堂设计系统 和设计方法。用可视化的图形替代了需要专业编程语言才能实现的逻 辑控制，使教师教学经验及思想创意的表达不在受限于其掌握的计算 机技术水平。这为增强现实技术应用于教学领域的全面推广降低了技 术门槛。为优秀教学资源，特别使教师等人才资源的优化扩散提供了 有效的技术渠道。

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是本发明一种可视化编辑的智能课堂设计系统的结构框图；

图2是本发明一种可视化编辑的智能课堂设计系统中编辑窗口 的结构框图；

图3是本发明一种可视化编辑的智能课堂设计方法的流程框图。

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和图3所述，本实施例的一种可视化编辑的智能课 堂设计系统，包括：对象获取单元，所述对象获取单元用于获取适用 于情景化课堂教学的虚拟教学对象。系统将教学用的教具、辅具等在 系统中定义为虚拟教学对象。包括但不限于适用于教学的尺、规、模 型、生活用品、工业品、产品等等。对象获取单元用于获取上述虚拟 对象，这些虚拟对象可以通过对实体对象的识别提取获得、或者通过 照片拍摄获取、或者通过预先存储的库中调取，也可以是通过网络途 径根据搜索规则获取。

知识库单元，所述知识库单元可用于存储适用于所述电化情景教 学的知识数据。所述知识数据就是教学过程要求学生掌握的知识，这 些知识被数据化形式存储于知识库单元数据库中，所述知识库单元可 以具有开放录入的接口，以实现对现有知识的更新和修正等操作。

可视化编辑单元，包括编辑窗口，所述编辑窗口包括可视化编程 区、用于通过链接调用对象获取单元数据的对象获取单元链接区和用 于通过链接调用知识库单元数据的知识库单元链接区。其中可视化编 程区用于课程设计，其链接区主要用于调取课程设计需要的各类资源 /要素。在可视化编辑区内，可以引入的对象包括多维模型、照片/图 片、知识点、视频、动画等。在可视化编辑区内最终形成的内容可以 通过后台程序自动封装形成课程。

优选实施例方案，所述系统包括知识引擎单元，所述知识引擎单 元包括知识引擎，所述知识引擎用于驱动系统以呈现知识作用于对象 的过程现象，所述过程现象包括所述知识作用于被所述对象识别单元 完成识别的对象时，所述对象变化过程现象中除去对象本体的部分。 知识引擎与实体对象的作用案例：一、当识别到对象为钢球时，调用 碰撞知识的知识引擎，可以在增强现实的显示画面展现钢球碰撞的过 程，知识引擎可以设定钢球的碰撞点位、钢球大小、碰撞速度等特征 参数；当实体对象被替换为玻璃杯时，增强现实显示单元可以呈现玻 璃杯模拟碰撞的过程和结果；二、当知识引擎为特定的气候环境，如热带雨林环境，包括温度、湿度、雨量、植物种类等等，可以将某植 物作为实体对象进行识别，然后将上述知识引擎作用于该植物的现象 虚拟显示出来，如显示该植物被种植到上述环境后的一年四季变化过 程。

优选实施例方案，所述可视化编辑单元包括用于通过链接调用知 识引擎单元数据的知识引擎单元链接区。知识引擎单元用于提供可以 被模块化调用的知识引擎，作用于虚拟对象时，可进行各种教学实验 演示。

优选实施例方案，所述系统包括对象库，所述对象库可用于存储 适用于情景化课堂教学的虚拟教学道具对象。

优选实施例方案，对象编辑单元，所述对象编辑单元可用于对对 象获取单元获取的对象进行特征编辑。包括调整大小、删除、增加、 组合等多种编辑功能。

优选实施例方案，所述可视化编辑单元之可视化编程区包括可视 化逻辑组件，所述可视化逻辑组件用于可视化连接对象、知识和/或 知识引擎，以将所述逻辑组件表示的逻辑赋予被连接的对象、知识和/或知识引擎。当用可视化逻辑组件链接对象、知识知识和/或知识引 擎时，封装进课程后，上述被连接的对象、知识知识和/或知识引擎 就在课程使用的过程中具备了上述逻辑功能。上述逻辑功能被以图像 化的方式展示出来，如表示时间轴上的先后关系则用一条连接线连接 对象，即可实现。

优选实施例方案，所述对象库包括指代性对象模块，所述指代性 对象模块可用于在授课过程中被即时替换为其他对象。这里引入指代 性对象，其主要意义在于强调了课程的互动性。将某些可替换的要素 用指代性对象预先替代，当使用课程进行课堂教学时，可以根据现场 因素灵活或即时将指代性对象替换为任意可替换对象。比如，讲解碰 撞过程，可以使用指代性对象将课程设计完成，课堂上可以用任意物 品替换指代性对象，实现不同对象的碰撞过程展示实验。增加了课堂 趣味性，互动性。

优选实施例方案，增强现实对象获取组件，所述增强现实对象获 取组件可用于通过增强现实拍摄组件获取任意实体对象，并识别为虚 拟对象，所述虚拟对象可用作智能课堂设计的对象。引入增强现实对 象获取组件，可以将课堂上具备更强互动交互功能的实体对象实时虚 拟化，增加包括但不限于课堂教学的趣味性。

优选实施例方案，通过增强现实拍摄组件识别任意实体对象方式 获取的虚拟对象，与所述指代性对象模块之间的实时链接，所述链接 用于将实时指代性对象模块实时替换为所述通过增强现实拍摄组件 识别任意实体对象方式获取的虚拟对象。该方案使课程设计更具通用 性，采用的案例(对象)在课堂教学中可以被实时替换。

一种可视化编辑的智能课堂设计方法，包括以下步骤：

Sa：通过对象获取单元获取备用对象；

Sb：筛选并编辑备用对象；

Sc：使用可视化编辑单元，构建对象、和/或知识、和/或知识引 擎之间的组合，和/或逻辑关系，以形成课程。

优选实施例方案，所述步骤a中备用对象包括链接增强现实拍摄 组件识别任意实体对象方式获取的虚拟对象的指代性对象。

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)

1.一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，包括：

对象获取单元，所述对象获取单元用于获取适用于情景化课堂教学的虚拟教学对象；

知识库单元，所述知识库单元可用于存储适用于所述电化情景教学的知识数据；

可视化编辑单元，包括编辑窗口，所述编辑窗口包括可视化编程区、用于通过链接调用对象获取单元数据的对象获取单元链接区和用于通过链接调用知识库单元数据的知识库单元链接区。

2.根据权利要求1所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述系统包括：

知识引擎单元，所述知识引擎单元包括知识引擎，所述知识引擎用于驱动系统以呈现知识作用于对象的过程现象，所述过程现象包括所述知识作用于被所述对象识别单元完成识别的对象时，所述对象变化过程现象中除去对象本体的部分。

3.根据权利要求2所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述可视化编辑单元包括用于通过链接调用知识引擎单元数据的知识引擎单元链接区。

4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述系统包括：

对象库，所述对象库可用于存储适用于情景化课堂教学的虚拟教学道具对象。

5.根据权利要求1-3之任一项权利要求所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述系统包括：

对象编辑单元，所述对象编辑单元可用于对对象获取单元获取的对象进行特征编辑。

6.根据权利要求1-5之任一项权利要求所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述可视化编辑单元之可视化编程区包括可视化逻辑组件，所述可视化逻辑组件用于可视化连接对象、知识和/或知识引擎，以将所述逻辑组件表示的逻辑赋予被连接的对象、知识和/或知识引擎。

7.根据权利要求1-6之任一项权利要求所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述对象库包括指代性对象模块，所述指代性对象模块可用于在授课过程中被即时替换为其他对象。

8.根据权利要求7所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述对象获取单元包括：

增强现实对象获取组件，所述增强现实对象获取组件可用于通过增强现实拍摄组件获取任意实体对象，并识别为虚拟对象，所述虚拟对象可用作智能课堂设计的对象。

9.根据权利要求8所述的一种可视化编辑的智能课堂设计系统，其特征在于，所述系统包括：

通过增强现实拍摄组件识别任意实体对象方式获取的虚拟对象，与所述指代性对象模块之间的实时链接，所述链接用于将实时指代性对象模块实时替换为所述通过增强现实拍摄组件识别任意实体对象方式获取的虚拟对象。

10.一种可视化编辑的智能课堂设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、通过对象获取单元获取备用对象；

b、筛选并编辑备用对象；

c、使用可视化编辑单元，构建对象、和/或知识、和/或知识引擎之间的组合，和/或逻辑关系，以形成课程。