CN108538117A - 一种用于信息化教学的体感交互方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于信息化教学的体感交互方法，包括，针对不同学习层次的用户设定每个学习层次所学习的教学内容；对教学内容进行拆分，构建教学元素，生成教学资源包；加载教学资源包，对学习环境进行配置，构建教学体感交互学习场景；获取用户身体姿态信息，根据用户身体姿态信息对姿态指令进行识别，并将其转化为教学元素操作指令；根据用户身体姿态状态和/或动作触发教学元素的操作指令，对教学元素完成对应状态和/或动作，形成交互式教学形态。本发明还公开了一种用于信息化教学的体感交互系统。本发明综合考虑教学资源、游戏化场景以及体感交互教学模式，建立了游戏化的基于体感交互的教学资源制作方法，提出了资源建设的新模式。
Description
技术领域
本发明属于教育信息化技术领域，具体涉及一种用于信息化教学的体感交互方法及系统。
背景技术
随着教育认知理论的进步和教育信息化技术的发展，在多年的教育教学实践中积淀的传统教学资源，已经不能满足目前的教育教学需求，信息化教学资源应运而生，革新了现有的教育教学方式。教学实践表明，有效地利用数字化教学资源，对于学生学习能力以及问题意识的培养乃至怀疑精神的塑造具有重要意义。学生通过对数字化教学资源的真正利用，可以激发学生的学习与发现的兴趣。数字文化所自然生成的DIY学习理念已成为一种网络的标识性的文化符号。这种文化理念培养的往往是一种互动精神，而互动能协助孩子成长，培育其开发本身的价值，训练其判断分析力，评估力，批判力及帮助他人的能力。在这种情况下，教师在教学中应积极及时地引导学生开发和利用数字化教学资源，并由此培养学生的发现、思考、分析及判断能力。但是从信息化教学资源的应用现状来看，目前的教育教学方式在应用信息化教学资源上仍具有较大的不足。举例来说，从教师方面来看，信息化水平不均衡，教育技术应用不熟练，导致教师无法将信息化与教育教学进行有效整合；从学生方面来看，信息化教学资源形式单一，无法激发学习的积极性。
体感交互自发展以来，在技术方面越来越成熟，应用方面也越来越广泛。其可以令用户以更加自然的方式与计算机进行交互，如肢体动作，语音等，摆脱了对传统的输入设备的依赖，提高了人机交互的输入输出效率。另一方面，游戏具有极大的趣味性，其中的积极因素正逐渐被引入教学，借以激发学生的学习兴趣，让学生充满乐趣的学习，游戏元素的引入是对传统教学的延伸，弥补了传统教学方式。目前的将体感交互应用到信息化教学的发展还处于初级摸索阶段，现有的体感交互无法直接应用到信息化教学中。尤其是，目前的体感教学在多学科兼容性上具有一定的不足，普适性较差，无法良好地应用到多学科上。同时，体感交互技术对教师要求较高，以及在使用体感交互进行信息化教学的时候，还需要考虑到教学效果以及与学生互动性的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于信息化教学的体感交互方法及系统。本发明技术方案的方法，针对目前信息化教学与体感交互之间存在一定不适应的情况，设计了一种游戏化的基于体感交互的教学资源制作的方法，部分解决了上述问题。本发明技术方案可以应用到多种学科，为教师开辟了简易通道，通过对环境、关卡等的设定，搭建出游戏化场景，并在此基础上利用体感交互的手势操作，建立交互式的教学模式，游戏教学效果的评价通过评价模型实现，创新了教学资源的制作方法，为教学资源的制作提供了新的模式。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于信息化教学的体感交互方法，其特征在于，包括
S1针对不同学习层次的用户设定每个学习层次所学习的教学内容；
S2对教学内容进行拆分，构建教学元素，生成教学资源包；
S3加载教学资源包，对学习环境进行配置，构建教学体感交互学习场景；
S4获取用户身体姿态信息，根据用户身体姿态信息对姿态指令进行识别，并将其转化为教学元素操作指令；
S5根据用户身体姿态状态和/或动作触发教学元素的操作指令，对教学元素完成对应状态和/或动作，形成交互式教学形态。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S2包括，
S21对教学内容进行特征分析，确定其构成特点；
S22根据教学内容的构成特点，建立每种教学内容的拆分规则和/或分类规则；
S23按照拆分规则对教学内容进行拆分，获得每种教学内容的初始教学元素；
S24针对每种教学内容，在对应的初始教学元素中加入游戏要素，形成教学元素；
S25按照分类规则对教学元素进行整理，形成教学资源包。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S3包括，
S31根据教学内容和用户的学习层次，选择符合用户认知特点的空间场景；
S32对本学习层次的教学资源包进行加载，获取本学习层次的教学内容；
S33根据用户特征设定学习学科和关卡，结合本学习层次的教学内容展示教学元素。
作为本发明技术方案的一个优选，步骤S5包括，
S51对初始环境的红外数据进行处理，获取初始环境的三维景深数据；
S52检测可视范围内的用户，根据用户身体的红外信息，判断用户身体的关节点并追踪，以获取用户的手势状态和/或手势动作；
S53将用户的起始手势作为基准，根据用户的手势状态选定教学元素，根据用户的手势动作对选定的教学元素执行手势动作。
作为本发明技术方案的一个优选，还包括，收集用户教学过程中的包括教学时间、教学次数和教学成果在内的教学信息；建立评价模型，根据权重将教学信息导入评价模型，获得评价结果；根据评价结果对用户的教学结果进行评价。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于信息化教学的体感交互系统，其特征在于，包括，
教学大纲模块，用于针对不同学习层次的用户设定每个学习层次所学习的教学内容；
资源构建模块，用于对教学内容进行拆分，构建教学元素，生成教学资源包；
资源配置模块，用于加载教学资源包，对学习环境进行配置，构建教学体感交互学习场景；
指令识别模块，用于获取用户身体姿态信息，根据用户身体姿态信息对姿态指令进行识别，并将其转化为教学元素操作指令；
交互应用模块，用于根据用户身体姿态状态和/或动作触发教学元素的操作指令，对教学元素完成对应状态和/或动作，形成交互式教学形态。
作为本发明技术方案的一个优选，资源构建模块包括，
特征分析模块，用于对教学内容进行特征分析，确定其构成特点；
规则建立模块，用于根据教学内容的构成特点，建立每种教学内容的拆分规则和/或分类规则；
学科拆分模块，用于按照拆分规则对教学内容进行拆分，获得每种教学内容的初始教学元素；
教学元素模块，用于针对每种教学内容，在对应的初始教学元素中加入游戏要素，形成教学元素；
资源整合模块，用于按照分类规则对教学元素进行整理，形成教学资源包。
作为本发明技术方案的一个优选，资源配置模块包括，
场景选择模块，用于根据教学内容和用户的学习层次，选择符合用户认知特点的空间场景；
资源加载模块，用于对本学习层次的教学资源包进行加载，获取本学习层次的教学内容；
资源展示模块，用于根据用户特征设定学习学科和关卡，结合本学习层次的教学内容展示教学元素。
作为本发明技术方案的一个优选，交互应用模块包括，
红外捕捉模块，用于对初始环境的红外数据进行处理，获取初始环境的三维景深数据；
节点追踪模块，用于检测可视范围内的用户，根据用户身体的红外信息，判断用户身体的关节点并追踪，以获取用户的手势状态和/或手势动作；
手势执行模块，用于将用户的起始手势作为基准，根据用户的手势状态选定教学元素，根据用户的手势动作对选定的教学元素执行手势动作。
作为本发明技术方案的一个优选，还包括教学评价模块，用于收集用户教学过程中的包括教学时间、教学次数和教学成果在内的教学信息；建立评价模型，根据权重将教学信息导入评价模型，获得评价结果；根据评价结果对用户的教学结果进行评价。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明技术方案的方法，对教学内容进行了拆分和重组，形成多个可以被体感交互设备捕获的动作指令识别的教学元素，进而通过体感交互技术，可以根据用户身体姿态的变换获取不同的指令，对所识别的教学元素执行对应的指令内容，从而实现以体感交互的方式进行信息化教学。
2)本发明技术方案的方法，采用普适的拆分规则对不同学科的教学内容进行拆分，以满足多学科的资源拆分需求，使得本发明的系统可以兼容多学科的学习需求，且操作简单，能够帮助快速进行教学资源的准备，提高教学效率。
3)本发明技术方案的方法，可以根据用户身份的差别，获取对应的教学内容；同时由于在教学元素中融入了游戏的元素特征，可以根据用户的需求选择对应的教学内容以及学习难度，用户还可以对教学内容的呈现形式进行自定义，在保证了学习内容与用户身份匹配的同时，提高了教学内容呈现形式的多元化设置。
4)本发明技术方案的方法，将学科内容拆分后与游戏元素以及体感交互技术进行结合，建立了通过手势触发的体感交互教学模式，使得教学元素可以跟随手势指令动作；用户可以自然地利用这种方式与计算机进行交互学习，提高学习的趣味性，促进用户的教学互动，极大地提高了用户的参与度。
5)本发明技术方案的方法，通过对教学过程中的多个指标参数化，可以获取整个教学参数过程中的学习数据，提出了多种教学过程；同时，还可以针对不同的学习指标设置不同的权重，利用不同权重的评价模型，可有效的从多个方面评价学习效果，用户可以根据学习效果的评价有效调整学习进度。
附图说明
图1是本发明技术方案实施例中基于体感交互的教学资源制作方法流程图；
图2是本发明技术方案实施例中教学资源准备流程图；
图3是本发明技术方案实施例中干扰内容的难度分配流程图；
图4是本发明技术方案实施例中游戏化场景搭建流程图；
图5是本发明技术方案实施例中学科、关卡的输入匹配流程图；
图6是本发明技术方案实施例中体感交互教学模式流程图；
图7是本发明技术方案实施例中游戏教学效果评价流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例的游戏化的基于体感交互的教学资源制作方法包括如下步骤：
步骤(1)：针对不同的学习者设定教学大纲，不同层级的学习者学习的内容不同。以学习者的认知特点以及教学大纲为参考，分学科选择教学内容，按照不同学科的拆分规则对学科及学科资源进行拆分，完成资源的准备工作。例如，针对不同年龄段的学习者，设定不同的教学大纲，以此为参考按照不同的学科准备资源。
如图2所示，步骤(1)中进一步包括如下步骤：
(1-1)对各学科的教学内容进行特征分析，结合学习者的认知以及心理特点，确定当前选用的学科。例如，在一个具体的实施例中，选用的学科为语文、英语以及数学，相应的教学内容为汉字拼音、英语单词以及数学公式。
(1-2)根据不同的学科以及所选用教学内容的构成特点，建立不同的拆分规则；本实施例中，各学科教学内容的拆分规则优选通过如下方法得到：
T＝A+B+C+…
其中，等号左边的T代表单个教学内容，等号右面的字母代表分元素，其个数由各学科教学内容可拆分出的子组成部分数量确定，即按照某种规则分离给定的教学内容，得到的单个元素的数量。
本实施例中，优选采用如下存储结构对拆分内容进行存储：根元素<elements>中可以包含多个子元素<element>，每个根元素包含了一个学科所有资源，每个子元素存储了一个教学内容。此种存储形式具有通用性，任意学科的教学内容都可以采用此结构进行存储。本实施例中对语文、英语以及数学采用这种存储规则，并不构成对本发明技术方案的限制。
(1-3)按照拆分规则，分别将汉字拼音、英语单词以及数学公式进行拆分；
(1-4)在拆分后的教学内容中，按照不同的学科和/或资源加入其他游戏要素。例如，在汉语拼音教学资源中加入动画图像。
具体来说，为了丰富体感游戏交互教育模式优选针对不同学科和/或资源加入趣味性内容。如表1所示为趣味内容的表现形式。
表1趣味内容的表现形式
| 主要体现方面 | |
| 形式趣味 | 造型、色彩、材料、装饰等 |
| 功能趣味 | 形式物质化的功能、形式非物质化的功能等 |
本实施例中趣味性内容优选从形式和功能两方面进行体现。其中，形式趣味优选包括形象造型、色彩、材料、装饰等，进一步地，还可表现为拟人化的外形设计、柔和的色彩、新奇的画面等；功能趣味优选包括形式物质化的功能、形式非物质化的功能等。通过这种趣味内容表现形式，可以改变传统的观看式学习模式，令学习者手脑并用，增强学习效果。
同时，为了提高体感游戏交互教育模式的难度指数，本实施例中优选进一步加入干扰性内容。如图3所示。优选的，本实施例中干扰性内容的难度会随着关卡数目(i)的增加而提升，在一个具体的实施例中关卡分级梯度为5级，优选如下：
低难度等级(0<i≤5)：随机位置，调换次序、语序，产生逻辑上的错误，如主客颠倒、混淆先与后等；
中难度等级(5<i≤10)：胡乱拼凑、无中生有、随意组合信息；
高难度等级(i>10)：以相关、相近或易混的知识作为干扰项，混淆记忆。
作为本实施例的一个优选，为了获得较为准确的评价结果，还可以在针对不同学科和/或资源加入评价性内容；
(1-5)对不同学科的教学内容进行分类整理，对需要视觉化呈现的教学元素进行设计，集成该学科的游戏资源包。
具体来说，本实施例中优选将所有资源文件按照一定类别划分类型，如教学内容、游戏要素、文本、纹理贴图等，建立分类目录；然后将不同学科教学内容的资源对应打包形成多个教育资源包，以便在运行时将其整体加载到场景中。
步骤(2)：以游戏资源包为输入内容，针对当前配置环境、关卡等，实现游戏化场景的搭建。如图4所示，步骤(2)中进一步包括如下步骤：
(2-1)根据教学内容选择以及儿童的年龄特征，选择符合儿童认知特点的空间场景。如表2所示为一个具体实施例中内置场景的区分内容。
表2内置场景的区分内容
在标准配置下，本实施例中优选设定了天空、教室、海洋以及星空四种空间场景；四种场景内部设计与学习者年龄相关，根据学习者不同年龄段的心理特点，对内部情境进行了区分；用户可根据实际需求自行选择空间场景。
(2-2)加载生成的教育资源包，即添加将要呈现的教学内容；
(2-3)从学科以及关卡数目两方面进行设定，展现恰当的游戏元素。如图5所示，用户可以根据需求输入学科以及关卡数目i；选择学科后，进一步可以根据关键词进行筛选，动态分配相对应的资源。在一个具体的实施例中，用户还可以设定关卡数目，限定各学科资源数量，根据关卡值对教育内容进行截取。并且随着关卡数目的增加，教学内容的难度也会升级，例如，干扰项更加相近。
步骤(3)：以体感环境为基础，通过手势操作触发游戏化元素的碰撞，建立交互式教学模式。如图6所示，步骤(3)进一步包括如下步骤：
(3-1)初始化程序，显示深度数据，即通过捕捉的红外线直接获取周围环境的3D图。
(3-2)利用动作捕捉工具，如Kinect，检测用户是否在可视范围内。
(3-3)对检测到的用户，获取人物信息，追踪身体的多个关节点。本实施例中优选考虑追踪用户的手势位置以及状态。
(3-4)以用户的起始手势作为基准手势，再跟随获取另一只手的手势状态，执行相应操作。例如，用户举起手，在任意一游戏元素范围内握拳，就相当于选定了该元素，并且其可以跟随手的位置坐标进行移动。与此同时，另一只手可以以同样的方式进行游戏元素的选取。
(3-5)将两只手抓取的物体进行碰撞。
(3-6)若碰撞动作结束时对结果进行判断，确认是否触发了碰撞动作，否则，可继续触发碰撞动作。
(3-7)对碰撞结果进行判定，如果正确，则此关卡结束，否则，可考虑是否重新选择当前关卡或选择其他关卡。
步骤(4)：建立评价模型作为评价标准，收集整个教学过程中的信息，利用评价模型实现游戏化教学结果评价。即，收集用户在整个游戏过程中的相关信息，作为评价的参数。作为本实施例的一个优选，游戏过程中的信息收集包括题目的完成情况，答题的准确率，完成全部题目的时长以及体验整个游戏的次数等方面。根据建立的评价模型，对用户的教学结果进行评价。如图7所示。
本实施例中，评价模型的建立，主要考虑趣味性以及学习成绩两方面。趣味性通过上述所描述的完成情况，准确率，时长以及次数体现。优选将各个指标参数化表示，例如通过字母进行表示：完成情况(c)，准确率(a)，时长(d)，次数(f)以及学习成绩(g)等。在一个具体的实施例中，优选采用百分制的方式进行评价，各指标的满分值均为100分，因此构成的评价模型(EM)可表示为：
EM＝α*(c+a+d+f)+β*g
其中，EM的满分值为100分；α、β为权重，在测试过程中，动态变化，经过多种模型校准能确定其值。如，可以通过选取正确的模型的评价结果，根据模型结果和各个变量建立多个关于αβ的方程，最终通过计算结果调整αβ的权重值。根据用户的评价分数，结合教学数据最终得出最终的学习效果的分析结果。
进一步地，利用本发明技术方案，还可以针对不同的用户建立不同的评价模型。如针对学生来说，其学习时间越短，学习准确率越高，其所能获得的评价越高。如针对教师，则可以根据其所教授的学生的学习效率或者学生的评价反馈数据来对其进行评价。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于信息化教学的体感交互方法，其特征在于，包括，
S1针对不同学习层次的用户设定每个学习层次所学习的教学内容；
S2对教学内容进行拆分，构建教学元素，生成教学资源包；
S3加载教学资源包，对学习环境进行配置，构建教学体感交互学习场景；
S4获取用户身体姿态信息，根据用户身体姿态信息对姿态指令进行识别，并将其转化为教学元素操作指令；
S5根据用户身体姿态状态和/或动作触发教学元素的操作指令，对教学元素完成对应状态和/或动作，形成交互式教学形态。
2.根据权利要求1所述的一种用于信息化教学的体感交互方法，其中，所述步骤S2包括，
S21对教学内容进行特征分析，确定其构成特点；
S22根据教学内容的构成特点，建立每种教学内容的拆分规则和/或分类规则；
S23按照拆分规则对教学内容进行拆分，获得每种教学内容的初始教学元素；
S24针对每种教学内容，在对应的初始教学元素中加入游戏要素，形成教学元素；
S25按照分类规则对教学元素进行整理，形成教学资源包。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于信息化教学的体感交互方法，其中，所述步骤S3包括，
S31根据教学内容和用户的学习层次，选择符合用户认知特点的空间场景；
S32对本学习层次的教学资源包进行加载，获取本学习层次的教学内容；
S33根据用户特征设定学习学科和关卡，结合本学习层次的教学内容展示教学元素。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于信息化教学的体感交互方法，其中，所述步骤S5包括，
S51对初始环境的红外数据进行处理，获取初始环境的三维景深数据；
S52检测可视范围内的用户，根据用户身体的红外信息，判断用户身体的关节点并追踪，以获取用户的手势状态和/或手势动作；
S53将用户的起始手势作为基准，根据用户的手势状态选定教学元素，根据用户的手势动作对选定的教学元素执行手势动作。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于信息化教学的体感交互方法，其中，还包括，收集用户教学过程中的包括教学时间、教学次数和教学成果在内的教学信息；建立评价模型，根据权重将教学信息导入评价模型，获得评价结果；根据评价结果对用户的教学结果进行评价。
6.一种用于信息化教学的体感交互系统，其特征在于，包括，
教学大纲模块，用于针对不同学习层次的用户设定每个学习层次所学习的教学内容；
资源构建模块，用于对教学内容进行拆分，构建教学元素，生成教学资源包；
资源配置模块，用于加载教学资源包，对学习环境进行配置，构建教学体感交互学习场景；
指令识别模块，用于获取用户身体姿态信息，根据用户身体姿态信息对姿态指令进行识别，并将其转化为教学元素操作指令；
交互应用模块，用于根据用户身体姿态状态和/或动作触发教学元素的操作指令，对教学元素完成对应状态和/或动作，形成交互式教学形态。
7.根据权利要求6所述的一种用于信息化教学的体感交互系统，其中，所述资源构建模块包括，
特征分析模块，用于对教学内容进行特征分析，确定其构成特点；
规则建立模块，用于根据教学内容的构成特点，建立每种教学内容的拆分规则和/或分类规则；
学科拆分模块，用于按照拆分规则对教学内容进行拆分，获得每种教学内容的初始教学元素；
教学元素模块，用于针对每种教学内容，在对应的初始教学元素中加入游戏要素，形成教学元素；
资源整合模块，用于按照分类规则对教学元素进行整理，形成教学资源包。
8.根据权利要求6或7所述的一种用于信息化教学的体感交互系统，其中，所述资源配置包括，
场景选择模块，用于根据教学内容和用户的学习层次，选择符合用户认知特点的空间场景；
资源加载模块，用于对本学习层次的教学资源包进行加载，获取本学习层次的教学内容；
资源展示模块，用于根据用户特征设定学习学科和关卡，结合本学习层次的教学内容展示教学元素。
9.根据权利要求6～8任一项所述的一种用于信息化教学的体感交互系统，其中，所述交互应用模块包括，
红外捕捉模块，用于对初始环境的红外数据进行处理，获取初始环境的三维景深数据；
节点追踪模块，用于检测可视范围内的用户，根据用户身体的红外信息，判断用户身体的关节点并追踪，以获取用户的手势状态和/或手势动作；
手势执行模块，用于将用户的起始手势作为基准，根据用户的手势状态选定教学元素，根据用户的手势动作对选定的教学元素执行手势动作。
10.根据权利要求6～9任一项所述的一种用于信息化教学的体感交互系统，其中还包括教学评价模块，用于收集用户教学过程中的包括教学时间、教学次数和教学成果在内的教学信息；建立评价模型，根据权重将教学信息导入评价模型，获得评价结果；根据评价结果对用户的教学结果进行评价。
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| CN201810273083.XA CN108538117A (zh) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | 一种用于信息化教学的体感交互方法及系统 |
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