CN108597272A - 一种基于情景教学的教育机器人及情景教学方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学的教育机器人技术领域，公开了一种基于情景教学的教育机器人及情景教学方法，教育机器人的情景教学方法包括：课前教学准备和资源库构建；课中的“当前情景任务的选择、构建与设计”、“情景任务教学模式选择、教学过程规划”、“执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成”、“人机交互”；课后个性化练习；教育机器人包括头部、躯干和四肢。有利于提高教学的个性化水平。教育机器人可以对学生的学习状态与互动表现的进行分析，判断学生对知识的掌握情况，及时对教学内容做出相应的调整,提高效率，提高对学生个性化教学的水平。

Description

一种基于情景教学的教育机器人及情景教学方法

技术领域

本发明属于教学的教育机器人技术领域，尤其涉及一种基于情景教学的教育机器人及情景教学方法。

背景技术

近几年，教育机器人作为多项技术的综合体，其在教学领域的应用对学生创造能力及动手能力的培养具有积极作用。教育机器人的研究已然成为了开发热点。将教育机器人投入使用可大大降低教育成本，提高教学效果，有利于教育平衡的推进。但随着人们对教育需求的不断增大，目前教育机器人产品的局限性正逐渐凸显：

(1)大量教育资源和计算能力的需求对教育机器人终端的存储和计算是一个很大的挑战；

(2)现有的教育机器人教学方式基本是以辅助教学为主，教学方式比较单一，在一定程度上提高了教学效果，但是机器人的技术优势还没有得到充分的发挥。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有机器人教学过程中存在的资源利用的问题和主导教学的问题。

如何实现资源利用的最大化、快速存储和处理数据信息、最大程度的节约成本和提高性能，如何实现机器人与现有的信息技术有效融合、如何让教育机器人主导教学，是现阶段教育机器人发展要解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于情景教学的教育机器人及情景教学方法。

本发明是这样实现的，一种教育机器人的情景教学方法，所述教育机器人的情景教学方法包括：

课前教学准备和资源库构建；

课中的“当前情景任务的选择、构建与设计”、“情景任务教学模式选择、教学过程规划”、“执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成”、“人机交互”；

课后个性化练习。

进一步，所述课前教学准备包括：教师在教育机器人管理系统中设计授课内容和授课对象，给机器人下达任务指令；

所述授课内容包括所授课程的教学大纲及授课课程表；

所述授课对象包括授课班级；教育机器人根据所授知识点的特征和学生的相关特征选择合适的情景任务及教学方法；

所述资源库包括学生学习的资料库；资源库的基本内容由教师创建，扩展内容由教育机器人在授课过程中由网络获取材料并加入到资料库。

进一步，所述“当前情景任务的选择、构建与设计”包括根据任务选择合适的教学情景，根据实施对象的特征对情景和任务进行安排；

所述“情景任务教学模式选择、教学过程规划”包括根据知识点之间的逻辑关系及学生的接受能力选择合适的教学模式，规划情景任务的教学过程。

进一步，所述“执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成”包括在按照规划执行教学的过程中为了使学生更好地把握所学知识，给学生布置一些具有创新性的学习任务，让学生以自主学习或协助学习的方式完成任务；在执行教学过程中，教育机器人对采集的学生学习的状态信息进行分析，根据分析结果调整背景音乐、语音语调及情景任务。

进一步，所述“人机交互”包括教育机器人对“当前对象行为识别、表情识别、问题应答”的过程，根据学生的学习及反馈信息自主调整教学内容、教学进度、教学方法方式及教学策略。

本发明的另一目的在于一种利用所述教育机器人的情景教学方法的教育机器人，所述教育机器人包括头部、躯干和四肢；

所述头部包括摄像头、红外传感器、超声波传感器、语音输入模块、语音输出模块、第一电机及第一电机驱动模块；

摄像头、红外线传感器、超声波传感器及语音输入模块分别有左右两个，分别分布在机器人头部的左右两侧；第一电机驱动模块接收躯干的处理器发送来的指令信息后，第一电机驱动模块驱动第一电机带动头部的转动。

所述躯干包括处理器、存储器、接口(串口、USB接口、RJ45接口)、wifi模块、资源库、应用系统、操作系统；所述存储器、接口(串口、USB接口、RJ45接口)、wifi模块、资源库、应用系统、操作系统均与处理器通过导线连接；

所述四肢包括左手臂、右手臂、左腿和右腿；

所述左手臂包括左手臂关节、第三电机和第三电机驱动模块；第三电机一端与机器人躯干左肩相连，一端与左手臂相连，第三电机驱动模块驱动第三电机的转动，带动左手臂动作；

所述右手臂包括右手臂关节、第二电机和第二电机驱动模块；第二电机一端与机器人躯干右键相连，一端与左手臂相连，第二电机驱动模块驱动第二电机的转动，带动手臂动作；

所述左腿包括左腿关节、第五电机和第五电机驱动模块；第五电机一端与机器人躯干左胯相连，一端与左腿关节相连，第五电机驱动模块驱动第五电机的转动，带动左腿关节动作；

所述右腿包括右腿关节、第四电机和第四电机驱动模块；第四电机一端与机器人躯干右胯相连，一端与右腿关节相连，第四电机驱动模块驱动第四电机的转动，带动右腿关节动作。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的教育机器人的情景教学方法。

本发明的优点及积极效果为：

有利于调动学生学习的积极性。教育机器人与虚拟现实技术向结合，提高学生在情景任务中的沉浸体验，并根据不同学生的教育基础、性格爱好对学生进行一种的良性互动与交流，从而激发学生的学习热情，调动学生学习的积极性。

有利于提高教学的个性化水平。教育机器人可以对学生的学习状态与互动表现的进行分析，判断学生对知识的掌握情况，及时对教学内容做出相应的调整,提高效率，提高对学生个性化教学的水平。

有利于培养学生的动手能力。借助教育机器人自身的计算随时根据内容设计一些实际操作和模拟操作来提高实践能力,克服了传统教学模式下,学生理论知识扎实,但实际动手能力不足的缺点。使学生的实际动手能力得到极大的提高。

有利于提高学生的创新意识。教育机器人对采集的学生特征信息进行挖掘处理，预测学生的发展潜能，在以后的授课过程中有意识地加大学生有潜力方面能力的培养。

附图说明

图1是本发明实施例提供的情景教学方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于情景教学的教育机器人执行情景教学的示意图。

图3是本发明实施例提供的基于情景教学的教育机器人的结构图。

图4是本发明实施例提供的实施例二中教育机器人在多媒体教室教学流程图。

图5是本发明实施例提供的实施例三中教育机器人在智能多媒体教室教学流程图。

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。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的情景教学方法，

主要由课前教学准备和资源库构建、课中的“当前情景任务的选择、构建与设计”、“情景任务教学模式选择、教学过程规划”、“执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成”、“人机交互”和课后的个性化练习等部分构成。

所述教学准备是指教师在教育机器人管理系统中设计授课任务和授课对象，给机器人下达任务指令。

所述授课内容指所授课程的教学大纲及授课课程表。

所述授课对象指授课班级。教育机器人根据所授知识点的特征和学生的相关特征选择合适的情景任务及教学方法。

所述资源库是指学生学习的资料库，也是教学机器人实施情景教学的材料库。资源库的基本内容主要由教师创建，扩展内容主要有教育机器人将在授课过程中由网络获取的材料加入到其中。

所述教学情景及任务选择与设计是指根据任务选择合适的教学情景，根据实施对象的特征对情景和任务进行合理安排以便学生能更好地融入到情景中，对知识更好地理解和把握；

所述“情景任务教学模式选择、教学过程规划”是指根据知识点之间的逻辑关系及学生的接受能力选择合适的教学模式，规划情景任务的教学过程。

所述“执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成”是指在按照规划执行教学的过程中为了使学生更好地把握所学知识，给学生布置一些具有创新性的学习任务，让学生以自主学习或协助学习的方式完成任务。在这个过程中，教育机器人对采集的学生学习的状态信息进行分析，根据分析结果调整背景音乐、语音语调及情景任务。

所述“人机交互”是指教育机器人对“当前对象行为识别、表情识别、问题应答”的过程中，根据学生的学习及反馈信息自主调整教学内容、教学进度、教学方法方式及教学策略。

如图2、图3所示，

所述的教育机器人装置是由头部、躯干和四肢等部分组成。

所述头部由摄像头、红外传感器、超声波传感器、语音输入模块、语音输出模块、第一电机及第一电机驱动模块构成。摄像头、红外线传感器、超声波传感器及语音输入模块分别有左右两个，以此分布在机器人头部的左右两侧，第一电机驱动模块接收处理器发送来的指令信息后，第一电机驱动模块驱动第一电机带动头部的转动。

所述躯干由处理器、存储器、接口(串口、USB接口、RJ45接口)、wifi模块、资源库、应用系统、操作系统等组成。

所述四肢由左手臂、右手臂、左腿和右腿组成。

所述左手臂由左手臂关节、第三电机和第三电机驱动模块组成。第三电机一端与机器人躯干左肩相连，一端与左手臂相连，第三电机驱动模块驱动第三电机的转动，进而带动左手臂做一些动作。

所述右手臂由右手臂关节、第二电机和第二电机驱动模块组成。第二电机一端与机器人躯干右键相连，一端与左手臂相连，第二电机驱动模块驱动第二电机的转动，进而带动手臂做一些动作。

所述左腿由左腿关节、第五电机和第五电机驱动模块组成。第五电机一端与机器人躯干左胯相连，一端与左腿关节相连，第五电机驱动模块驱动第五电机的转动，进而带动左腿关节做一些动作。

所述右腿由右腿关节、第四电机和第四电机驱动模块组成。第四电机一端与机器人躯干右胯相连，一端与右腿关节相连，第四电机驱动模块驱动第四电机的转动，进而带动右腿关节做一些动作。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

教学准备具体方法：

(1)教师在接受每学期或每学年的教学任务后，应在最短的时间内深入了解学生的基本情况，包括出生地、生活习惯、受教育的条件和基础、家庭背景、经济状况、健康水平、心理素质、人格、品德等，并将这些信息存入资源库对应数据表中。

(2)教师在接受教学任务后，首先将课程教学大纲、实践教学大纲及课程安排表存入资源库对应的数据表中。

(3)根据课程大纲及实践教学大纲的知识点设计多种教学情景，规划多种教学过程及实施步骤。设计教学情景、教学过程及实施方案选择的规则。

(4)实施教学时，教师只需要教学任务和教学对象，由教育机器人根据先前设定的选择规则自动进行选择与优化。

实施例二，如图4所示，

多媒体教室教学具体实施步骤：

要求教室具有教师主控电脑、投影仪；

(1)教师通过教室主控电脑给教育机器人任务指令，教育机器人根据知识点的特征、学生的特征及教学情景选择的规则选择合适的教学情景。

(2)根据学生的学习习惯及学生的接受能力对情景任务的教学过程与实施过程进行规划。

(3)教育机器人根据教学过程的规划流畅实施教学过程，教学的过程中，教育机器人一方面通过教室主控电脑的投影仪播放任务情景视频，一方面通过摄像头采集学生的学习状态信息，结合学生的个性爱好与学习习惯，调整情景任务的环境参数，比如分析学生的学习状态信息发现学校疲倦了，可以在情景视频中适当加一些背景音乐等。

实施例三，如图5所示，

智能多媒体教室教学具体步骤：

要求：教师主控电脑、投影仪、学生电脑、学生佩戴3D眼镜

(1)教师通过教室主控电脑给教育机器人任务指令，教育机器人根据知识点的特征、学生的特征及教学情景选择的规则选择合适的教学情景。

(2)根据学生的学习习惯及学生的接受能力对情景任务的教学过程与实施过程进行规划。

(3)教育机器人利用虚拟现实技术给学生构建一个虚拟的教学任务情景，通过教师主控电脑的投影仪向学生展示。学生在这个虚拟情景下可以自由探索，学习新的知识，完成学习任务。

(4)可以佩戴一些穿戴设备进行一些沉侵式体验；针对一些学习任务设计虚拟环境下的仿真的实践操作。

(5)学生在完成学习任务过程中的学习状态由教育机器人通过摄像头采集后，经过分析学习状态后，对学习任务进行适当调整。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

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 (7)

1.一种教育机器人的情景教学方法，其特征在于，所述教育机器人的情景教学方法包括：

课前教学准备和资源库构建；

进行课中的当前情景任务的选择、构建与设计、情景任务教学模式选择、教学过程规划、执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成、人机交互；

课后个性化练习。

2.如权利要求1所述的教育机器人的情景教学方法，其特征在于，

所述课前教学准备包括：教师在教育机器人管理系统中设计授课内容和授课对象，给机器人下达任务指令；

所述授课内容包括所授课程的教学大纲及授课课程表；

所述授课对象包括授课班级；教育机器人根据所授知识点的特征和学生的相关特征选择合适的情景任务及教学方法；

所述资源库包括学生学习的资料库；资源库的基本内容由教师创建，扩展内容由教育机器人在授课过程中由网络获取材料并加入到资料库。

3.如权利要求1所述的教育机器人的情景教学方法，其特征在于，

所述“当前情景任务的选择、构建与设计”包括根据任务选择合适的教学情景，根据实施对象的特征对情景和任务进行安排；

所述“情景任务教学模式选择、教学过程规划”包括根据知识点之间的逻辑关系及学生的接受能力选择教学模式，规划情景任务的教学过程。

4.如权利要求1所述的教育机器人的情景教学方法，其特征在于，所述“执行教学过程，创新要素、愉悦、语音、情景自主生成”包括在按照规划执行教学的过程中，给学生布置具有创新性的学习任务，让学生以自主学习或协助学习的方式完成任务；在执行教学过程中，教育机器人对采集的学生学习的状态信息进行分析，根据分析结果调整背景音乐、语音语调及情景任务。

5.如权利要求1所述的教育机器人的情景教学方法，其特征在于，所述“人机交互”包括教育机器人对“当前对象行为识别、表情识别、问题应答”的过程，根据学生的学习及反馈信息自主调整教学内容、教学进度、教学方法方式及教学策略。

6.一种利用权利要求1所述教育机器人的情景教学方法的教育机器人，其特征在于，所述教育机器人包括头部、躯干和四肢；

所述头部包括摄像头、红外传感器、超声波传感器、语音输入模块、语音输出模块、第一电机及第一电机驱动模块；

摄像头、红外线传感器、超声波传感器及语音输入模块分别有左右两个，分别分布在机器人头部的左右两侧；第一电机驱动模块接收躯干的处理器发送来的指令信息后，第一电机驱动模块驱动第一电机带动头部的转动。

所述躯干包括处理器、存储器、接口、wifi模块、资源库、应用系统、操作系统；所述存储器、接口、wifi模块、资源库、应用系统、操作系统均与处理器通过导线连接；

所述四肢包括左手臂、右手臂、左腿和右腿；

所述左手臂包括左手臂关节、第三电机和第三电机驱动模块；第三电机一端与机器人躯干左肩相连，一端与左手臂相连，第三电机驱动模块驱动第三电机的转动，带动左手臂动作；

所述右手臂包括右手臂关节、第二电机和第二电机驱动模块；第二电机一端与机器人躯干右键相连，一端与左手臂相连，第二电机驱动模块驱动第二电机的转动，带动手臂动作；

所述左腿包括左腿关节、第五电机和第五电机驱动模块；第五电机一端与机器人躯干左胯相连，一端与左腿关节相连，第五电机驱动模块驱动第五电机的转动，带动左腿关节动作；

所述右腿包括右腿关节、第四电机和第四电机驱动模块；第四电机一端与机器人躯干右胯相连，一端与右腿关节相连，第四电机驱动模块驱动第四电机的转动，带动右腿关节动作。

7.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的教育机器人的情景教学方法。