CN109493652B - 基于vr技术的实践教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VR技术的实践教学系统，包括：虚拟互动主教学模块，其连接到处理器；其内存储各种虚拟教学内容；虚拟教学选择模块，其可调取虚拟教学内容；VR头戴显示装置，其内设置虚拟互动子教学模块，通过手势解析模块分析摄像感应模块传输的轨迹曲线数据，生成与轨迹曲线数据同步的图形，传输至虚拟场景显示模块，并可使虚拟视野的物品与手部的运动同步；同时利用虚拟教学修正模块对正在进行的虚拟学习操作进行实时修正提醒。本发明将通过将传统的教学内容转换为虚拟互动教学内容，同时设定手部运动与虚拟视野同步，并对同步操作的教学内容监督纠错，便于提高学生的学习热情，并及时发现纠正教学互动中的知识错误点。

Description

基于VR技术的实践教学系统

技术领域

本发明涉及虚拟技术领域，尤其涉及一种基于VR技术的实践教学系统。

背景技术

VR即虚拟现实(VirtualReality)，是一种“互动式的计算机模拟环境，能感知用户的状态和行为，替换或者加强对一种或多种感知系统的感官反馈信息，从而使用户获得一种沉浸在模拟环境(虚拟环境)中的感觉”。在学习和训练中使用VR可以更有效地加强学习者的学习动机、提升他们对学习的真实体验感。传统教学中，教师在准备、组织和控制教学过程中，主要关注学生对知识的再现，重点培养学习者的基础知识、训练聚合型思维和近迁移能力，利用传统的板书以及课件的方式对学生进行填鸭式教学，不仅老师身感乏力，学生吸收效果也较低，课堂时间也被浪费掉，如何提高学生的学习兴趣，是家长以及老师包括学生本人都相当关注的，只有提高学生的学习热情，使学生积极主动地自主学习才更有利于促进学习者对高阶知识、复杂问题的探索，发散思维和远迁移能力的培养不高，学习成效较低，同时师生之间的互动也不频繁，很难调动学生的积极性，为了更好的调动学生学习的兴趣以及课堂间师生的教学互动，建立一种基于VR技术的实践教学系统是很有必要的。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于VR技术的实践教学系统，将通过将传统的教学内容转换为虚拟互动教学内容，同时设定手部运动与虚拟视野同步，并对同步操作的教学内容监督纠错，便于提高学生的学习热情，并及时发现纠正教学互动中的知识错误点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于VR技术的实践教学系统，包括：

处理器，其连接到显示屏。

虚拟互动主教学模块，其包括：

虚拟数据存储模块，其其连接到所述处理器，所述虚拟数据存储模块用于存储根据教学内容设计的各种虚拟场景以及与所述虚拟场景相关的虚拟教学内容。以及

虚拟教学选择模块，其连接到所述虚拟数据存储模块，所述虚拟教学选择模块用于根据学生或教师在输入端选择的教学内容调取对应的所述虚拟场景及虚拟教学内容。

VR头戴显示装置，其内设置虚拟互动子教学模块，所述虚拟互动子教学模块包括：

虚拟场景显示模块，其连接到所述虚拟教学选择模块，所述虚拟场景显示模块用于将调取的所述虚拟场景及虚拟教学内容载入虚拟视野内。

摄像感应模块，其用于采集并存储手部的运动轨迹，生成轨迹曲线数据。

手势解析模块，其连接到所述摄像感应模块，所述手势解析模块用于分析所述摄像感应模块传输的轨迹曲线数据，生成与所述轨迹曲线数据同步的图形，传输至所述虚拟场景显示模块；并可使所述虚拟视野的物品与所述手部的运动同步。以及

虚拟教学修正模块，其连接到所述手势解析模块以及虚拟数据存储模块，所述虚拟教学修正模块用于根据存储的所述虚拟教学内容对正在进行的虚拟学习操作进行实时修正提醒，并将提醒的内容以及参考信息以图文的形式传输至所述虚拟场景显示模块，以呈现在所述虚拟视野内。

优选的是，还包括语音控制模块，其包括：

语音输出模块，其设置在所述VR头戴显示装置内，所述语音输出模块设置学生语音输出端口和教师语音输出端口，所述学生语音输出端口的启闭受控与所述教师语音输出端口以及处理器，所述教师语音输出端口的启闭受控于所述处理器。

身份确认模块，其用于采集并存储学生以及教师的身份信息，生成身份数据信息传输至所述处理器。

优选的是，所述虚拟互动子教学模块还包括自评分模块，其包括：

虚拟实时存储模块，其连接到所述虚拟场景显示模块，所述虚拟实时存储模块用于采集并存储教学互动中所述虚拟视野内的学生互动内容。

评分测定模块，其接收所述虚拟实时存储模块传输的所述学生互动内容，生成学生互动数据信息并给出互动分析结果，根据所述互动分析结果对所述学生在虚拟视野中的互动表现打分，并传输至所述处理器。

优选的是，所述互动分析结果包括所述学生在互动过程中出现的错误、所述错误的正解以及所述错误出现的概率。

优选的是，所述虚拟数据存储模块包括多个子存储模块，分别为输出端载入存储模块和场景应用存储模块，所述输出端载入存储模块用于采集并存储关于虚拟教学的原始载入数据信息；所述场景存储模块用于采集并存储在所述虚拟教学的过程中产生的数据信息。

优选的是，还包括VR教室，所述VR教室设置为圆形，所述VR教室中部设置与所述VR教室适配的环形轨道，以及多个与所述环形轨道连接并设置在所述环形轨道外侧的垂直所述环形轨道的分行轨道，所述分行轨道与所述环形轨道的连接处设置贯通所述环形轨道和分行轨道的缺口。

优选的是，还包括设置在所述VR教室内的转动椅，其设置在所述环形轨道上并与所述环形轨道适配；所述转动椅包括椅背、椅座以及设置在所述椅座下端的支撑箱；所述椅座上设置安全带；所述支撑箱底端设置与所述环形轨道适配的万向轮；所述支撑箱内设置驱动所述万向轮转动的电机，所述电机的启闭受控于所述处理器。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通过在所述虚拟数据存储模块内设置与教学内容相关的所有虚拟场景以及虚拟的教学内容作为虚拟教学的基础，教师根据自己的授课内容通过所述虚拟教学选择模块的输入端选择将要授课的内容，以便所述虚拟教学选择模块根据选择的内容调取相应的虚拟场景以及虚拟教学内容备虚拟互动使用；通过设置的处理器，可使教师或设备技术员对虚拟存储内容进行修补替换，并可通过显示器预览虚拟场景以及虚拟教学内容，便于提高虚拟内容的质量。

通过虚拟场景显示模块将选取的教学相关的虚拟内容呈现在虚拟视野内，学生在佩戴上VR头戴显示装置后，看到的是立体的沉浸式的虚拟场景，便于提高学生互动中的处于场景内的真实感受；通过设置摄像感应模块，可采集手部包括手腕、胳膊、手指的运动轨迹，并将这种现实中的运动轨迹，通过手势解析模块的转换，使这种运行轨迹同步到学生可见的虚拟视野内，学生或教师在虚拟视野内就可清晰的看到与虚拟视野同步的手部的运动轨迹，将此运动轨迹以图形的方式直观的呈现，便于学生或教师以手势替代传统的纸笔，在互动中交流，不仅节省纸张，同时手势生成的图形均保存记忆，便于查找以及下次互动的进行；通过虚拟教学修正模块修正在互动中产生的错误的教学内容，便于学生及时发现纠正错误，比如，通过虚拟互动进行实验，学生可选择实验内容，佩戴上VR头显设备后，学生视野内呈现的就是实验设备，使其有置身于实验室内进行实验的感受，在通过外部手部运动与虚拟视野同步，虚拟视野内的物体会在外界手部运动下，同步运动，如拿起实验瓶等动作，从而进行虚拟视野内的实验操作的演练，在操作演练的过程中，虚拟教学修正模块会加虚拟实验演练的动作与存储的对应的虚拟教学内容中的这一部分进行比对，以并在学生演练的过程中，及时发现问题，并将发现的问题以参考字幕或者时操作图画的形式同步到虚拟视野内，使学生直观的了解错误所在；再例如：教师可通过外部手势不借助外物进行板书，板书的内容同步至学生的虚拟视野内，且根据特定的手势代表特定的意思，以通过手势对在写的板书进行删除或者是修改；避免了教师传统板书书写的体力和时间上的消耗；通过将传统教学转换为虚拟互动教学的方式，利用虚拟视野使学生沉浸在虚拟场景内，便于提高学生的学习兴趣和学习热情，通过将教学内容以虚拟场景的方式呈现，更利于教学质量的提高。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述基于VR技术的实践教学系统的结构框图；

图2为本发明中所述VR教室内的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种基于VR技术的实践教学系统，包括：

处理器，其连接到显示屏。

虚拟互动主教学模块，其包括：

虚拟数据存储模块，其连接到所述处理器，所述虚拟数据存储模块用于存储根据教学内容设计的各种虚拟场景以及与所述虚拟场景相关的虚拟教学内容。以及

虚拟教学选择模块，其连接到所述虚拟数据存储模块，所述虚拟教学选择模块用于根据学生或教师在输入端选择的教学内容调取对应的所述虚拟场景及虚拟教学内容。

VR头戴显示装置，其内设置虚拟互动子教学模块，所述虚拟互动子教学模块包括：

虚拟场景显示模块，其连接到所述虚拟教学选择模块，所述虚拟场景显示模块用于将调取的所述虚拟场景及虚拟教学内容载入虚拟视野内。

摄像感应模块，其用于采集并存储手部的运动轨迹，生成轨迹曲线数据。

手势解析模块，其连接到所述摄像感应模块，所述手势解析模块用于分析所述摄像感应模块传输的轨迹曲线数据，生成与所述轨迹曲线数据同步的图形，传输至所述虚拟场景显示模块，并可使所述虚拟视野的物品与所述手部的运动同步。以及

虚拟教学修正模块，其连接到所述手势解析模块以及虚拟数据存储模块，所述虚拟教学修正模块用于根据存储的所述虚拟教学内容对正在进行的虚拟学习操作进行实时修正提醒，并将提醒的内容以及参考信息以图文的形式传输至所述虚拟场景显示模块，以呈现在所述虚拟视野内。

在上述方案中，通过在所述虚拟数据存储模块内设置与教学内容相关的所有虚拟场景以及虚拟的教学内容作为虚拟教学的基础，教师根据自己的授课内容通过所述虚拟教学选择模块的输入端选择将要授课的内容，以便所述虚拟教学选择模块根据选择的内容调取相应的虚拟场景以及虚拟教学内容备虚拟互动使用；通过设置的处理器，可使教师或设备技术员对虚拟存储内容进行修补替换，并可通过显示器预览虚拟场景以及虚拟教学内容，便于提高虚拟内容的质量。

通过虚拟场景显示模块将选取的教学相关的虚拟内容呈现在虚拟视野内，学生在佩戴上VR头戴显示装置后，看到的是立体的沉浸式的虚拟场景，便于提高学生互动中的处于场景内的真实感受；通过设置摄像感应模块，可采集手部包括手腕、胳膊、手指的运动轨迹，并将这种现实中的运动轨迹，通过手势解析模块的转换，使这种运行轨迹同步到学生可见的虚拟视野内，学生或教师在虚拟视野内就可清晰的看到与虚拟视野同步的手部的运动轨迹，将此运动轨迹以图形的方式直观的呈现，便于学生或教师以手势替代传统的纸笔，在互动中交流，不仅节省纸张，同时手势生成的图形均保存记忆，便于查找以及下次互动的进行；通过虚拟教学修正模块修正在互动中产生的错误的教学内容，便于学生及时发现纠正错误，比如，通过虚拟互动进行实验，学生可选择实验内容，佩戴上VR头显设备后，学生视野内呈现的就是实验设备，使其有置身于实验室内进行实验的感受，在通过外部手部运动与虚拟视野同步，虚拟视野内的物体会在外界手部运动下，同步运动，如拿起实验瓶等动作，从而进行虚拟视野内的实验操作的演练，在操作演练的过程中，虚拟教学修正模块会加虚拟实验演练的动作与存储的对应的虚拟教学内容中的这一部分进行比对，以并在学生演练的过程中，及时发现问题，并将发现的问题以参考字幕或者时操作图画的形式同步到虚拟视野内，使学生直观的了解错误所在；再例如：教师可通过外部手势不借助外物进行板书，板书的内容同步至学生的虚拟视野内，且根据特定的手势代表特定的意思，以通过手势对在写的板书进行删除或者是修改；避免了教师传统板书书写的体力和时间上的消耗；通过将传统教学转换为虚拟互动教学的方式，利用虚拟视野使学生沉浸在虚拟场景内，便于提高学生的学习兴趣和学习热情，通过将教学内容以虚拟场景的方式呈现，更利于教学质量的提高。

一个优选方案中，还包括语音控制模块，其包括：

语音输出模块，其设置在所述VR头戴显示装置内，所述语音输出模块设置学生语音输出端口和教师语音输出端口，所述学生语音输出端口的启闭受控与所述教师语音输出端口以及处理器，所述教师语音输出端口的启闭受控于所述处理器。

身份确认模块，其用于采集并存储学生以及教师的身份信息，生成身份数据信息传输至所述处理器。

在上述方案中，通过采集学生以及教师的身份信息，以备在虚拟互动时使用，便于虚拟互动中确认教师以及学生的身份，以提高虚拟互动的高效性；通过设置教师语音输出端，便于教师对学生的虚拟互动管理，避免学生同时语音互动时的嘈杂性，教师在教室语音输出端说出学生姓名或者是学号或代号之类的语音，对应的学生的语音输出端就会开启，可实现教师对单个或多个学生的可选择式语音；学生语音输入端并不完全受限与教师语音输出端，也可通过处理器进行开启闭合，使得学生在没有教师的参与下，依然可以进行虚拟互动设定演练。

一个优选方案中，所述虚拟互动子教学模块还包括自评分模块，其包括：

虚拟实时存储模块，其连接到所述虚拟场景显示模块，所述虚拟实时存储模块用于采集并存储教学互动中所述虚拟视野内的学生互动内容。

评分测定模块，其接收所述虚拟实时存储模块传输的所述学生互动内容，生成学生互动数据信息并给出互动分析结果，根据所述互动分析结果对所述学生在虚拟视野中的互动表现打分，并传输至所述处理器。

在上述方案中，通过将学生与教师在虚拟互动中的内容利用所述虚拟实时存储模块进行记录，便于评分测定模块有测定评分的依准，评分测定模块根据学生互动内容进行分析，对学生在互动过程中的表现进行打分，以便学生对自己在虚拟互动中的表现有一个认识和参考，以便在下一次虚拟互动中进行改进。

一个优选方案中，所述互动分析结果包括所述学生在互动过程中出现的错误、所述错误的正解以及所述错误出现的概率。

在上述方案中，为了使学生更加清晰准确的认识互动过程中的表现，通过对学习互动内容的分析，将学生在互动过程中产生的错误以及该错误出现的次数，以及该错误纠正的方式以及正确的做法，均反馈给所述学生，以便其准确了解互动中的不足。

一个优选方案中，所述虚拟数据存储模块包括多个子存储模块，分别为输出端载入存储模块和场景应用存储模块，所述输出端载入存储模块用于采集并存储关于虚拟教学的原始载入数据信息；所述场景存储模块用于采集并存储在所述虚拟教学的过程中产生的数据信息。

在上述方案中，通过设置输出端载入存储模块采集存储有关虚拟教学的原始载入数据信息，将教学内容进行采集制作出对应的虚拟场景视频以适配虚拟视野的显示，作为原始制作数据信息存储至所述输出端载入存储模块内，作为虚拟互动的基础；通过设置场景存储模块区别与已制作的虚拟场景视频教学内容，便于数据的读取和区分，所述场景存储模块存储在虚拟互动中产生的所有数据信息，便于后期查看或参考虚拟教学成果。

一个优选方案中，还包括VR教室，所述VR教室设置为圆形，所述VR教室中部设置与所述VR教室适配的环形轨道1，以及多个与所述环形轨道1连接并设置在所述环形轨道1外侧的垂直所述环形轨道1的分行轨道2，所述分行轨道2与所述环形轨道1的连接处设置贯通所述环形轨道1和分行轨道2的缺口3。

在上述方案中，如图2所示，通过设置特定的VR教室，以便在其内设置环形轨道1，充分利用教室面积，通过设置分行轨道2与环形轨道1对接，可使置于环形轨道1上的转动椅4在环形轨道1上移动并可换位移动至分行轨道2，以便于在对学生进行分组时，可将不加分组的同学移动至分行轨道2上待位，将分组的同学留在环形轨道1上进行教学互动，所述环形轨道1和分行轨道2的设置使得位于所述环形轨道1上的学生可以在不离开转动椅4的情况下，由教师任意组合留在环形轨道1上的互动组，给学生和老师均提供了极大的便利。

一个优选方案中，还包括设置在所述VR教室内的转动椅4，其设置在所述环形轨道1上并与所述环形轨道1适配；所述转动椅4包括椅背41、椅座42以及设置在所述椅座42下端的支撑箱43；所述椅座42上设置安全带；所述支撑箱43底端设置与所述环形轨道1适配的万向轮；所述支撑箱43内设置驱动所述万向轮转动的电机，所述电机的启闭受控于所述处理器。

在上述方案中，通过所述电机控制支撑箱43底端万向轮的转动，使所述转动椅4移动到相应的位置，所述处理器控制电机的启闭，从而间接在处理器处即可控制万向轮的转动，所述椅座42上设置安全带，防止椅座42上的学生跌落受伤；学生在进行虚拟互动时，只需坐在转动椅4上由教师控制转动椅4的转动即可，所述万向轮的设置便于在分行轨道2和环形轨道1之间的转接，采用所述支撑箱43支撑更加稳固，转动椅4移动的过程中晃动较小，所述支撑箱43内还可设置储物间，用于存放VR头显设备等。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于VR技术的实践教学系统，其中，包括：

处理器，其连接到显示屏；

虚拟互动主教学模块，其包括：

虚拟数据存储模块，其连接到所述处理器；所述虚拟数据存储模块用于存储根据教学内容设计的各种虚拟场景以及与所述虚拟场景相关的虚拟教学内容；以及

虚拟教学选择模块，其连接到所述虚拟数据存储模块，所述虚拟教学选择模块用于根据学生或教师在输入端选择的教学内容调取对应的所述虚拟场景及虚拟教学内容；

VR头戴显示装置，其内设置虚拟互动子教学模块，所述虚拟互动子教学模块包括：

虚拟场景显示模块，其连接到所述虚拟教学选择模块，所述虚拟场景显示模块用于将调取的所述虚拟场景及虚拟教学内容载入虚拟视野内；

摄像感应模块，其用于采集并存储手部的运动轨迹，生成轨迹曲线数据；通过设置摄像感应模块，可采集手部包括手腕、胳膊、手指的运动轨迹，并将这种现实中的运动轨迹，通过手势解析模块的转换，使这种运行轨迹同步到学生可见的虚拟视野内，学生或教师在虚拟视野内就可清晰的看到与虚拟视野同步的手部的运动轨迹，将此运动轨迹以图形的方式直观的呈现，便于学生或教师以手势替代传统的纸笔；

手势解析模块，其连接到所述摄像感应模块，所述手势解析模块用于分析所述摄像感应模块传输的轨迹曲线数据，生成与所述轨迹曲线数据同步的图形，传输至所述虚拟场景显示模块，并可使所述虚拟视野的物品与所述手部的运动同步；教师可通过外部手势不借助外物进行板书，板书的内容同步至学生的虚拟视野内，且根据特定的手势代表特定的意思，以通过手势对在写的板书进行删除或者是修改；以及

虚拟教学修正模块，其连接到所述手势解析模块以及虚拟数据存储模块，所述虚拟教学修正模块用于根据存储的所述虚拟教学内容对正在进行的虚拟学习操作进行实时修正提醒，并将提醒的内容以及参考信息以图文的形式传输至所述虚拟场景显示模块，以呈现在所述虚拟视野内。

2.如权利要求1所述基于VR技术的实践教学系统，其中，还包括语音控制模块，其包括：

语音输出模块，其设置在所述VR头戴显示装置内，所述语音输出模块设置学生语音输出端口和教师语音输出端口，所述学生语音输出端口的启闭受控与所述教师语音输出端口以及处理器，所述教师语音输出端口的启闭受控于所述处理器；

身份确认模块，其用于采集并存储学生以及教师的身份信息，生成身份数据信息传输至所述处理器。

3.如权利要求1所述基于VR技术的实践教学系统，其中，所述虚拟互动子教学模块还包括自评分模块，其包括：

虚拟实时存储模块，其连接到所述虚拟场景显示模块，所述虚拟实时存储模块用于采集并存储教学互动中所述虚拟视野内的学生互动内容；

评分测定模块，其接收所述虚拟实时存储模块传输的所述学生互动内容，生成学生互动数据信息并给出互动分析结果，根据所述互动分析结果对所述学生在虚拟视野中的互动表现打分，并传输至所述处理器。

4.如权利要求3所述基于VR技术的实践教学系统，其中，所述互动分析结果包括所述学生在互动过程中出现的错误、所述错误的正解以及所述错误出现的概率。

5.如权利要求1所述基于VR技术的实践教学系统，其中，所述虚拟数据存储模块包括多个子存储模块，分别为输出端载入存储模块和场景应用存储模块，所述输出端载入存储模块用于采集并存储关于虚拟教学的原始载入数据信息；所述场景应用存储模块用于采集并存储在所述虚拟教学的过程中产生的数据信息。

6.如权利要求1所述基于VR技术的实践教学系统，其中，还包括VR教室，所述VR教室设置为圆形，所述VR教室中部设置与所述VR教室适配的环形轨道，以及多个与所述环形轨道连接并设置在所述环形轨道外侧的垂直所述环形轨道的分行轨道，所述分行轨道与所述环形轨道的连接处设置贯通所述环形轨道和分行轨道的缺口。

7.如权利要求6所述基于VR技术的实践教学系统，其中，还包括设置在所述VR教室内的转动椅，其设置在所述环形轨道上并与所述环形轨道适配；所述转动椅包括椅背、椅座以及设置在所述椅座下端的支撑箱；所述椅座上设置安全带；所述支撑箱底端设置与所述环形轨道适配的万向轮；所述支撑箱内设置驱动所述万向轮转动的电机，所述电机的启闭受控于所述处理器。

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