CN110853415A - 一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，包括虚拟教学教室、门禁管理装置、中继服务器、现场数据服务器、智能网关、数据通讯网络、基于云计算数据处理服务器，拟教学教室内均设一个门禁管理装置、一个现场数据服务器和一个智能网关，各虚拟教学教室内的智能网关间相互并联并分别通过数据通讯网络与中继服务器建立数据连接，且中继服务器与基于云计算数据处理服务器间相互连接。本发明一方面系统构成结构简单，通用性好，并具有良好的联机组网运行能力和良好的系统拓展能力；另一方面可实现根据学员不同的学习需求，在同一空间内灵活进行教学资源调配和集中教学的需要，并有效杜绝了不同教学资源同步运行时产生的相互干扰。

Description

一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，属教学设备技术领域。

背景技术

目前在诸如生物化工、工业产品设计加工、电子商务、国际贸易等教学活动中，为了提高教学效率，提高教学知识点讲授灵活性、便捷性、生动性，在基于传统黑板、投影仪等展示性教学设备开展教学工作的同时，基于虚拟现实技术为基础的沉浸式教学系统逐渐得到了应用和推广，如专利申请号为“201711387158.9”的“一种基于VR的虚拟教学方法、控制终端、虚拟教学系统”教学系统及专利申请号为“201621432055.0”的“虚拟现实教学戴式虚拟现实设备”，虽然当前的这些类型的虚拟教学系统和设备在一定程度上可以满足沉浸式教学的需要，但一方面存在系统构成结构复杂、组网联机运行能力差，系统拓展性不足，且在教学活动中，无法根据学员实际学习需要灵活调整调配教学资源等不足；另一方面当前所使用的虚拟教学设备往往均是基于VR头盔、眼镜及手套等相互独立的个体设备，在进一步增加了当前虚拟教学系统组网联机运行能差的缺陷同事，另导致虚拟教学活动信息数据展示途径单一，对教学效果缺乏有效的反馈，且学员在教学活动中与教学系统间互动能力不足，同事也导致了当前虚拟教学系统安装、维护作业难度大且工作成本高，从而严重影响了沉浸式虚拟教学系统及技术的推广和应用。

因此针对这一问题，迫切需要开发一种全新的虚拟教学系统，以满足实际使用的需要。

发明内容

本发明目的就在于克服上述不足，提供一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构及使用方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，包括虚拟教学教室、监控摄像头、门禁管理装置、中继服务器、现场数据服务器、智能网关、数据通讯网络、基于云计算数据处理服务器，虚拟教学教室至少两个，每个虚拟教学教室内均设一个门禁管理装置、一个现场数据服务器和一个智能网关，且现场数据服务器与门禁管理装置、智能网关及虚拟教学教室间分别通过数据通讯网络连接，各虚拟教学教室内的智能网关间相互并联并分别通过数据通讯网络与中继服务器建立数据连接，中继服务器和基于云计算数据处理服务器均位于各虚拟教学教室外，且中继服务器与基于云计算数据处理服务器间相互连接，监控摄像头数量与虚拟教学教室数量一致，且每个虚拟教学教室内均设至少一个监控摄像头，且监控摄像头光轴与虚拟教学教室轴线相交，交点与虚拟教学教室地平面间间距为虚拟教学教室有效高度的1/3—2/3，监控摄像头分别与其所在虚拟教学教室的智能网关电气连接。

进一步的，所述的虚拟教学教室内设至少一个教学组，且当教学组为两个及连个以上时，各教学组间并联并通过数据通讯网络与虚拟教学教室内的只能网关连接。

进一步的，所述的教学组包括承载龙骨、直线驱动滑轨、主升降驱动机构、辅助升降驱动机构、电子白板、定向扬声器、投影仪、通讯摄像头、VR头盔、VR手套、座椅及辅助控制电路，所述承载龙骨为横断面呈矩形的框架结构，与虚拟教学教室顶部连接，其轴线与虚拟教学教室顶部垂直分布，所述主升降驱动机构一端与承载龙骨下端面垂直连接并同轴分布，下端面通过转台机构与投影仪连接，所述投影仪至少两个，环绕主升降驱动机构轴线均布并与转台机构相互连接，且所述投影仪轴线与主升降驱动机构轴线相交并呈±30°夹角，且每个投影仪光轴均与一个电子白板前端面垂直相交，且交点位于电子白板中点位置，所述电子白板数量与投影仪数量一致，其后端面通过转台机构与辅助升降驱动机构下端面连接，且电子白板前端面与辅助升降驱动机构轴线呈±30°夹角，所述电子白板侧表面设至少两个定向扬声器，所述定向扬声器以电子白板轴线对称分布并通过转台机构与电子白板侧表面铰接，且对称分布在电子白板两侧的定向扬声器轴线相交，且交点位于电子白板前面至少30厘米处，所述辅助升降驱动机构上端面通过直线驱动滑轨与承载龙骨下端面滑动连接，所述直线驱动滑轨环绕承载龙骨轴线均布，且各直线驱动滑轨与承载龙骨下端面平行分布，其轴线与承载龙骨轴线垂直并相交，所述座椅若干，环绕承载龙骨轴线均布并与虚拟教学教室地平面连接，且座椅轴线与主升降驱动机构轴线成0°—45°夹角，且每个座椅均与一个VR头盔和一个VR手套构成一个工作组，且各VR头盔、VR手套均通过弹性连接带与座椅侧表面连接，其中所述VR头盔上设一个通讯摄像头，所述通讯摄像头光轴与VR头盔光轴相交，且交点位于VR头盔正前方至少50厘米处，所述辅助控制电路嵌于承载龙骨内，并分别与直线驱动滑轨、主升降驱动机构、辅助升降驱动机构、电子白板、定向扬声器、投影仪、通讯摄像头、VR头盔、VR手套及虚拟教学教室内电源系统，且辅助控制电路另通过数据通讯网络与智能网关相互连接。

进一步的，所述的投影仪与转台机构间通过承载基座连接，所述承载基座为与主升降驱动机构同轴分布的框架结构，承载基座内设若干隔板，上端设若干散热风机，所述投影仪嵌于承载基座内并环绕承载基座轴线均布，且相邻两个投影仪间通过隔板相互隔离，所述投影仪对应的承载基座上端面位置均设一个散热风机，所述散热风机与辅助控制电路电气连接。

进一步的，所述的直线驱动滑轨上设位移传感器、所述主升降驱动机构、辅助升降驱动机构上设至少一个磁致伸缩传感器，所述转台机构上设至少一个角度传感器，所述位移传感器、磁致伸缩传感器及角度传感器均与辅助控制电路电气连接。

进一步的，所述的主升降驱动机构、辅助升降驱动机构均为至少两级电动伸缩杆、液压伸缩杆及气压伸缩杆中的任意一种。

进一步的，所述的辅助控制电路为基于物联网控制器、可编程控制器中任意一种或两种共用为基础的电路系统。

进一步的，所述的门禁管理装置为指纹识别、数字编码识别、人脸面部识别、磁卡识别机构中任意一种或任意集中共用为基础的门禁系统。

进一步的，所述的中继服务器至少两个，各中继服务器间通过至少两条相互独立的数据通讯网络连接。

进一步的，所述的数据通讯网络包括至少一条在线通讯网络和至少一条无线数据通讯网络，且数据通讯网络中另包括至少一个物联网通讯网络系统和至少一个互联网通讯网络系统，且物联网通讯网络系统和互联网通讯网络系统相互并联。

本发明一方面系统构成结构简单，通用性好，并具有良好的联机组网运行能力和良好的系统拓展能力，极大的提高了使用的灵活性和便捷性，同时本发明系统具有良好的模块化、集成化设计能力，在极大的提高设备安装、维护便捷性的同时，另有效的降低了使用和维护成本；另一方面，极大地扩展了教学活动中相关教学信息展示的途径和手段，极大提高了教学活动的灵活性和便捷性，同时另可实现根据学员不同的学习需求，在同一空间内灵活进行教学资源调配和集中教学的需要，并有效杜绝了不同教学资源同步运行时产生的相互干扰，从而极大的提高了教学活动的灵活性、便捷性、精确性和抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为虚拟教学教室及虚拟教学教室内部设备局部结构示意图；

图3为投影仪与承载基座连接局部结构示意图。

具体实施方式

如图1—3所示，一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，包括虚拟教学教室1、监控摄像头2、门禁管理装置3、中继服务器4、现场数据服务器5、智能网关6、数据通讯网络7、基于云计算数据处理服务器8，虚拟教学教室1至少两个，每个虚拟教学教室1内均设一个门禁管理装置3、一个现场数据服务器5和一个智能网关6，且现场数据服务器5与门禁管理装置3、智能网关6及虚拟教学教室1间分别通过数据通讯网络7连接，各虚拟教学教室1内的智能网关6间相互并联并分别通过数据通讯网络7与中继服务器4建立数据连接，中继服务器4和基于云计算数据处理服务器8均位于各虚拟教学教室1外，且中继服务器4与基于云计算数据处理服务器8间相互连接，监控摄像头2数量与虚拟教学教室1数量一致，且每个虚拟教学教室1内均设至少一个监控摄像头2，且监控摄像头2光轴与虚拟教学教室1轴线相交，交点与虚拟教学教室1地平面间间距为虚拟教学教室1有效高度的1/3—2/3，监控摄像头2分别与其所在虚拟教学教室1的智能网关6电气连接。

其中，所述的虚拟教学教室1内设至少一个教学组9，且当教学组9为两个及连个以上时，各教学组9间并联并通过数据通讯网络7与虚拟教学教室1内的只能网关连接。

重点说明的，所述的教学组9包括承载龙骨901、直线驱动滑轨902、主升降驱动机构903、辅助升降驱动机构904、电子白板905、定向扬声器906、投影仪907、通讯摄像头908、VR头盔909、VR手套910、座椅911及辅助控制电路912，所述承载龙骨901为横断面呈矩形的框架结构，与虚拟教学教室1顶部连接，其轴线与虚拟教学教室1顶部垂直分布，所述主升降驱动机构903一端与承载龙骨901下端面垂直连接并同轴分布，下端面通过转台机构913与投影仪907连接，所述投影仪907至少两个，环绕主升降驱动机构903轴线均布并与转台机构913相互连接，且所述投影仪907轴线与主升降驱动机构903轴线相交并呈±30°夹角，且每个投影仪907光轴均与一个电子白板905前端面垂直相交，且交点位于电子白板905中点位置，所述电子白板905数量与投影仪907数量一致，其后端面通过转台机构913与辅助升降驱动机构904下端面连接，且电子白板905前端面与辅助升降驱动机构904轴线呈±30°夹角，所述电子白板905侧表面设至少两个定向扬声器906，所述定向扬声器906以电子白板905轴线对称分布并通过转台机构913与电子白板905侧表面铰接，且对称分布在电子白板905两侧的定向扬声器906轴线相交，且交点位于电子白板905前面至少30厘米处，所述辅助升降驱动机构904上端面通过直线驱动滑轨902与承载龙骨901下端面滑动连接，所述直线驱动滑轨902环绕承载龙骨901轴线均布，且各直线驱动滑轨902与承载龙骨901下端面平行分布，其轴线与承载龙骨901轴线垂直并相交，所述座椅911若干，环绕承载龙骨901轴线均布并与虚拟教学教室1地平面连接，且座椅911轴线与主升降驱动机构903轴线成0°—45°夹角，且每个座椅911均与一个VR头盔909和一个VR手套910构成一个工作组，且各VR头盔909、VR手套910均通过弹性连接带914与座椅911侧表面连接，其中所述VR头盔909上设一个通讯摄像头908，所述通讯摄像头908光轴与VR头盔909光轴相交，且交点位于VR头盔909正前方至少50厘米处，所述辅助控制电路912嵌于承载龙骨901内，并分别与直线驱动滑轨902、主升降驱动机构903、辅助升降驱动机构904、电子白板905、定向扬声器906、投影仪907、通讯摄像头908、VR头盔909、VR手套910及虚拟教学教室1内电源系统，且辅助控制电路912另通过数据通讯网络7与智能网关6相互连接。

值得注意的，所述的投影仪907与转台机构913间通过承载基座10连接，所述承载基座10为与主升降驱动机构903同轴分布的框架结构，承载基座10内设若干隔板11，上端设若干散热风机12，所述投影仪907嵌于承载基座10内并环绕承载基座10轴线均布，且相邻两个投影仪907间通过隔板11相互隔离，所述投影仪907对应的承载基座10上端面位置均设一个散热风机12，所述散热风机12与辅助控制电路912电气连接。

进一步优化的，所述的直线驱动滑轨902上设位移传感器13、所述主升降驱动机构903、辅助升降驱动机构904上设至少一个磁致伸缩传感器14，所述转台机构913上设至少一个角度传感器15，所述位移传感器13、磁致伸缩传感器14及角度传感器15均与辅助控制电路912电气连接。

进一步优化的，所述的主升降驱动机构903、辅助升降驱动机构904均为至少两级电动伸缩杆、液压伸缩杆及气压伸缩杆中的任意一种，所述的辅助控制电路912为基于物联网控制器、可编程控制器中任意一种或两种共用为基础的电路系统。

此外，所述的门禁管理装置3为指纹识别、数字编码识别、人脸面部识别、磁卡识别机构中任意一种或任意集中共用为基础的门禁系统。

本实施例中，所述的中继服务器4至少两个，各中继服务器4间通过至少两条相互独立的数据通讯网络7连接。

本实施例中，所述的数据通讯网络7包括至少一条在线通讯网络和至少一条无线数据通讯网络，且数据通讯网络中另包括至少一个物联网通讯网络系统和至少一个互联网通讯网络系统，且物联网通讯网络系统和互联网通讯网络系统相互并联。

本发明在具体实施中，首先在教学机构的网络服务器处增设至少一台基于云计算数据处理服务器，并在现在的教室中设置若干专用教室用于改造成虚拟教学教室，然后将监控摄像头、门禁管理装置、中继服务器、现场数据服务器、智能网关、数据通讯网络分别进行安装调试，并使基于云计算数据处理服务器通过中继服务器分别与各虚拟教学教室内智能网关间建立数据交互连接，即可完成本发明系统构建。

在系统构建时，一方面根据教学需要，在各虚拟教学教室内设置若干相互独立运行的教学组，另一方面每个教学组内均设至少一个监控摄像头，且监控摄像头通过滑轨与教学组的承载龙骨下端面滑动连接。

在进行教学活动时，首先将相应的教学内容录入到基于云计算数据处理服务器中备用，并根据教学计划对基于云计算数据处理服务器内教学内容进行同步更新；然后根据教学活动计划，由基于云计算数据处理服务器向相应虚拟教学教室的门禁管理装置发送学员身份识别数据，最后学员通过门禁管理装置提示的数据选择相应的虚拟教学教室及虚拟教学教室内相应的教学组进行学习活动，且每个教学组均同时满足一个或多个学员针对同一教学点内容进行教学活动，各教学组的教学活动内容可以相同也可各不相同，在学员通过教学组进行学习活动的同事，另通过监控摄像头对各教学组内学员活动情况进行连续监控。

其中学员在进行学习时，由门禁管理装置对学员身份进行识别，并根据学员身份为学员分配相应的教学组，引导同类教学需要学员至同一教学组内开展教学活动；

在学员到达教学组内并在座椅上就坐后，再进行各自座椅对应的VR头盔、VR手套穿戴，完成VR头盔、VR手套穿戴后，一方面通过VR头盔和定向扬声器实现对相应知识直接虚拟仿真学习，并通过VR手套对虚拟场景进行仿真操作；另一方面根据教学活动需要，通过投影仪与电子白板配合，对部分教学内容进行展示，学员通过位于VR头盔上的通讯摄像头对电子白板展示新型进行读取并将通讯摄像头读取的数据和VR头盔直接获取的数据同时在VR头盔上进行显示学习；此外学员也可根据学习需要，通过VR手套穿戴与投影仪与电子白板配合，直接通过电子白板进行相应新型学习，从而极大的学习活动的灵活性和便捷性。

此外，在学习过程中，可根据学员身高、最佳观看距离等要求，灵活调整电子白板、定向扬声器、投影仪的工作位置及电子白板、定向扬声器、投影仪与学员之间间距及运行功率，提高教学活动灵活性和通用性；同时通过定向扬声器可在实现当前教学组内学员准确获取音频数据的同时，另有效杜绝了相邻两个教学组之间音频信号相互干扰的情况发生，极大的提高了教学活动开展的质量。

本发明一方面系统构成结构简单，通用性好，并具有良好的联机组网运行能力和良好的系统拓展能力，极大的提高了使用的灵活性和便捷性，同时本发明系统具有良好的模块化、集成化设计能力，在极大的提高设备安装、维护便捷性的同时，另有效的降低了使用和维护成本；另一方面，极大地扩展了教学活动中相关教学信息展示的途径和手段，极大提高了教学活动的灵活性和便捷性，同时另可实现根据学员不同的学习需求，在同一空间内灵活进行教学资源调配和集中教学的需要，并有效杜绝了不同教学资源同步运行时产生的相互干扰，从而极大的提高了教学活动的灵活性、便捷性、精确性和抗干扰能力。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述基于虚拟现实技术的贸易管理教学系统包括虚拟教学教室、监控摄像头、门禁管理装置、中继服务器、现场数据服务器、智能网关、数据通讯网络、基于云计算数据处理服务器，所述虚拟教学教室至少两个，每个虚拟教学教室内均设一个门禁管理装置、一个现场数据服务器和一个智能网关，且所述现场数据服务器与门禁管理装置、智能网关及虚拟教学教室间分别通过数据通讯网络连接，各虚拟教学教室内的智能网关间相互并联并分别通过数据通讯网络与中继服务器建立数据连接，所述中继服务器和基于云计算数据处理服务器均位于各虚拟教学教室外，且中继服务器与基于云计算数据处理服务器间相互连接，所述监控摄像头数量与虚拟教学教室数量一致，且每个虚拟教学教室内均设至少一个监控摄像头，且监控摄像头光轴与虚拟教学教室轴线相交，交点与虚拟教学教室地平面间间距为虚拟教学教室有效高度的1/3—2/3，监控摄像头分别与其所在虚拟教学教室的智能网关电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的虚拟教学教室内设至少一个教学组，且当教学组为两个及连个以上时，各教学组间并联并通过数据通讯网络与虚拟教学教室内的只能网关连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的教学组包括承载龙骨、直线驱动滑轨、主升降驱动机构、辅助升降驱动机构、电子白板、定向扬声器、投影仪、通讯摄像头、VR头盔、VR手套、座椅及辅助控制电路，所述承载龙骨为横断面呈矩形的框架结构，与虚拟教学教室顶部连接，其轴线与虚拟教学教室顶部垂直分布，所述主升降驱动机构一端与承载龙骨下端面垂直连接并同轴分布，下端面通过转台机构与投影仪连接，所述投影仪至少两个，环绕主升降驱动机构轴线均布并与转台机构相互连接，且所述投影仪轴线与主升降驱动机构轴线相交并呈±30°夹角，且每个投影仪光轴均与一个电子白板前端面垂直相交，且交点位于电子白板中点位置，所述电子白板数量与投影仪数量一致，其后端面通过转台机构与辅助升降驱动机构下端面连接，且电子白板前端面与辅助升降驱动机构轴线呈±30°夹角，所述电子白板侧表面设至少两个定向扬声器，所述定向扬声器以电子白板轴线对称分布并通过转台机构与电子白板侧表面铰接，且对称分布在电子白板两侧的定向扬声器轴线相交，且交点位于电子白板前面至少30厘米处，所述辅助升降驱动机构上端面通过直线驱动滑轨与承载龙骨下端面滑动连接，所述直线驱动滑轨环绕承载龙骨轴线均布，且各直线驱动滑轨与承载龙骨下端面平行分布，其轴线与承载龙骨轴线垂直并相交，所述座椅若干，环绕承载龙骨轴线均布并与虚拟教学教室地平面连接，且座椅轴线与主升降驱动机构轴线成0°—45°夹角，且每个座椅均与一个VR头盔和一个VR手套构成一个工作组，且各VR头盔、VR手套均通过弹性连接带与座椅侧表面连接，其中所述VR头盔上设一个通讯摄像头，所述通讯摄像头光轴与VR头盔光轴相交，且交点位于VR头盔正前方至少50厘米处，所述辅助控制电路嵌于承载龙骨内，并分别与直线驱动滑轨、主升降驱动机构、辅助升降驱动机构、电子白板、定向扬声器、投影仪、通讯摄像头、VR头盔、VR手套及虚拟教学教室内电源系统，且辅助控制电路另通过数据通讯网络与智能网关相互连接。

4.根据权利要求3述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的投影仪与转台机构间通过承载基座连接，所述承载基座为与主升降驱动机构同轴分布的框架结构，承载基座内设若干隔板，上端设若干散热风机，所述投影仪嵌于承载基座内并环绕承载基座轴线均布，且相邻两个投影仪间通过隔板相互隔离，所述投影仪对应的承载基座上端面位置均设一个散热风机，所述散热风机与辅助控制电路电气连接。

5.根据权利要求3述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的直线驱动滑轨上设位移传感器、所述主升降驱动机构、辅助升降驱动机构上设至少一个磁致伸缩传感器，所述转台机构上设至少一个角度传感器，所述位移传感器、磁致伸缩传感器及角度传感器均与辅助控制电路电气连接。

6.根据权利要求3述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的主升降驱动机构、辅助升降驱动机构均为至少两级电动伸缩杆、液压伸缩杆及气压伸缩杆中的任意一种。

7.根据权利要求3述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的辅助控制电路为基于物联网控制器、可编程控制器中任意一种或两种共用为基础的电路系统。

8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的门禁管理装置为指纹识别、数字编码识别、人脸面部识别、磁卡识别机构中任意一种或任意集中共用为基础的门禁系统。

9.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的中继服务器至少两个，各中继服务器间通过至少两条相互独立的数据通讯网络连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的数字式教学系统及教室结构，其特征在于：所述的数据通讯网络包括至少一条在线通讯网络和至少一条无线数据通讯网络，且数据通讯网络中另包括至少一个物联网通讯网络系统和至少一个互联网通讯网络系统，且物联网通讯网络系统和互联网通讯网络系统相互并联。

Images