CN115641232A - 一种基于数字孪生技术的课堂教学系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，属于教学技术领域，包括数据接口、数字孪生模块、教学管理模块、选取调用模块、场景显示模块、虚拟实操模块、数据采集模块、实操记录模块、数据存储模块和数据处理模块；本发明将数字孪生技术与课堂教学相结合，通过虚拟仿真构建虚拟教学场景，并基于其进行实操教学，相较于传统的多媒体教学方式而言，能带给学生三维真实的沉浸感，可以真实有效地反映实际操作场景，有利于提高学生学习兴趣和体验感，可应用于医学模拟实习、飞机操作和机床操作等教学中；此外，本发明通过对虚拟场景中学生的实操动作和实操完成度进行综合评判和打分，方便老师在教学过程中实时了解学生的学习情况。
Description
技术领域
本发明涉及教学技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生技术的课堂教学系统及方法。
背景技术
数字孪生(Digital Twin，简称DT)，也被称为“数字镜像”、“数字双胞胎”或“数字化映射”等，是充分利用物理模型、传感器、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；数字孪生作为虚拟现实技术中的一项新技术在教育教学领域的应用，为广大的教师提供了一种全新的教学手段，数字孪生技术为学生和教师提供逼真，生动的环境，又具有较强的可参与性，从而使学生和教师都能进入虚拟环境进行角色扮演，打破了传统的教学模式；目前，现有的医学学生模拟实习、飞机操作、机床操作等教学主要还是通过课堂多媒体教学方式实现，其虽然具有一定实用性，但缺乏三维真实的沉浸感，无法真实有效地反映实际操作场景，难以提高学生的体验感和实操能力；因此，如何将数字孪生技术合理运用到课堂教学中，以提高学生学习兴趣和学习能力已成为当下研究重点；为此，我们提出一种基于数字孪生技术的课堂教学系统及方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于数字孪生技术的课堂教学系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，包括数据接口、数字孪生模块、教学管理模块、选取调用模块、场景显示模块、虚拟实操模块、数据采集模块、实操记录模块、数据存储模块和数据处理模块；
所述数据接口用于获取教学需要的物理实体场景信息；
所述数字孪生模块包括虚拟仿真单元，所述虚拟仿真单元用于根据所述物理实体场景信息构建教学虚拟数字模型；
所述教学管理模块用于辅助老师进行系统操作和学生管理；
所述选取调用模块用于根据课程教学需求，调用对应的教学虚拟数字模型；
所述场景显示模块具体为VR眼镜，用于将所述对应的教学虚拟数字模型显示反馈给学生；
所述虚拟实操模块具体为控制手柄，用于根据对应的教学虚拟数字模型进行实操；
所述数据采集模块具体动作传感器，佩戴于学生的手、肘和肩部，用于采集学生实操过程中的学生实操动作信息；
所述实操记录模块用于记录学生实操过程中的实操场景信息，所述实操场景信息包括实操完成度信息和实操过程影像；
所述数据存储模块包括动作存储库，所述动作存储库用于存储老师标准实操动作信息；
所述数据处理模块用于将学生实操动作信息与老师标准实操动作信息进行比较打分，形成学生实操成绩，反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学。
进一步地，所述数字孪生模块还包括孪生体存储单元和孪生体演示单元，所述孪生体存储单元用于存储教学虚拟数字模型，所述教学虚拟数字模型包括医学模拟实习、飞机操作和机床操作的应用场景；所述孪生体演示单元用于三维显示所述教学虚拟数字模型。
进一步地，所述数据存储模块包括局部场景信息库、实操记录库和阈值库；所述局部场景信息库用于存储各类实操项目；所述实操记录库用于存储所述实操场景信息；所述阈值库用于存储动作相似度阈值区间。
进一步地，所述数据处理模块包括动作比较单元和实操评分单元；所述动作比较单元用于提取学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作，并基于相似度阈值区间进行关键动作比较，形成动作比较结果；所述实操评分单元根据动作比较结果和实操完成度信息进行学生实操评分，得到实操教学成绩。
一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，该课堂教学方法具体如下：
步骤一：孪生体构建，通过数据接口获取物理实体场景，同时提取数据存储模块中的实操项目，并基于其进行虚拟孪生体构建，形成教学虚拟数字模型；
步骤二：实操训练，学生佩戴数据采集传感器，并通过VR眼镜显示进入教学虚拟数字模型，同时通过控制手柄对所述教学虚拟数字模型中的实操项目进行实操演练；
步骤三：数据采集，实时采集所述数据采集传感器获取到的学生实操动作信息，同时对教学虚拟数字模型中的学生实操过程进行记录，得到实操场景信息；
步骤四：关键动作比较，获取所述学生实操动作信息和老师标准实操动作信息，并针对关键动作集合进行逐一相似性比对；
步骤五：实操打分，对于满足相似度阈值的关键动作进行计分，得到动作分，并对实操场景信息中实操完成度进行打分，得到完成度分，同时进行总分统计，形成实操教学成绩；
步骤六：结果反馈，将所述实操教学成绩反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学。
进一步地，所述关键动作比较具体过程如下：
S1：获取学生实操过程中的学生实操动作信息，同时提取老师标准实操动作信息；
S2：以实施步骤为标准对所述学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作进行逐一拆解；
S3：对每一组拆解得到的关键动作进行相似度比较，同时基于动作相似度阈值区间进行判定，得到动作比较结果。
进一步地，所述总分统计按照权重进行统计，所述动作分的权重为0.4，所述完成度分的权重为0.6。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
本申请提出的一种基于数字孪生技术的课堂教学系统及方法，其将数字孪生技术与课堂教学相结合，通过虚拟仿真构建虚拟教学场景，并基于其进行实操教学，相较于传统的多媒体教学方式而言，能带给学生三维真实的沉浸感，可以真实有效地反映实际操作场景，有利于提高学生学习兴趣和体验感；此外，本发明通过对虚拟场景中学生的实操动作和实操完成度进行综合评判和打分，方便老师在教学过程中实时了解学生的学习情况，以便做出针对性的指导。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提出的一种基于数字孪生技术的课堂教学系统的整体结构框图；
图2为本发明提出的一种基于数字孪生技术的课堂教学方法的整体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本实施例公开了一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，包括数据接口、数字孪生模块、教学管理模块、选取调用模块、场景显示模块、虚拟实操模块、数据采集模块、实操记录模块、数据存储模块和数据处理模块；
数据接口用于获取教学需要的物理实体场景信息；
数字孪生模块包括虚拟仿真单元，虚拟仿真单元用于根据物理实体场景信息构建教学虚拟数字模型；
具体的，该数字孪生模块还包括孪生体存储单元和孪生体演示单元，孪生体存储单元用于存储教学虚拟数字模型，教学虚拟数字模型包括医学模拟实习、飞机操作和机床操作的应用场景；孪生体演示单元用于三维显示教学虚拟数字模型。
教学管理模块用于辅助老师进行系统操作和学生管理；
选取调用模块用于根据课程教学需求，调用对应的教学虚拟数字模型；
场景显示模块具体为VR眼镜，用于将对应的教学虚拟数字模型显示反馈给学生；
虚拟实操模块具体为控制手柄，用于根据对应的教学虚拟数字模型进行实操；
数据采集模块具体动作传感器，佩戴于学生的手、肘和肩部，用于采集学生实操过程中的学生实操动作信息；
实操记录模块用于记录学生实操过程中的实操场景信息，实操场景信息包括实操完成度信息和实操过程影像；
数据存储模块包括动作存储库，动作存储库用于存储老师标准实操动作信息；
具体的，该数据存储模块包括局部场景信息库、实操记录库和阈值库；局部场景信息库用于存储各类实操项目；实操记录库用于存储实操场景信息；阈值库用于存储动作相似度阈值区间。
数据处理模块用于将学生实操动作信息与老师标准实操动作信息进行比较打分，形成学生实操成绩，反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学；
具体的，该数据处理模块包括动作比较单元和实操评分单元；该动作比较单元用于提取学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作，并基于相似度阈值区间进行关键动作比较，形成动作比较结果；实操评分单元根据动作比较结果和实操完成度信息进行学生实操评分，得到实操教学成绩。
参照图2，本实施例公开了一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，该课堂教学方法具体如下：
步骤一：孪生体构建，通过数据接口获取物理实体场景，同时提取数据存储模块中的实操项目，并基于其进行虚拟孪生体构建，形成教学虚拟数字模型；
步骤二：实操训练，学生佩戴数据采集传感器，并通过VR眼镜显示进入教学虚拟数字模型，同时通过控制手柄对教学虚拟数字模型中的实操项目进行实操演练；
步骤三：数据采集，实时采集数据采集传感器获取到的学生实操动作信息，同时对教学虚拟数字模型中的学生实操过程进行记录，得到实操场景信息；
步骤四：关键动作比较，获取学生实操动作信息和老师标准实操动作信息，并针对关键动作集合进行逐一相似性比对；
步骤五：实操打分，对于满足相似度阈值的关键动作进行计分，得到动作分，并对实操场景信息中实操完成度进行打分，得到完成度分，同时进行总分统计，形成实操教学成绩；
具体的，该关键动作比较具体过程如下：获取学生实操过程中的学生实操动作信息，同时提取老师标准实操动作信息；以实施步骤为标准对学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作进行逐一拆解；对每一组拆解得到的关键动作进行相似度比较，同时基于动作相似度阈值区间进行判定，得到动作比较结果。
步骤六：结果反馈，将实操教学成绩反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学；
具体的，该总分统计按照权重进行统计，动作分的权重为0.4，完成度分的权重为0.6。
本发明适用于课堂教学和教学考核场景，下面将结合具体实例对本申请一种基于数字孪生技术的课堂教学系统的工作原理进行具体解释，其具体内容如下：
数据接口获取医疗手术室的物理实体场景信息；
虚拟仿真单元根据医疗手术室的物理实体场景信息以及局部场景信息库中的阑尾炎项目构建手术教学虚拟数字模型；
老师通过教学管理模块对参加手术实操的学生进行人员管理，同时通过选取调用模块将手术教学虚拟数字模型通过VR眼镜反馈给参加手术实操的学生；
首先，由老师通过佩戴数据采集传感器，并基于虚拟实操模块进行医疗手术实操教学；数据采集传感器采集老师标准实操动作信息，并存储于数据存储模块中；
由老师教学演练后，逐一安排学生佩戴数据采集传感器，并通过控制手柄进行医疗手术实操，老师可通过VR眼镜进行即时指导；
在实操过程中，数据采集模块采集学生实操过程中的学生实操动作信息；实操记录模块记录学生实操过程中的实操场景信息；
动作比较单元提取学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作，并以实施步骤为标准对所述学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作进行逐一拆解；同时对每一组拆解得到的关键动作进行相似度比较，同时基于动作相似度阈值区间进行判定，得到动作比较结果；
对于满足相似度阈值的关键动作进行计分，得到动作分，并对实操场景信息中实操完成度进行打分，得到完成度分，同时按照权重进行总分统计，形成实操教学成绩；
将实操教学成绩反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学，若为教学考核场景，则根据实操教学成绩完成此次教学考核。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，其特征在于，包括数据接口、数字孪生模块、教学管理模块、选取调用模块、场景显示模块、虚拟实操模块、数据采集模块、实操记录模块、数据存储模块和数据处理模块；
所述数据接口用于获取教学需要的物理实体场景信息；
所述数字孪生模块包括虚拟仿真单元，所述虚拟仿真单元用于根据所述物理实体场景信息构建教学虚拟数字模型；
所述教学管理模块用于辅助老师进行系统操作和学生管理；
所述选取调用模块用于根据课程教学需求，调用对应的教学虚拟数字模型；
所述场景显示模块具体为VR眼镜，用于将所述对应的教学虚拟数字模型显示反馈给学生；
所述虚拟实操模块具体为控制手柄，用于根据对应的教学虚拟数字模型进行实操；
所述数据采集模块具体动作传感器，佩戴于学生的手、肘和肩部，用于采集学生实操过程中的学生实操动作信息；
所述实操记录模块用于记录学生实操过程中的实操场景信息，所述实操场景信息包括实操完成度信息和实操过程影像；
所述数据存储模块包括动作存储库，所述动作存储库用于存储老师标准实操动作信息；
所述数据处理模块用于将学生实操动作信息与老师标准实操动作信息进行比较打分，形成学生实操成绩，反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，其特征在于，所述数字孪生模块还包括孪生体存储单元和孪生体演示单元，所述孪生体存储单元用于存储教学虚拟数字模型，所述教学虚拟数字模型包括医学模拟实习、飞机操作和机床操作的应用场景；所述孪生体演示单元用于三维显示所述教学虚拟数字模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，其特征在于，所述数据存储模块包括局部场景信息库、实操记录库和阈值库；所述局部场景信息库用于存储各类实操项目；所述实操记录库用于存储所述实操场景信息；所述阈值库用于存储动作相似度阈值区间。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的课堂教学系统，其特征在于，所述数据处理模块包括动作比较单元和实操评分单元；所述动作比较单元用于提取学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作，并基于相似度阈值区间进行关键动作比较，形成动作比较结果；所述实操评分单元根据动作比较结果和实操完成度信息进行学生实操评分，得到实操教学成绩。
5.一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，其特征在于，该课堂教学方法具体如下：
步骤一：孪生体构建，通过数据接口获取物理实体场景，同时提取数据存储模块中的实操项目，并基于其进行虚拟孪生体构建，形成教学虚拟数字模型；
步骤二：实操训练，学生佩戴数据采集传感器，并通过VR眼镜显示进入教学虚拟数字模型，同时通过控制手柄对所述教学虚拟数字模型中的实操项目进行实操演练；
步骤三：数据采集，实时采集所述数据采集传感器获取到的学生实操动作信息，同时对教学虚拟数字模型中的学生实操过程进行记录，得到实操场景信息；
步骤四：关键动作比较，获取所述学生实操动作信息和老师标准实操动作信息，并针对关键动作集合进行逐一相似性比对；
步骤五：实操打分，对于满足相似度阈值的关键动作进行计分，得到动作分，并对实操场景信息中实操完成度进行打分，得到完成度分，同时进行总分统计，形成实操教学成绩；
步骤六：结果反馈，将所述实操教学成绩反馈给老师，以使其进行下一步针对性指导教学。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，其特征在于，所述关键动作比较具体过程如下：
S1：获取学生实操过程中的学生实操动作信息，同时提取老师标准实操动作信息；
S2：以实施步骤为标准对所述学生实操动作信息和老师标准实操动作信息中的关键动作进行逐一拆解；
S3：对每一组拆解得到的关键动作进行相似度比较，同时基于动作相似度阈值区间进行判定，得到动作比较结果。
7.根据权利要求5所述的一种基于数字孪生技术的课堂教学方法，其特征在于，所述总分统计按照权重进行统计，所述动作分的权重为0.4，所述完成度分的权重为0.6。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117314330A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-29 | 湖南工商大学 | 一种基于数字孪生的智能制造系统 |
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2022
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