CN113593383A - 一种基于数字孪生技术的课堂教学方法及教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生技术的课堂教学方法及教学装置，本发明通过终端选择需进行的实验，并发送指令至对应的实验装置进行实验，在实验过程中采集实验装置实验的视频图像和数据，并在终端上显示，用于学习者观察实际实验过程和获取实际实验数据，在观察完毕实际实验后在终端上通过数字孪生技术操控虚拟模型演示实验的理论原理和理论模型，最后根据理论原理对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比，从而完成教学。因此本发明能够更好的帮助教师完成教学内容的演示与知识的传授，更好的帮助学生从多角度对物理本质进行全方位的综合学习。

Description

一种基于数字孪生技术的课堂教学方法及教学装置

技术领域

本发明涉及教学技术领域，特别涉及一种基于数字孪生技术的课堂教学方法及教学装置。

背景技术

随着国家继续大力推行教学改革，进一步实现素质教育，实验模块可助力教学改革。实验模块不仅可以辅助教师在课堂上快速开展具有定性演示、定量验证功能的教学实验。同时这也有助于新型教育模式，助力教学改革。也增加了学生课前预习、课后拓展的途径，辅助开展自主、创新的研究型学习。与此同时，生动、真实的实验场景有利于激发学生的学习兴趣，加深学生对物理原理和物理概念的理解。但现存在的问题包括，教师在课堂教学中缺乏相应的演示教学手段与仪器，学生对抽象的物理原理和物理概念缺乏深入的理解。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于数字孪生技术的课堂教学方法及教学装置。本发明能够更好的帮助教师完成教学内容的演示与知识的传授，更好的帮助学生从多角度对物理本质进行全方位的综合学习。

本发明的技术方案：一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，终端与实验装置进行数据传输，通过数字孪生技术使得终端上的虚拟实验模型与实验装置的操作步骤和参数设置实时同步交互，同时摄像头实时拍摄实验装置的实验过程视频，并将实验过程视频在终端上同步显示。

上述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，具体包括以下步骤：

S1：用户登录终端的交互软件，选择需进行的实验项目并下达操作指令，终端将操作指令传输至对应的实验装置；

S2：实验装置接收到操作指令，开始进行实验；

S3：采集实验装置实验的实验过程视频，并在终端上同步显示实际实验过程和实验数据；

S4:在终端上同步显示实验的理论原理和理论模型；

S5:根据理论原理对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比，完成教学。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，所述用户点击交互软件中真实实验和/或计算验证后，在交互软件中显示区中对实验数据进行计算。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，包括终端，终端内设置有数字孪生媒介，数字孪生媒介经通信模块连接有实验模块；所述实验模块经主控模块连接有多个实验装置；。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，所述的终端为手机、计算机或平板电脑。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，所述通信模块的通信方式为网线连接、WiFi连接及USB连接。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，所述主控模块包括一个或多个处理器，以及存储器，用于存储相关操作指令。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，所述实验模块中还设有摄像模块、供电模块和照明模块

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，所述实验装置包括布儒斯特角实验装置、光学衍射实验装置、等厚干涉实验装置、光栅衍射实验装置、马吕斯定律实验装置以及杨氏双缝干涉实验装置。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，所述光栅衍射实验装置包括第四底座，第四底座上设有多个第四激光器，第四激光器的前端对应设有第二二向色镜；所述第四底座上位于第二二向色镜一侧的第一单缝片，第一单缝片的前方设有第二准直透镜，第二准直透镜的前方设有第二实验转盘，第二实验转盘上设有多个环形分布的第二实验片；所述第四底座上设有位于第二实验转盘前方的第二傅里叶变换透镜，第二傅里叶变换透镜的前方设有第一观察屏；所述第四底座上还设有朝向第一观察屏的第二相机。

前述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，所述马吕斯定律实验装置包括第五底座，第五底座上设有第五激光器，第五激光器的前方设有起偏器，起偏器的前方设有第二检偏器，第二检偏器的前方设有第五探测器；所述第五底座上还设有第三电机，第三电机的输出端设有第二齿轮，所述第二检偏器上环形分布有与第二齿轮相啮合的第二齿牙。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过终端与实验装置进行数据传输，通过数字孪生技术使得终端上的虚拟实验模型与实验装置的操作步骤和参数设置实时同步交互，同时摄像头实时拍摄实验装置的实验过程视频，并将实验过程视频在终端上同步显示，用于学习者观察实际实验过程和获取实际实验数据，在观察完毕实际实验后在终端上同步显示实验的理论原理和理论模型，最后根据理论原理对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比，从而完成教学。因此本发明能够更好的帮助教师完成教学内容的演示与知识的传授，更好的帮助学生从多角度对物理本质进行全方位的综合学习，同时本发明还能够更好的帮助教师在课堂开展定性演示、定量验证的教学实验，也有助于增加学生课前预习、课后拓展的途径，激发学生的学习兴趣，加深对物理概念的理解。

2、本发明还提供了一种实验装置，用户通过终端的数字孪生媒介访问与控制实验模块，实验模块中的供电模块为实验装置提供电力，保证实验装置的运行，通信模块将用户的操作指令传输至主控模块，主控模块对实验模块中的器件发出具体指令，进行相关物理实验；主控模块对摄像模块与照明模块发出指令，摄像模块用于采集物理实验现象，照明模块用于补偿环境光照强度。

3、本发明的实验装置具有多样性，可以演示布儒斯特角实验、单缝和圆孔衍射实验、等厚干涉实验、光栅衍射实验、马吕斯定律实验以及杨氏双缝干涉实验。

在光栅衍射实验装置中，通过第四激光器、第二二向色镜、第一单缝片、第二准直透镜、第二实验片和第二傅里叶变换透镜构成光栅衍射实验光路，利用第四激光器来发射不同波长的可见光，再经过对应的第二二向色镜后进入第一单缝片的单缝后，沿着光路方向线性传播，再通过第二准直透镜保证入射光束的准直性，接着通过第一实验转盘的转动进行切换具有不同参数的光栅结构的第二实验片，使得光在传播过程中遇到光栅结构后从而产生光栅衍射现象，并由第一傅里叶变换透镜聚焦至第一观察屏中，通过第一观察屏来观察光栅衍射实验的实验结果，同时由第二相机采集光栅衍射实验的实验结果，由此本发明可演示光栅衍射实验，能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。

在马吕斯定律实验装置中，通过第五激光器、起偏器和第二检偏器构成马吕斯定律实验光路，利用第五激光器来发射光束，再经过起偏器起偏后进入第二检偏器，通过第三电机及第二齿轮用于控制第二检偏器的旋转，将激光器发出的光束变成线偏振光，由探测器采集实验的实时视频图像与经过第二检偏器后红光的光强，从而演示其光强随着角度变化而变化的马吕斯定律实验现象，由此本发明能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的实验装置的示意图；

图3是本发明的实验模块示意图；

图4是光栅衍射实验装置的结构示意图；

图5是光栅衍射实验装置的另一种实施例的结构示意图；

图6是第二实验片的光栅结构示意图；

图7是马吕斯定律实验装置的结构示意图；

图8是第二检偏器的结构示意图。

附图标记

1、布儒斯特角实验装置；2、光学衍射实验装置；3、等厚干涉实验装置；4、光栅衍射实验装置；5、马吕斯定律实验装置；6、杨氏双缝干涉实验装置；11、终端；12、数字孪生媒介；13、通信模块；14、实验模块；15、主控模块；16、实验装置；17、摄像模块；18、供电模块；19、照明模块；401、第四底座；402、第四激光器；403、第二二向色镜；404、第一单缝片；405、第二准直透镜；406、第二实验转盘；407、第二实验片；408、第二傅里叶变换透镜；409、第一观察屏；410、第二相机；411、隔断腔室；412、插块；413、插槽；414、第二转动电机；415、第二转盘固定架；416、第二安装室；501、第五底座；502、第五激光器；503、起偏器；504、第二检偏器；505、第五探测器；506、第三电机；507、第二齿轮；508、第二齿牙；509、保护腔室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，包括终端，终端为手机、电脑、平板等，为一种电子设备；所述终端通过数字孪生技术(数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统)与实验装置进行实时交互与数据传输，支持远程控制实验装置进行与教学内容对应的真实实验，如图1所示，按如下步骤进行：

S1：用户登录终端的数字孪生媒介(即交互软件)选择对应的实验模块，选择相应的选项后数字孪生媒介界面会切换到与实验模块相对应的操作界面即通过终端选择需进行的实验，并发送指令至对应的实验装置进行实验，如在数字孪生媒介选择杨氏双缝干涉实验后，数字孪生媒介的各项操作与杨氏双缝干涉实验相匹配；

S2：基于用户对数字孪生媒介中实验操作选择区中的操作，通过点击选项，可以发送指令控制实验模块的开启与关闭，还可设置实验模块相关参数的选项，具体的，杨氏双缝干涉实验模块的相关参数包括：波长、双缝间距、观察距离等；

S3:在实验模块执行指令进行实验时，通过视频模块采集实验装置实验的视频图像，并在交互软件的显示内同步显示实际实验过程和实际实验数据，上述的数据包括条纹总长度，用于学习者观察实际实验过程和获取实际实验数据；

S3:用户点击理论原理后，在终端的显示区中演示实验模块的理论原理及理论模型；理论模型以动画的形式进行演示，准确的表现实验的过程与特点，理论原理配有相关参数，结合动画进行解释说明；

S4:根据理论原理对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比，完成教学；本实施例中，所述用户通过点击交互软件中真实实验和/或计算验证后，在交互软件中显示区中对实验数据进行计算其中计算过程包括显示理论原理的计算公式的推导过程与推导结果，还包括实验结束后，对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比。

根据本发明实施例1提供的技术方案，通过使用终端上的数字孪生媒介演示教学内容的虚拟模型，包括理论原理和理论模型及相关计算过程，通过数字孪生媒介可以实现远程控制物理课堂教学实验装置的开启与关闭，相关实验参数的设置，并在终端的显示区中显示实体装置与实验过程的实时视频图像，以供用户开展教学与学习，物理实验现象的展示能帮助用户更容易理解抽象的物理公式，以及通过与用户的交互，进一步加深理解，进一步提升教学水平。

实施例2：实现实施例1中基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，如图2所示，包括终端11，终端为手机、电脑或者平板，终端11内设置有数字孪生媒介12，数字孪生媒介12为一种交互软件，属于一种系统程序；数字孪生媒介12经终端11中的通信模块13连接有实验模块14，通信模块通过4/5G、无线或有线的方式进行通信；所述实验模块14经主控模块15连接有多个实验装置16，主控模块为包括一个或多个处理器，以及存储器，用于存储相关操作指令。如图3所示，所述实验装置16包括但不限于布儒斯特角实验装置1、光学衍射实验装置2、等厚干涉实验装置3、光栅衍射实验装置4、马吕斯定律实验装置5以及杨氏双缝干涉实验装置6；所述实验模块14中还设有摄像模块17、供电模块18和照明模块19。用户通过终端11的数字孪生媒介12访问实验模块14，实验模块14中的供电模块18为实验装置16提供电力，保证实验装置16的运行，通信模块13将用户的操作指令传输至主控模块15，主控模块15对实验模块16中的器件发出具体指令，进行相关物理实验；主控模块15还对摄像模块17与照明模块18发出指令，摄像模块17用于采集物理实验现象，照明模块18用于补偿环境光照强度。

在一种实施例中，所述光栅衍射实验装置如图4和图5所示，包括第四底座401，第四底座401上设有3个第四激光器402，所述第四激光器402包括三种不同波长的激光器，可在三者之中切换，本实施例中选择波长为650nm的激光器，该激光器发出的是一束红光；第四激光器402的前端对应设有第二二向色镜403，第二二向色镜403与第四激光器402出射角度呈一定角度；所述第四底座401上位于第二二向色镜403一侧的第一单缝片404，第一单缝是为了将进入实验光路中的光束通过单缝后，沿着光路方向线性传播；本实施例中经过第二二向色镜403后通过单缝，得到的是一束沿着光路线性传播的红光，第一单缝片404的前方设有第二准直透镜405，第二准直透镜405是为了保证光路中光束的准直性，第二准直透镜405的前方设有第二实验转盘406，第二实验转盘406上设有多个环形分布的第二实验片407，如图6所示，第二实验片407上具有光栅结构，通过第二实验转盘406转动，从而选择不同光栅的参数；本实施例中，所述第二实验转盘406连接有第二转动电机414；所述第四底座401上设有第二转盘固定架415，第二转盘固定架415的上端设有用于放置第二转动电机414的第二安装室416，通过第二转动电机414的控制第二实验转盘406的转动，简单方便又稳定。所述第四底座401上设有位于第二实验转盘406前方的第二傅里叶变换透镜408，第二傅里叶变换透镜408对经过光栅的出射光束起聚焦作用，第二傅里叶变换透镜408的前方设有第一观察屏409，第一观察屏409用于观察光栅衍射实验的实验结果；所述第四底座401上还设有朝向第一观察屏409的第二相机410，第二相机410用于采集光栅衍射实验的实验结果。本发明通过第四激光器402、第二二向色镜403、第一单缝片404、第二准直透镜405、第二实验片407和第二傅里叶变换透镜408构成光栅衍射实验光路，利用第四激光器402来发射不同波长的可见光，再经过对应的第二二向色镜403后进入第一单缝片404的单缝后，沿着光路方向线性传播，再通过第二准直透镜405保证入射光束的准直性，接着通过第一实验转盘的转动进行切换具有不同参数的光栅结构的第二实验片407，使得光在传播过程中遇到光栅结构后从而产生光栅衍射现象，并由第一傅里叶变换透镜聚焦至第一观察屏409中，通过第一观察屏409来观察光栅衍射实验的实验结果，同时由第二相机410采集光栅衍射实验的实验结果，由此本发明可演示光栅衍射实验，能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。

进一步地，如图5所示，所述第四底座401上设有隔断腔室411，所述第四激光器402和所述第二二向色镜403设置在隔断腔室411内，通过设置隔断腔室411来减少灰尘等杂物对实验装置的影响。

进一步地，如图4所示，所述隔断腔室411内设有多个插块412，插块412上端设有插槽413；所述第二二向色镜403嵌设在插槽413内，通过设置插块412和插槽413能便于第二二向色镜403的安装。

在一种实施例中，所述马吕斯定律实验装置如图7所示，包括第五底座501，第五底座501上设有第五激光器502，所述第五激光器502发射的光束为一束稳定红光，第五激光器502的前方设有起偏器503，起偏器503用于起偏，保证出射光为线偏振光；所述起偏器503的前方设有第二检偏器504，第二检偏器504将激光器发出的可见光变成线偏振光，所述第五激光器502、起偏器503、第二检偏器504的中心在同一直线上；第二检偏器504的前方设有第五探测器505，第五探测器505采集马吕斯定律实验的视频图像与偏振光的旋转角度及光强；如图8所示，所述第五底座501上还设有第三电机506，第三电机506的输出端设有第二齿轮507，所述第二检偏器504上环形分布有与第二齿轮507相啮合的第二齿牙508，第二检偏器504旋转的角速度受到第三电机506及第二齿轮507控制。本发明通过第五激光器502、起偏器503和第二检偏器504构成马吕斯定律实验光路，利用第五激光器502来发射光束，再经过起偏器503起偏后进入第二检偏器504，通过第三电机506及第二齿轮507用于控制第二检偏器504的旋转，将激光器发出的光束变成线偏振光，由探测器采集实验的实时视频图像与经过第二检偏器504后红光的光强，从而演示其光强随着角度变化而变化的马吕斯定律实验现象，由此本发明能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。

进一步地，如图7所示，所述第五底座501上设有保护腔室509，所述保护腔室509笼罩住第三电机506；所述起偏器503位于保护腔室509的顶面。本发明通过设置保护腔室509来减少灰尘等杂物对实验装置的影响。

综上所述，本发明通过终端选择需进行的实验，并发送指令至对应的实验装置进行实验，在实验过程中采集实验装置实验的视频图像和数据，并在终端上显示，用于学习者观察实际实验过程和获取实际实验数据，在观察完毕实际实验后在终端上通过数字孪生技术操控虚拟模型演示实验的理论原理和理论模型，最后根据理论原理对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比，从而完成教学。因此本发明能够更好的帮助教师完成教学内容的演示与知识的传授，更好的帮助学生从多角度对物理本质进行全方位的综合学习，同时本发明还能够更好的帮助教师在课堂开展定性演示、定量验证的教学实验，也有助于增加学生课前预习、课后拓展的途径，激发学生的学习兴趣，加深对物理概念的理解。

Claims (9)

1.一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，其特征在于：终端与实验装置进行数据传输，通过数字孪生技术使得终端上的虚拟实验模型与实验装置的操作步骤和参数设置实时同步交互，同时摄像头实时拍摄实验装置的实验过程视频，并将实验过程视频在终端上同步显示。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1：用户登录终端的交互软件，选择需进行的实验项目并下达操作指令，终端将操作指令传输至对应的实验装置；

S2：实验装置接收到操作指令，开始进行实验；

S3：采集实验装置实验的实验过程视频，并在终端上同步显示实际实验过程和实验数据；

S4:在终端上同步显示实验的理论原理和理论模型；

S5:根据理论原理对采集到的实验数据进行计算，并将结果与理论原理推导的结果进行对比，完成教学。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法，其特征在于：所述用户点击交互软件中真实实验和/或计算验证后，在交互软件中显示区中对实验数据进行计算。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，其特征在于：包括终端(11)，终端(11)内设置有数字孪生媒介(12)，数字孪生媒介(12)经通信模块(13)连接有实验模块(14)；所述实验模块(14)经主控模块(15)连接有多个实验装置(16)；。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，其特征在于：所述的终端为手机、计算机或平板电脑。

6.根据权利要求4所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，其特征在于：所述通信模块(13)的通信方式为网线连接、WiFi连接及USB连接。

7.根据权利要求4所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，其特征在于：所述主控模块(15)包括一个或多个处理器，以及存储器，用于存储相关操作指令。

8.根据权利要求4所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，其特征在于：所述实验模块(14)中还设有摄像模块(17)、供电模块(18)和照明模块(19)。

9.根据权利要求4所述的基于数字孪生技术的课堂教学方法的教学装置，其特征在于：所述实验装置(16)包括布儒斯特角实验装置(1)、光学衍射实验装置(2)、等厚干涉实验装置(3)、光栅衍射实验装置(4)、马吕斯定律实验装置(5)以及杨氏双缝干涉实验装置(6)。

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