CN116384661A - 基于沉浸式xr智慧课堂的教学方法、系统及介质 - Google Patents

基于沉浸式xr智慧课堂的教学方法、系统及介质 Download PDF

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CN116384661A CN202310228496.7A CN202310228496A CN116384661A CN 116384661 A CN116384661 A CN 116384661A CN 202310228496 A CN202310228496 A CN 202310228496A CN 116384661 A CN116384661 A CN 116384661A
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Abstract

本发明提供了一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法、系统及介质，该方法包括：开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动；切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动；教学活动场景是单人或多人协同教学活动场景，或者是由单人或多人协同教学活动场景组合而成的教学活动组合场景。本发明实现了高效组织教学活动，快节奏的推动教学进度，达了到让全班学生按计划掌握知识的目标。

Description

基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及基于XR技术的沉浸式教学技术领域，尤其涉及一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法、系统及介质。
背景技术
虚拟现实(VR)、增强现实(AR)混合现实(MR)、虚拟仿真(SR)等技术相同相融，统称为扩展现实(XR)。XR技术能有效破解职业教育中的看不到、摸不着、进不去、成本高、危险大、协作难等的实训难题。基于5G、wifi6等高性能无线网络的云渲染技术，破除了终端的性能瓶颈，使XR技术可以用来搭建复杂的教学系统。课堂教学是学校教育中的主战场，XR技术可以构建纯虚拟或虚实一体的课堂教学新空间，课堂教学需要在一个高度紧凑的空间里为大量学生提供充分的教学内容，高效组织教学活动，快节奏的推动教学进度，达到让全班学生按计划掌握知识的目标。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法、系统及介质，旨在在使用XR技术构建的虚拟实训场景基础上，通过构建适合课堂教学特征的XR课堂教学系统，提供沉浸式XR智慧课堂教学功能，实现高效组织教学活动，快节奏的推动教学进度，达到让全班学生按计划掌握知识的目标。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S10，开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动；
步骤S20，切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动；
所述教学活动场景是单人或多人协同教学活动场景，或者是由单人或多人协同教学活动场景组合而成的教学活动组合场景。
本发明的进一步技术方案是，步骤S10生成的教学活动场景实例的活动场景是教学计划里时序排第1的教学活动场景，步骤S20切换教学活动时，查找教学计划里排在当前教学活动后面的教学活动，用户切换到所述查找到的教学活动的场景。
本发明的进一步技术方案是，当所述步骤S10在为用户生成多人协同活动场景沉浸式体验或多人参与的组合场景沉浸式体验时，智慧课堂可以为之自动匹配人员，当所述步骤S20为用户切换到新的多人协同活动场景或多人参与的组合场景时，系统也可以自动匹配人员。
本发明的进一步技术方案是，在步骤S10与步骤S20中，还包括用户可以在单人或多人协同教学活动基础上，临时发起组合教学活动，系统根据临时发起组合教学活动指令，为对应的用户生成组合场景体验，或者系统根据课堂教学情况，自动临时发起组合教学活动，为对应的用户生成组合场景体验。
本发明的进一步技术方案是，系统可以生成课堂场景实例，为用户提供课堂场景沉浸式体验，课堂场景呈现各进行中的教学活动场景实况。
本发明的进一步技术方案是，系统还可以生成教学计划场景实例，为用户提供教学计划场景沉浸式体验，教学计划中所有教学活动场景呈现在教学计划场景中，且按照教学活动的顺序在教学计划场景中布局。
本发明的进一步技术方案是，所述方法还包括步骤S00，设定课堂教学计划，包括设定1个教学宏活动序列，其中所述教学宏活动序列中任意宏活动是一组同时进行的教学活动，同时进行的教学活动是单人活动、多人协同教学活动以及组合场景活动中的一种或多种，步骤S10生成的教学活动场景实例的活动场景是教学计划里时序排第1的教学宏活动里的活动场景，步骤S20切换教学活动时，查找教学计划里排在当前教学宏活动后面的教学宏活动，用户切换到所述查找到的教学宏活动对应的教学活动场景。
本发明的进一步技术方案是，系统可以生成教学情况数据，并呈现在教学活动场景与课堂场景，单人教学活动场景包括单人讲授场景、单人认知场景、单人实训场景、单人考核场景，多人协同教学活动场景包括多人协同认知场景、多人协同实训场景、多人协同考核场景，组合多个单人教学活动场景或多人协同教学活动场景生成包含多个场景的组合场景，通过改变包含场景类型与场景数量，可以构建种类繁多的组合场景，其中包括“讲授-实训”场景、“演示-实训”场景、“认知-实训”场景、实训帮助场景、考核竞赛场景、多小组实操演示，在步骤S00设定教学计划所用到的宏活动类型包括“所有学生单人/分组认知学习”、“所有学生单人/分组实训”、“所有学生单人/分组考核”、“教师给所有学生讲授知识”、“教师给所有学生进行实操演示”、“挑选一个或一组学生实操演示给其他同学看”、“挑选一个或1组学生讲授知识给其他学生”、“挑选多个或多组学生实操演示给其他同学看”、“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”、“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”、“所有学生考核竞赛”、“所有学生单人或分组认知/实训同时互帮互助”、“所有学生都边认知边实训”，教学计划场景呈现教学活动场景具体为所有教学宏活动场景的微缩场景呈现在教学计划场景中，选中其中一个教学宏活动场景的微缩场景，教学计划场景将呈现此教学宏活动场景的正常尺寸场景或大尺寸场景，从而使用户可以查看教学计划详情。
为实现上述目的，本发明还提出一种沉浸式XR智慧课堂教学系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序，所述基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序被所述处理器运行时执行如上所述的方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序，所述基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序被处理器运行时执行如上所述的方法的步骤。
本发明基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法、系统及介质的有益效果是：
本发明通过上述技术方案，包括：步骤S10，开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动；步骤S20，切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动；所述教学活动场景是单人或多人协同教学活动场景，或者是由单人或多人协同教学活动场景组合而成的教学活动组合场景，在使用XR技术构建的虚拟实训场景基础上，通过构建适合课堂教学特征的XR课堂教学系统，提供沉浸式XR智慧课堂教学功能，实现了高效组织教学活动，快节奏的推动教学进度，达到让全班学生按计划掌握知识的目标。
附图说明
图1是本发明基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法的流程示意图；
图2是沉浸式XR智慧课堂系统的构成图；
图3是讲授-实训活动示意图；
图4是认知-实训活动示意图；
图5是实训帮助活动示意图；
图6是考核竞赛活动示意图；
图7是多人/小组实操演示活动示意图；
图8是讲授-实训活动场景实例关系图；
图9是考核竞赛活动场景实例关系图；
图10是实训帮助活动场景实例关系图；
图11是教学计划查看场景示意图；
图12是课堂场景示意图；
图13是课堂场景实例与教学活动场景实例关系图；
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1，本发明提出一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，本发明基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法包括以下步骤：
步骤S10，开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动。
步骤S20，切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动；
所述教学活动场景是单人或多人协同教学活动场景，或者是由单人或多人协同教学活动场景组合而成的教学活动组合场景。
值得提出的是，本发明所涉及的系统为课堂教学系统，能够构建多样化教学活动场景，根据预设的教学计划，课堂可以为课堂里所有师生自动进行教学活动场景的切换，也可以基于预设的教学计划，根据控制指令进行教学活动场景的切换，可以自动进行多人活动的人员匹配使多人活动效果最佳，可以评测课堂教学效果，可以自动生成组合活动。
具体地，本发明中，所述步骤S10生成的教学活动场景实例的活动场景是教学计划里时序排第一的教学活动场景，步骤S20切换教学活动时，查找教学计划里排在当前教学活动后面的教学活动，用户切换到所述查找到的教学活动的场景。
进一步地，当所述步骤S10在为用户生成多人协同活动场景沉浸式体验或多人参与的组合场景沉浸式体验时，智慧课堂可以为之自动匹配人员，当所述步骤S20为用户切换到新的多人协同活动场景或多人参与的组合场景时，系统也可以自动匹配人员。
在步骤S10与步骤S20中，还包括用户可以在单人或多人协同教学活动基础上，临时发起组合教学活动，系统根据临时发起组合教学活动指令，为对应的用户生成组合场景体验，或者系统根据课堂教学情况，自动临时发起组合教学活动，为对应的用户生成组合场景体验。
本发明中，课堂教学系统可以生成课堂场景实例，为用户提供课堂场景沉浸式体验，课堂场景呈现各进行中的教学活动场景实况。
课堂教学系统还可以生成教学计划场景实例，为用户提供教学计划场景沉浸式体验，教学计划中所有教学活动场景呈现在教学计划场景中，且按照教学活动的顺序在教学计划场景中布局。
本发明基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法还包括步骤S00，设定课堂教学计划，包括设定一个教学宏活动序列，其中所述教学宏活动序列中任意宏活动是一组同时进行的教学活动，同时进行的教学活动是单人活动、多人协同教学活动以及组合场景活动中的一种或多种，步骤S10生成的教学活动场景实例的活动场景是教学计划里时序排第1的教学宏活动里的活动场景，步骤S20切换教学活动时，查找教学计划里排在当前教学宏活动后面的教学宏活动，用户切换到所述查找到的教学宏活动对应的教学活动场景。
本发明中，课堂教学系统可以生成教学情况数据，并呈现在教学活动场景与课堂场景，单人教学活动场景包括单人讲授场景、单人认知场景、单人实训场景、单人考核场景，多人协同教学活动场景包括多人协同认知场景、多人协同实训场景、多人协同考核场景，组合多个单人教学活动场景或多人协同教学活动场景生成包含多个场景的组合场景，通过改变包含场景类型与场景数量，可以构建种类繁多的组合场景，其中包括“讲授-实训”场景、“演示-实训”场景、“认知-实训”场景、实训帮助场景、考核竞赛场景、多小组实操演示，在步骤S00设定教学计划所用到的宏活动类型包括“所有学生单人/分组认知学习”、“所有学生单人/分组实训”、“所有学生单人/分组考核”、“教师给所有学生讲授知识”、“教师给所有学生进行实操演示”、“挑选一个或一组学生实操演示给其他同学看”、“挑选一个或1组学生讲授知识给其他学生”、“挑选多个或多组学生实操演示给其他同学看”、“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”、“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”、“所有学生考核竞赛”、“所有学生单人或分组认知/实训同时互帮互助”、“所有学生都边认知边实训”，教学计划场景呈现教学活动场景具体为所有教学宏活动场景的微缩场景呈现在教学计划场景中，选中其中一个教学宏活动场景的微缩场景，教学计划场景将呈现此教学宏活动场景的正常尺寸场景或大尺寸场景，从而使用户可以查看教学计划详情。
下面结合图2至图13，以及第一实施例至第四实施例对本发明基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法进行详细阐述。
以下对用户体验空间坐标系、场景和场景实例进行介绍。
用户体验空间坐标系。市面上主流的XR头显都自带定位功能，能自动在用户所处的环境建立坐标系，例如，在水平面的垂直向上方向定义y轴的正方向，在水平面上定义x轴与z轴。用户体验空间坐标系就是XR头显自动建立的这个坐标系。
“场景”与“场景实例”是两个紧密相关的名词。场景定义了一个三维空间里包含的对象、对象状态、对象自身运行逻辑、以及对象之间相互作用的逻辑；场景实例是系统调用计算机处理器、内存、显卡等计算资源根据场景定义实时运行的程序进程或线程，此程序进程或线程实时计算场景内各对象状态，并渲染画面。单个场景同时有多个用户体验时，单个场景实例能获得的计算资源如果不能实时为所有用户生成体验画面时，就需要为此场景生成多个场景实例并分配给用户，这些场景实例之间同步场景内对象状态，各场景实例分别为对应的用户实时生成体验画面，从而各用户共享体验此场景；在本说明书实施例中每个场景实例只为1个用户生成体验画面，根据本发明实施例，领域内技术人员能容易推导出基于单个场景实例为多个用户生成体验画面的实施例。
第一实施例：
一、关于沉浸式XR智慧课堂系统的构成：
如图2所示，沉浸式XR智慧课堂系统由教师用户接口10、学生用户接口20、教学活动控制模块30、场景实例生成模块40、场景实例销毁模块50、教学活动场景实例60、课堂场景实例70、教学活动计划80、教学情况数据90、教学资源文件100、场景实例信息数据表101、用户接口地址信息数据表组成。其中，学生用户接口20包括第1学生用户接口(20-1)、第2学生用户接口(20-2)、...、第K学生用户接口(20-H)，K为自然数，1≤K≤100000000；教学活动场景实例60包括第1教学活动场景实例(60-1)、第2教学活动场景实例(60-2)、...、第G教学活动场景实例(60-G)，1≤G≤100000000；课堂场景实例70包括第1课堂场景实例(70-1)、第2课堂场景实例(70-2)、...、第H课堂场景实例(70-H)，0≤H≤100000000；场景实例生成模块40包含1个场景加载程序。
教学资源文件100存储的教学资源具有讲授、认知、实训、考核功能，能构建知识讲授场景、认知教学场景、实训教学场景以及考核场景，基于unity3d等XR引擎，开发课程资源具备讲授、认知、实训、考核功能，是领域内人员熟知技术。在本发明实施例中，课堂使用到的课程资源包括讲授场景
Figure BDA0004119300280000071
Figure BDA0004119300280000072
认知场景/>
Figure BDA0004119300280000073
实训场景
Figure BDA0004119300280000074
考核场景/>
Figure BDA0004119300280000075
Figure BDA0004119300280000076
任意场景/>
Figure BDA0004119300280000077
包含的知识点用集合/>
Figure BDA0004119300280000078
表示。
领域内技术人员熟知，基于课程资源中的讲授场景、认知场景、实训场景、考核场景，师生可以开展单人教学活动或多人协同教学活动，从而形成单人教学活动场景或多人教学活动场景。其中，单人教学活动场景包括：单人讲授场景、单人认知场景、单人实训场景、单人考核场景。多人协同教学活动场景包括：教师讲授-学生听课多人协同场景、多人协同认知场景、多人协同实训场景、多人协同考核场景。
在本发明中，组合多个单人教学活动场景或多人协同教学活动场景生成包含多个场景的组合场景，通过改变包含场景类型与场景数量，可以构建种类繁多的组合场景，其中主要包括：“讲授-实训”场景，“演示-实训”场景，“认知-实训”场景，实训帮助场景，考核竞赛场景，多小组实操演示。在同时呈现多个场景时，需要设置各场景坐标系相对用户体验空间坐标系的旋转平移缩放关系，以及各场景的三维显示区间，三维显示区间可以是无穷大也可以是立方体、球体等任意三维区间，各场景只有在设定的三维显示区间内的内容才显示给用户看，在活动进行过程中，可以调整场景坐标系相对用户体验空间坐标系的旋转平移缩放关系，以及调整各场景的三维显示区间。
“讲授-实训”活动：
如图3所示，“讲授-实训”活动是教师/优秀学生在认知场景讲授知识，其它学生在观看讲授知识同时在实训场景里进行实操，也还可以让教师/优秀学生在讲授知识的同时可看到所有其它学生的实操情况。学生的实训活动可以是单人或多人协同。以图3为例，1位教师与2位学生开展“讲授-实训”活动，教师在1个讲授场景讲授知识，学生1与学生2分别在1个实训场景进行单人实训。教师讲授场景与学生1实训场景同时呈现给学生1看，设定学生1实训场景坐标系与学生1的用户体验空间坐标系的平移旋转关系，不进行缩放，显示区间设定为无穷大，设定讲授场景坐标系相对用户体验空间坐标系进行旋转平移缩放，并给其设定了一个长方体显示区间，从而学生1在实训场景里实训可同时通过一个长方体显示区间观看到教师讲授知识场景。同样教师讲授场景与学生2实训场景同时呈现给学生2看，学生2在实训场景里实训可同时通过一个长方体显示区间观看到到教师讲授知识场景。另外，教师讲授场景与学生1实训场景、学生2实训场景同时呈现给教师看，教师在讲授知识的同时通过多个三维显示区间观看到到各学生的实训场景，查看实训实况。
“演示-实训”活动
“演示-实训”活动是教师/优秀学生在实训场景演示实操方法，其它学生在观看教师/优秀学生演示实操方法同时在自己的实训场景里进行实操，也还可以让教师/优秀学生在演示的同时可看到所有其它学生的实操情况。以1位教师与2位学生开展“演示-实训”活动为例，教师在1个实训场景演示实操，学生1与学生2分别在1个实训场景进行单人实训，在为教师生成的“演示-实训”活动实例里包含1个用于教师演示实操的实训场景实例与2个用来查看学生实训实况的实训场景实例，在为学生1或学生2生成的“演示-实训”活动实例里包含1个用于查看教师演示实操实况的实训场景实例与1个自己用来进行实操的实训场景实例。“演示-实训”活动场景体验的场景结构与“讲授-实训”活动场景类似。
“认知-实训”活动
“认知-实训”活动是教学内容的认知场景与实训场景同时呈现给学生看，学生对认知场景与实训场景都可以互动，从而可以边进行认知学习边进行实训，其中学生的认知活动、实训活动可以是单人的或多人协同的。以图4为例，学生1开展单人的“认知-实训”活动，设定学生1实训场景坐标系与学生1的用户体验空间坐标系的平移旋转关系，不进行缩放，显示区间设定为无穷大，学生1认知场景坐标系相对用户体验空间进行旋转平移缩放，并给其设定了一个长方体显示区间，从而学生在实训场景里实训同时，通过一个长方体显示区间观看到认知场景，并可以与认知场景内虚拟物体互动。
“实训帮助”活动：
“实训帮助”活动是优秀学生在自己进行实训的同时还给其它同学的实训提供帮助。学生的实训活动可以是单人或多人协同。以图5为例，学生1给学生2提供实训帮助，学生1在其自己的实训场景实训，同时还可以查看学生2的实训场景实况，并通过与学生2实训场景的互动提供实训帮助。系统给学生1生成的“实训帮助”活动场景实例需要包含2个实训活动场景实例，1个用于自己的实训，1个用于同步学生2的实训实况，系统给学生2生成的”实训帮助”活动场景实例只需要1个多人协同实训活动场景实例。
“考核竞赛”活动：
“考核竞赛”活动是学生在进行实训的同时还能看到别的同学或别的组的同学实训情况，通过对比争优劣，促进学生学习的兴趣。学生的考核可以是单人或多人协同考核。以图6为例，学生3、学生4分别进行单人考核的同时进行竞赛，其中学生3在自己的考核场景进行考核的同时通过一个三维显示区间可以查看学生4的考核场景情况，反过来学生4在自己的考核场景进行考核的同时通过一个三维显示区间可以查看学生3的考核场景情况，但为了避免抄袭，学生在自己考核场景不能观看到竞赛对手考核场景的全部信息，例如竞赛对手考核场景的画面会以较长时间间隔才更新。
多人/小组实操演示活动：
多人/小组实操演示活动是在课堂中，抽选多个学生或多组学生分别实操演示给课堂其它人看。以图7为例，同学1与同学2分别进行单人实训，实操演示给同学3看，学生3在其体验空间能同时看到同学1的实训场景与同学2的实训场景。
本发明智慧课堂能基于XR技术构建丰富的教学活动场景，适配多样化的教学需求，从而提供强大的教学能力。
为教学活动场景类型定义一个枚举变量ε，其枚举值有：0-课程知识讲授活动场景、1-单人/多人认知活动场景、2-单人/多人实训活动场景、3-单人/多人考核活动场景、4-“讲授-实训”活动场景、5-“演示-实训”活动场景、6-“认知-实训”活动场景、7-实训帮助活动场景、8-考核竞赛场景、9-多小组实操演示场景。
二、关于智慧课堂教学应用及实现：
如图1所示，本实施例中的智慧课堂的教学应用主要包括以下三个步骤：
步骤S00，设定课堂教学计划。
为了表述方便，此处定义“教学宏活动”概念，教学宏活动是一组同时进行的教学活动，同时进行的教学活动可以是单人活动、多人协同教学活动以及组合场景活动的一种或多种。
为教学宏活动类型定义枚举变量τ，其枚举值包括：0-所有学生单人/分组认知学习、1-所有学生单人/分组实训、2-所有学生单人/分组考核、3-教师给所有学生讲授知识、4-教师给所有学生进行实操演示、5-挑选一个或一组学生实操演示给其他同学看、6-挑选一个或1组学生讲授知识给其他学生、7-挑选多个或多组学生实操演示给其他同学看、8-教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训、9-教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训、10-所有学生考核竞赛、11-所有学生单人或分组认知/实训同时互帮互助、12-所有学生都边认知边实训。
单人教学活动也可以认为是分小组学习，只是小组成员只有1个人，所以后文在介绍实施方法中只介绍小组学习的情况。在本发明实施例中，所有学生单人/分组认知学习、所有学生单人/分组实训、所有学生单人/分组考核，这3个教学宏活动共用一个表达式(τ s[g0 g1 … gn′])，其中，教学宏活动类型枚举值τ在此表达式可以取值0、1、2，s表示单人教学活动或分组教学活动所使用的教学内容场景ID号，[g0 g1 … gn′]为学生分组情况，其中g0、g1、...、gn分别包含1个或多个学生的ID号。教师给所有学生讲授知识、教师给所有学生进行实操演示、挑选一个或一组学生实操演示给其他同学看、挑选一个或1组学生讲授知识给其他学生，这4种教学宏活动特点是所有人员进入到同一个活动场景里，但人员有两种角色，分别是演示/讲授人员和观众，这4种教学宏活动共用一个表达式
Figure BDA0004119300280000111
其中τ可以取值3、4、5、6，s表示教学活动所使用的教学内容场景ID号，/>
Figure BDA0004119300280000112
为演示/讲授人员ID集合，
Figure BDA0004119300280000113
为观众人员ID集合。教学宏活动“挑选多个或多组学生实操演示给其他同学看”的表达式为/>
Figure BDA0004119300280000114
其中τ可以取值为7，
Figure BDA0004119300280000115
为演示/讲授人员分组情况，其中/>
Figure BDA0004119300280000116
分别包含1个或多个学生的ID号，/>
Figure BDA0004119300280000117
为观众人员ID集合。教学宏活动“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”的表达式为/>
Figure BDA0004119300280000118
其中τ可以取值为8，s0表示教师讲授知识所使用的教学内容场景ID号，s1表示学生实训所使用的教学内容场景，/>
Figure BDA0004119300280000119
为教师ID号，/>
Figure BDA00041193002800001110
为学生实训分组情况，其中
Figure BDA00041193002800001111
分别包含1个或多个学生的ID号。教学宏活动“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”的表达式为/>
Figure BDA00041193002800001112
其中τ可以取值为9，s0表示教师实操演示以及学生实训所使用的教学内容场景ID号，/>
Figure BDA00041193002800001113
为教师ID号，/>
Figure BDA00041193002800001114
为学生实训分组情况，/>
Figure BDA00041193002800001115
Figure BDA00041193002800001116
分别包含1个或多个学生的ID号。教学宏活动“所有学生考核竞赛”的表达式为
Figure BDA00041193002800001117
其中τ可以取值为10，s0表示学生考核所使用的教学内容场景ID号，/>
Figure BDA00041193002800001118
为学生考核分组情况，其中/>
Figure BDA00041193002800001119
分别包含1个或多个学生的ID号，/>
Figure BDA00041193002800001120
为学生小组之间的竞赛关系，其中任意元素λk都包含多个学生小组，他们之间进行竞赛。教学宏活动“所有学生单人或分组认知/实训同时互帮互助”的表达式为/>
Figure BDA0004119300280000121
其中τ可以取值为11，s0表示学生认知或实训所使用的教学内容场景ID号，/>
Figure BDA0004119300280000122
为学生分组情况，其中/>
Figure BDA0004119300280000123
分别包含1个或多个学生的ID号，/>
Figure BDA0004119300280000124
为学生小组之间的帮组关系，其中任意元素λk都包含两个学生小组gk,0与gk,1，gk,0帮助gk,1。教学宏活动“所有学生都边认知边实训”的表达式为/>
Figure BDA0004119300280000125
其中τ可以取值为12，s0表示学生认知所使用的教学内容场景ID号，s1表示学生实训所使用的教学内容场景ID号，/>
Figure BDA0004119300280000126
为学生实训分组情况，其中/>
Figure BDA0004119300280000127
分别包含1个或多个学生的ID号。
对于任意ID号为Zc的课堂教学，设定其教学计划，也就是设定1个教学宏活动序列<Φ0 Φ1 … Φn″>，其中每个教学宏活动采用上述表达式，表达式中的学生分组、竞赛关系、帮助关系可以在设定教学计划中确定，也可以在课堂教学中再人为或系统自动设定。
步骤S10，开始课堂教学：系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动。
具体地，开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动。用户通过用户接口向教学活动控制模块30发送指令“开始ID号为Zc的课堂教学”，教学活动控制模块30接到指令后，激活响应：从教学活动计划80读取课堂教学Zc的教学宏活动序列<Φ0 Φ1 … Φn″>，读取第1个宏活动Φ0的表达式，首先查看Φ0的宏活动类型枚举值，根据宏活动类型枚举值分别进行不同类型活动的响应处理，具体如下。
(1)宏活动类型枚举值为0、1、2：
当宏活动类型枚举值为0、1、2，对应宏活动类型为“学生单人/分组认知学习、所有学生单人/分组实训、所有学生单人/分组考核”之一，其表达式为(τ s[g0 g1 … gn′])，对于这些宏活动类型，教学活动控制模块30指令场景实例生成模块40，为参与此宏活动的每位学生生成1个场景s的实例，同组学生的场景实例需要同步状态，使同学可以协同，在实现组内同学实训场景状态同步时，本实施例设定其中1个同学的实训场景实例为多人协同场景主实例，组内其他同学的实训场景实例为场景副实例，场景副实例都与场景主实例建立通信并同步状态，各场景实例都把其信息保存到场景实例信息数据表101。具体实现如下。
在宏活动学生分组关系[g0 g1… gn′]中，任意组学生gm，此组学生的ID号分别为
Figure BDA0004119300280000131
从用户接口地址信息数据表102读取到的用户接口通信地址分别为/>
Figure BDA0004119300280000132
教学活动控制模块30指令生成模块40为每个学生组生成多人协同教学活动体验，以任意组学生gm为例，教学活动控制模块30给场景实例生成模块40发送“为学生组gm生成多人协同教学活动体验”指令
Figure BDA0004119300280000133
其中M0为指令ID号，A0,m为系统给教学小组gm此次教学活动设定的ID号，η为活动场景类型枚举值(当τ为0，η为1，也就是活动场景类型为单人/多人认知活动场景；当τ为1，η为2，也就是活动场景类型为单人/多人实训活动场景；当τ为2，η为3，也就是活动场景类型为单人/多人考核活动场景)，s为教学内容场景ID号，Zc为课堂ID号。
场景实例生成模块40接收到指令后，根据指令ID号M0激活响应：为gm中每个人员分别生成活动场景实例，以gm中任意人员pm,k为例，场景实例生成模块40带参数[Zc η A0,m spm,k Γm,k]运行其包含的场景加载程序，从教学资源文件100读取ID号为s的教学内容，实例化教学内容场景s，生成小组教学活动场景实例qm,k；qm,k为用户pm,k生成教学活动场景沉浸式体验，具体实现为qm,k向pm,k的用户接口地址Γm,k发送建立通信连接的请求，当pm,k的用户接口接收到请求后，与qm,k建立通信连接，qm,k接收pm,k用户接口发送过来的互动操作以及用户位姿信息，qm,k对pm,k的互动操作进行响应，并根据pm,k位姿信息渲染画面传送到pm,k用户接口，显示给用户pm,k看，在后文中场景实例为用户生成沉浸式体验的实现方法不再赘述；把qm,k的场景实例信息[Zc η A0,m s pm,k Γm,k Dm,k δ]存储到场景实例信息101，其中Dm,k为场景实例qm,k的通信地址，δ用来标识此场景实例是多人协同场景主实例(δ＝1)还是场景副实例(δ＝0)，在小组gm的多人协同教学活动中只有一个用户的场景实例信息中δ取值1，其它为0，在本发明实施例中，qm,0为场景主实例，也就是δ＝1；当gm中所有用户的教学活动场景实例已经生成后，它们中的场景副实例都与场景主实例根据通信地址建立通信连接并同步状态，也就是ID号为的A0,m且δ为0的场景实例与ID号为A0,m且δ为1的场景实例建立通信连接并同步状态，实现小组成员间的协同。
(2)宏活动类型枚举值为3、4、5、6：
宏活动类型枚举值为3、4、5、6，对应宏活动类型为“教师给所有学生讲授知识、教师给所有学生进行实操演示、挑选一个或一组学生实操演示给其他同学看、挑选一个或1组学生讲授知识给其他学生”，其宏活动表达式为
Figure BDA0004119300280000141
在上述宏活动类型里，所有用户进入同一个活动场景，用户组/>
Figure BDA0004119300280000142
与/>
Figure BDA0004119300280000143
教学角色不同，其对应的用户接口通信地址分别为/>
Figure BDA0004119300280000144
为用户生成所述宏活动类型场景体验，可以参照宏活动类型枚举值为0、1、2的情况。所有用户进入同一个活动场景，实际上是所有用户组成1个教学小组，所以令
Figure BDA0004119300280000145
把g′0代入宏活动类型枚举值为0、1、2的表达式，得宏活动(τ s [g′0])，依照宏活动类型枚举值为0、1、2的响应方式，为用户
Figure BDA0004119300280000146
生成教学活动场景体验。其中，当τ为3，活动场景类型η为0，也就是活动场景类型为课程知识讲授活动场景；当τ为4，η为2，也就是活动场景类型为单人/多人实训活动场景；当τ为5，η也为2；当τ为6，η也为0。
(3)宏活动类型枚举值为7：
宏活动类型枚举值为7，对应宏活动类型为“挑选多个或多组学生实操演示给其他同学看”，其表达式为
Figure BDA0004119300280000147
Figure BDA0004119300280000148
中每组学生分别在教学内容场景s构建的实训活动场景中开展实操演示，/>
Figure BDA0004119300280000149
中每个用户能同时观看/>
Figure BDA00041193002800001410
中所有组学生的实训演示实况。
对于本宏活动类型的响应，首先，教学活动控制模块30指令场景实例生成模块40为
Figure BDA00041193002800001411
中每组人员都生成多人协同实训的教学活动场景体验，此步骤具体实现参照宏活动“所有学生单人/分组实训”，只不过在这里宏活动的“所有学生”只限于演示小组/>
Figure BDA00041193002800001412
里的学生，说明书里不再赘述，其中，系统为/>
Figure BDA00041193002800001413
中每组人员的小组多人协同实训指定了ID号，对于其中任意小组gm，其小组多人协同实训ID号为A1,m，gm中任意用户pm,k的场景实例为qm,k；然后，教学活动控制模块30指令场景实例生成模块40为/>
Figure BDA0004119300280000151
里所有学生分别生成同时看到所有演示小组的演示的组合教学活动场景体验，具体实现如下。
Figure BDA0004119300280000152
里所有学生分别生成同时看到所有演示小组的演示的组合教学活动场景体验。其中，以/>
Figure BDA0004119300280000153
中任意用户pm为例，场景实例生成模块40带参数[Zc η A7 s pm Γm n′0+1]运行其包含的场景加载程序，从教学资源文件100读取ID号为s的教学内容，实例化教学内容场景s，生成包含n′0+1个教学内容场景s的实例的组合教学活动场景实例qm，qm中包含的n′0+1个教学内容场景s的实例分别为
Figure BDA0004119300280000154
它们分别用于查看小组/>
Figure BDA0004119300280000155
的演示实况，设定
Figure BDA0004119300280000156
坐标系与qm坐标系之间的旋转平移缩放关系，并设置它们在qm中的三维显示区间，/>
Figure BDA0004119300280000157
Figure BDA0004119300280000158
分别与/>
Figure BDA0004119300280000159
的演示场景同步状态，以其中任意场景实例qm,1,k为例，根据gk的小组多人协同实训活动ID号gk以及δ＝1，从场景实例信息101查找到gk的小组多人协同实训场景实例的主实例通信地址，根据此通信地址，qm,1,k与gk的小组多人协同实训场景实例的主实例建立通信连接并同步状态，实现gk实操演示实况呈现在用户pk体验场景实例qm里。qm与pm的用户接口建立通信连接，为pm生成“观看多个或多组学生实操演示”的教学活动体验。把/>
Figure BDA00041193002800001510
与qm的教学活动场景实例信息
Figure BDA00041193002800001511
[Zc η＝9 A7 s pm Γm Dm δ＝0]存储到场景实例信息101，其中Dm为场景实例qm的通信地址，
Figure BDA00041193002800001512
在本实施例中共用此通信地址，
Figure BDA00041193002800001513
为分别为系统给用户组/>
Figure BDA00041193002800001514
小组多人协同实训活动设定的ID号，A7为系统给此次“多小组实操演示”活动设定的ID号。
(4)宏活动类型枚举值为8：
当宏活动类型枚举值为8，对应的教学宏活动类型为“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”，其表达式为
Figure BDA00041193002800001515
教师p0在讲授场景s0开展知识讲授并同时可查看学生实训情况，/>
Figure BDA0004119300280000161
中任意组学生一边在实训场景s1开展实训一边观看教师的讲授活动。以图8为例，学生1为一组，学生2为1组，教师边讲授，学生边实训，教师的组合活动场景实例里包含讲授场景实例、学生1实训场景实例、学生2实训场景实例，学生组合活动场景实例里包含学生自己的实训场景实例也包含教师的讲授场景实例。教师讲授场景实况同步到学生的组合场景里，学生的实训实况同步到教师的组合场景里。
对于此宏活动类型，首先，教学活动控制模块30先指令场景实例生成模块40为教师
Figure BDA0004119300280000162
生成讲授场景s0的沉浸式体验，带参数/>
Figure BDA0004119300280000163
运行场景实例生成模块40包含的场景加载程序，场景加载程序从教学资源文件100读取ID号为s0的教学内容场景，同时实例化教学内容场景s0，生成场景实例/>
Figure BDA0004119300280000164
Figure BDA0004119300280000165
与/>
Figure BDA0004119300280000166
用户接口建立通信连接，为
Figure BDA0004119300280000167
生成讲授教学活动场景体验，保存场景实例信息
Figure BDA0004119300280000168
到场景实例信息101，其中/>
Figure BDA0004119300280000169
为此场景实例的通信地址；然后，教学活动控制模块30指令场景实例生成模块40为/>
Figure BDA00041193002800001610
中所有教学小组生成场景s1的小组多人协同实训教学活动体验，具体实现已经在前文介绍过，不再赘述，其中，系统为/>
Figure BDA00041193002800001611
中每组人员的小组多人协同实训指定了ID号，对于其中任意小组gm，其小组多人协同实训ID号为A1,m，gm中任意用户pm,k的场景实例为qm,k，0；其次，指令教师的讲授教学活动场景实例/>
Figure BDA00041193002800001612
从教学资源文件100读取教学内容场景s1，实例化n′0+1个s1的实例，这n′0+1个s1的实例分别为/>
Figure BDA00041193002800001613
生成1个场景实例/>
Figure BDA00041193002800001614
叠加/>
Figure BDA00041193002800001615
的组合场景实例/>
Figure BDA00041193002800001616
(unity等XR引擎可以同时叠加加载多个场景实例)，设定/>
Figure BDA00041193002800001617
以及/>
Figure BDA00041193002800001618
坐标系在/>
Figure BDA00041193002800001619
坐标系的旋转平移缩放关系，设定/>
Figure BDA00041193002800001620
以及
Figure BDA00041193002800001621
在/>
Figure BDA00041193002800001622
中的三维显示区间，存储场景实例信息，/>
Figure BDA00041193002800001623
分别与/>
Figure BDA00041193002800001624
中对应教学小组的小组多人协同实训场景建立通信连接，并同步状态，实现教师在讲授场景查看学生实训的实况，实现查看他人实训实况的实现方法，前文已经详细介绍，不再赘述；最后指令/>
Figure BDA00041193002800001625
中每个小组每个成员的实训场景实例叠加一个教师讲授场景实例，构建出使学生边实训边观看教师讲授的组合场景，以任意小组gm中任意成员pm,k为例，教学活动控制模块30指令pm,k的实训场景实例qm,k，0读取讲授场景s0文件，实例化出s0的1个场景实例qm,k，1，生成1个场景实例qm,k，0叠加qm,k，1的组合场景实例qm,k，qm,k，1与教师/>
Figure BDA0004119300280000171
的讲授场景实例/>
Figure BDA0004119300280000172
建立通信连接，并同步状态，使教师讲授实况呈现在组合场景实例qm,k中，qm,k与用户pm,k的用户接口建立通信连接为pm,k生成边小组协同实训边观看教师知识讲授实况的组合场景体验，保存场景实例qm,k，1与qm,k的信息到场景实例信息101。
(5)宏活动类型枚举值为9：
当宏活动类型枚举值为9，对应的教学宏活动类型为“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”，其表达式为
Figure BDA0004119300280000173
教师
Figure BDA00041193002800001714
在实训场景s0开展实操演示并同时可查看学生实训情况，/>
Figure BDA0004119300280000174
中任意组学生一边在实训场景s0开展实训一边观看教师的实操演示。“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”与“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”相比较，区别是后者中教师与学生所处教学内容场景不同，“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”表达式/>
Figure BDA0004119300280000175
中，s1取特殊值s1＝s0，参照教学活动控制模块30响应宏活动“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”/>
Figure BDA0004119300280000176
的方法很容易得到教学活动控制模块30响应教学宏活动类型为“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”/>
Figure BDA0004119300280000177
的方法，故说明书不再对本宏活动的响应进行说明。/>
(6)宏活动类型枚举值为10：
当宏活动类型枚举值为10，对应的教学宏活动类型为“所有学生考核竞赛”,其表达式为
Figure BDA0004119300280000178
Figure BDA0004119300280000179
中任意gm是一组用户I D号/>
Figure BDA00041193002800001710
对应的用户接口地址为/>
Figure BDA00041193002800001711
Figure BDA00041193002800001712
定义了竞赛关系，其中任意元素λm定义了一组竞赛对手
Figure BDA00041193002800001713
学生在实训同时能查看竞赛对手的考核场景情况，为了避免抄袭，竞赛对手的考核场景情况会以较长的时间间隔同步过来或者只有部分信息同步过来。以图9为例，学生3为一组，学生4为一组，学生的竞赛场景实例都包含自己的考核场景实例与竞赛对手的场景实例，学生的考核场景实况会以较长的时间间隔同步到竞赛对手的竞赛场景里。
对于此宏活动类型，首先，教学活动控制模块30指令场景实例生成模块40为
Figure BDA0004119300280000181
中所有教学小组生成场景s1的小组多人协同实训教学活动体验，具体实现已经在前文介绍过，不再赘述，其中，系统为/>
Figure BDA0004119300280000182
中每组人员的小组多人协同实训指定了ID号，对于其中任意小组gm，其小组多人协同实训ID号为A1,m，gm中任意用户pm,k的场景实例为qm,k，0；然后，指令/>
Figure BDA0004119300280000183
中所有小组的所有成员的考核场景实例再叠加用来查看竞赛对手考核情况的场景实例，生成学生自己考核同时查看对手考核情况的组合场景，/>
Figure BDA0004119300280000184
任意竞赛关系λm定义了一组竞赛对手
Figure BDA0004119300280000185
以任意竞赛关系λm中任意小组gk,m中任意成员pk,m,l为例，pk,m,l的考核场景实例用qm,k,l,0表示，指令pk,m,l的考核场景实例qm,k,l,0再次实例化考核场景s0，在qm,k,l,0上再叠加nm个考核场景s0的实例(其中nm是gk,m竞赛对手数量)，生成考核竞赛场景实例qm,k,l，其中叠加的这nm个s0的实例分别为/>
Figure BDA0004119300280000186
Figure BDA0004119300280000187
设定qm,k,l,0以及
Figure BDA0004119300280000188
坐标系在qm,k,l坐标系的旋转平移缩放关系，设定qm,k,l,0以及
Figure BDA0004119300280000189
在qm,k,l中的三维显示区间，存储场景实例信息，
Figure BDA00041193002800001810
分别与/>
Figure BDA00041193002800001811
中除gk,m外一个不同的小组的考核场景实例的主实例建立通信连接，以较大的时间间隔同步竞赛对手小组的考核场景状态。
(7)宏活动类型枚举值为11：
当宏活动类型枚举值为11，对应的教学宏活动类型为“所有学生单人或分组认知/实训同时互帮互助”,其表达式为
Figure BDA00041193002800001812
其中
Figure BDA00041193002800001813
为分组情况，/>
Figure BDA00041193002800001814
为帮助关系，对于每组帮助关系λm，λm定义了一组帮助关系包含了提供帮助的教学小组g0,m与被帮助的教学小组g1,m。以图10为例，学生1为一组，学生2为一组，学生1在自己实训/认知的同时帮助学生2，学生1的组合场景里包含自己的活动场景实例与学生2的活动场景实例，学生2的活动场景实况呈现到学生1的组合场景里，学生1可以查看学生2的活动实况并可参与到学生2的教学活动。
对于此宏活动类型，首先为
Figure BDA00041193002800001815
中每组学生生成小组协同实训/认知活动体验，具体实现已经在前文介绍过，不再赘述。然后为/>
Figure BDA00041193002800001816
中所有帮助关系中的提供帮助方生成边实训/认知边帮助别人的组合场景活动体验，以
Figure BDA0004119300280000191
中任意组帮助关系λm里提供帮助的教学小组g0,m里任意人员p0,m,k为例，前面生成的用于p0,m,k认知/实训的场景实例为q0,m,k,0，指令q0,m,k,0再次实例化场景s0，生成场景实例q0,m,k,1，在q0,m,k,0上叠加场景实例q0,m,k,1，生成“边认知/实训边帮助”活动场景实例q0,m,k，设定q0,m,k,0以及q0,m,k,1坐标系在q0,m,k坐标系的旋转平移缩放关系，设定q0,m,k,0以及q0,m,k,1在q0,m,k中的三维显示区间，q0,m,k,1与λm中被帮助小组g1,m的认识/实训场景实例的主实例建立通信连接同步状态，从而把g1,m的认知/实训实况呈现在用户p0,m,k的“边认知/实训边帮助”的组合场景实例q0,m,k里，p0,m,k对场景实例q0,m,k,1的互动也会同步到被帮助方g1,m的场景实例里从而帮助g1,m，q0,m,k与p0,m,k的用户接口建立通信连接，为用户p0,m,k生成“边认知/实训边帮助”的教学活动体验。
(8)宏活动类型枚举值为12：
当宏活动类型枚举值为12，对应的教学宏活动类型为“所有学生都边认知边实训”,其表达式为
Figure BDA0004119300280000192
其中s0为认知场景，s1为实训场景。
在对于此宏活动类型，首先，为
Figure BDA0004119300280000193
中每组学生生成小组协同实训活动体验。然后为/>
Figure BDA0004119300280000194
中每组学生的实训场景里叠加小组协同认知实训场景，生成“边认知边实训”的教学活动体验，以/>
Figure BDA0004119300280000195
中任意组gm里任意人员pm,k为例，前面为pm,k生成的实训场景实例为qm,k,0，指令qm,k读取场景ID号为s0的教学内容场景，实例化s0，生成实训活动场景实例qm,k,1，场景实例qm,k,0叠加qm,k,1，生成学生“边认知边实训”教学活动场景实例qm,k，qm,k,1与gm组内其它人员的认知场景实例同步状态，实现小组协同认知，设定qm,k,0以及qm,k,1坐标系在qm,k坐标系的旋转平移缩放关系，设定qm,k,0以及qm,k,1在qm,k中的三维显示区间，qm,k与pm,k用户接口建立通信，为pm,k生成小组协同边认知边实训教学活动体验。
步骤S20，教学活动场景切换：根据教学进展，切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动。
教学活动场景切换有两种方式：一种是当前教学活动已完成或已达到设定的时间等设定的切换条件，系统自动为师生从当前教学宏活动切换到教学计划里下一个教学宏活动的活动场景，为用户生成下一个教学宏活动指定的教学活动场景体验；另外一种人为的给课堂发送教学宏活动切换命令。具体实现如下：
Zc的教学宏活动序列为<Φ0 Φ1 ... Φn>，当前教学宏活动为Φk，教学计划里下一个教学宏活动为Φk+1。智慧课堂系统自动或人为向教学活动控制模块30发出课堂Zc的教学宏活动切换指令，根据步骤S10中为用户生成教学宏活动设定的教学活动体验方式，为用户生成教学宏活动Φk+1设定的教学活动沉浸式体验，同时通过断开场景实例与用户接口通信或销毁场景实例的方式结束Φk教学活动沉浸体验，销毁场景实例的方式为场景实例销毁模块50从场景实例信息数据表101查找到相关的场景实例的通信地址后，根据通信地址发送场景实例销毁指令，场景实例接到销毁指令后进行销毁。
其中，在步骤S10和步骤S20中，可根据教学需求任意学生或任意师生之间、任意生生之间临时发起组合教学活动，智慧课堂根据师生的教学活动发起指令，为对应师生生成所述教学活动的沉浸式体验，或者智慧课堂根据课堂教学情况，自动临时发起组合教学活动，为对应的用户生成组合场景体验。
根据教学需求临时发起教学活动，其中主要包括：在原有的教学计划实施过程中，任意学生可以临时发起“认识-实训”教学活动，任意师生之间可以临时发起“讲授-实训”、“演示-实训”等组合教学活动，任意生生之间(学生与学生之间)可以临时发起“考核/实训竞赛”、“实训/考核帮助”等组合教学活动。智慧课堂根据师生的教学活动发起指令，为对应师生生成所述教学活动场景的沉浸式体验，例如：在学生分组实训的教学宏活动中，学生A实训遇到困难，教师单独对学生A发起“讲授-实训”组合活动，智慧课堂为教师生成边讲授边可查看学生A实训实况的组合场景沉浸式体验，为学生A生成边实训边可观看教师讲授实况的组合场景沉浸式体验。在步骤S10已经详细介绍智慧课堂为师生用户生成组合教学活动场景沉浸式体验的方法，在此不再赘述。
当教学进展到需要再次切换教学活动时，可以重复步骤S20,直到本次课堂教学结束。
查看教学计划：
本发明还可以为用户生成教学计划查看三维场景，用户可以进入教学计划场景沉浸式查看教学计划。教学计划中所有教学活动场景呈现在教学计划场景中，且按照教学活动的顺序在教学计划场景中布局，更进一步，所有教学活动场景的微缩场景呈现在教学计划查看三维场景中，选中其中一个教学活动场景的微缩场景，将呈现此教学活动场景的正常尺寸场景或大尺寸场景。
以图11为例，课堂教学计划是由7个教学宏活动组成的活动序列，在教学计划查看场景中，呈现这7个教学宏活动对应的活动场景的微缩场景，当用户选择计划中的第2个教学活动场景“教学内容1实训活动场景”，教学计划查看场景中将出来“教学内容1实训活动场景”的大尺度场景，从而用户可以查看此活动详细信息。具体实现如下。
当场景实例生成模块40接收到为用户pm生成课堂Zc的教学计划查看场景沉浸式体验的指令后，读取教学计划宏活动序列<Φ0 Φ1 … Φn″>，由于各教学宏活动类型表达式中都包含教学内容场景，所以把教学计划宏活动序列中各宏活动提取出来组成教学计划场景组序列<S0 S1 … Sn″>，场景组序列中任意元素可能包含1个或多个教学内容场景，对于其中任意元素Sm，其包含的教学内容场景用场景组
Figure BDA0004119300280000211
表示，
Figure BDA0004119300280000212
任意元素都是教学内容场景ID，场景实例生成模块40带参数[pm Γm<S0 S1 … Sn″>]运行其包含的场景加载程序，场景加载程序首先生成1个空的教学计划查看场景实例qm，教学计划查看场景实例qm然后从教学资源文件100读取<S0 S1 ... Sn″>中各场景组内各场景ID对应的场景文件，然后实例化各场景，如果各场景组之间场景ID号有重复，此ID号对应的场景就需要重复实例化，设定各场景实例坐标系与教学计划查看场景实例qm坐标系的旋转平移缩放关系，以及设定各场景实例的在教学计划查看场景实例qm中的三维显示区间，其中各场景实例坐标系与教学计划查看场景实例坐标系的缩放关系是较大幅度缩小，从而实现教学计划对应的教学计划场景组以微缩教学内容/组合场景序列的方式呈现在教学计划场景，教学计划查看场景实例qm与pm的用户接口Γm建立通信连接，教学计划查看场景实例qm为pm生成沉浸式体验，当用户选中qm某个微缩场景实例qm,k查看详情时，qm克隆此场景实例生成场景实例q′m,k，设定q′m,k坐标系与qm的旋转平移缩放关系，设定q′m,k在qm中的三维显示区间，其中q′m,k坐标系与坐标系qm缩放关系是不缩放或放大，或小幅缩小，从而实现用户在教学计划查看场景中选中某微缩场景后，可以查看此场景的大尺度场景，能查看教学内容场景详情。
系统为用户生成课堂场景体验：
在课堂场景，用户能查看所有进行中的教学活动。以图9为例，图9中的课堂包含的教学活动有图3的“讲授-实训”活动与图6的“考核竞赛”活动。在图9的课堂场景中，需要呈现学生1、学生2的单人实训场景，以及教师讲授知识的认知场景，还需要呈现学生3、学生4的单人考核场景，另外还需要呈现教师与学生1与学生2在进行“讲授-实训”的活动，以及学生3与学生4在进行“考核竞赛”活动。
如图10所示，系统为任意ID号为pm的用户生成课堂场景体验的方法如下。教学活动控制模块30给场景实例生成模块40发送生成课堂场景指令[M6 Zc Pm Γm]，其中M6为指令ID号，Zc为课堂的ID号。场景实例生成模块40接受到指令后，根据指令ID号M6激活响应：带参数[Zc pm Γm]运行场景实例生成模块40包含的场景加载程序，场景加载程序从场景实例信息101读取课堂ID号为Zc的所有教学活动场景实例信息，统计其中活动类型为单人活动或多人协同活动场景主实例(δ为1的场景实例)，得到场景实例集合Q，对于Q中任意场景实例qk，其信息为[Zc τ Ak sk pk Γk Dk δ＝1]，场景加载程序从教学资源文件100读取ID号为sk的教学内容场景，实例化教学内容场景sk，生成单人教学活动场景实例
Figure BDA0004119300280000221
设定场景实例/>
Figure BDA0004119300280000222
坐标系相对pm用户体验空间坐标系的旋转平移缩放关系以及设定/>
Figure BDA0004119300280000223
的三维显示区间，场景实例/>
Figure BDA0004119300280000224
与pm的用户接口建立通信连接，/>
Figure BDA0004119300280000225
接收pm的互动操作以及用户定位信息，/>
Figure BDA0004119300280000226
对pm的互动操作进行响应，并根据pm定位信息渲染画面传送并显示给用户pm看，/>
Figure BDA0004119300280000227
与qk建立通信连接，同步场景状态。组合场景实例也可以如上面单人或多人互动场景的方式呈现到课堂场景，也可以通过场景实例信息101查询课堂场景里哪些单人或多人活动场景实例之间有组合活动关系，并在课堂场景里进行标注。
人员匹配：
在设定教学计划中，教学宏活动表达式中的人员分组参数、竞赛关系参数、帮助关系参数可以不设定，在课堂进行中再人为设定或系统自动设定。在系统自动设定的方式中，系统能自动匹配最佳人员。匹配小组协同人员或帮助关系时，以人员之间知识点最互补为原则，匹配竞赛人员是知识点差异最小(势均力敌)为原则。对于任意教学内容场景sl，在sl的前置知识点和新知识点中，学生pi已掌握知识点的集合为
Figure BDA0004119300280000231
任意学生pj已掌握的前置知识点和新知识点的集合为/>
Figure BDA0004119300280000232
用并集/>
Figure BDA0004119300280000233
里知识点数量表征pi与pj的小组协同或帮助关系匹配度，并集里知识点数量越高，匹配度越高。为学生pi分配小组协同或帮组关系的人员时，优先分配与其匹配度高的学生或小组。在匹配竞赛对手时，知识点情况越相近的学生或小组之间竞赛匹配度越好，用集合/>
Figure BDA0004119300280000234
里知识点的数量表征pi与pj的竞赛匹配度，集合/>
Figure BDA0004119300280000235
里知识点数量越少，越势均力敌，竞赛匹配度越高。为学生pi分配竞赛的人员时，优先分配与其竞赛匹配度高的学生。小组与小组之间匹配竞赛时，先统计整个小组掌握知识点的集合，然后依照单个学生之间竞赛匹配度计算方法计算各小组之间的竞赛匹配度。
评测课堂教学效果：
本发明实施例中，所有进行中的教学活动场景，基于教学内容的数据采集与知识点掌握程度统计能力，实时采集活动参与学生对各知识点的认知/实操掌握程度数据呈现在活动场景，并传送给教学情况数据90。课堂场景实例可以从教学情况数据90读取课堂的教学情况数据并呈现。
第二实施例：
对第一实施例进行改进，在“演示-实训”、“讲授-实训”、“实训帮组”、“考核竞赛”等组合场景活动中，为用户的生成的组合场景实例中，都包含有同步其它用户场景实例信息以反应其它用户教学实况的场景实例，本实施例改进为：在为用户的生成的组合场景实例中，不再实例化用来反应其它用户教学实况的场景实例，改为：用户的组合场景实例实时接收并加载其它用户场景实例实时生成的体素图，使用实时加载体素图来呈现其它用户教学实况。同样，课堂场景实例不再包含各用户单人活动或多人活动场景实例，改进为课堂场景实例实时接收并加载各用户单人活动或多人协同活动场景实例实时体素图，从而课堂场景呈现各各用户单人活动或多人协同活动实况。教学计划查看场景中，教学活动微缩场景可以采用场景体素图呈现。具体实现方法参见申请号为202210427227.9的专利发明“一种基于XR技术的沉浸式课堂构建方法、系统及存储介质”的说明书，在此说明中详细介绍了课堂场景通过实时加载教学内容场景体素图的方式，实现教学内容场景实况在课堂场景里的呈现，还介绍了在课堂场景对教学内容场景互动的实现方式。同样方式可实现使用体素图在组合场景中呈现其它用户教学实况并互动。
第三实施例：
对第一实施例和第二实施例进行改进，组合活动场景与课堂场景拆分为多个子场景，例如:课堂场景里包含的每个学生的单人教学活动场景或每组学生的多人协同教学活动场景都拆分出来作为子场景。给各子场景设定三维显示区间，只有在三维显示区间的场景内容才需要成像，子场景分别单独渲染生成用户的沉浸式体验画面，各子场景的沉浸式体验画面根据深度遮挡关系进行拼接得到完整的组合活动场景或课堂场景体验画面。具体实现参见申请号202210022608.9的发明专利“一种基于XR技术的新维度空间构建方法、系统及平台”的说明书，在此说明书中中详细介绍了多个子场景分别渲染画面拼接生成完整场景的沉浸式体验画面的方法。
有益效果：组合活动场景或课堂场景加载多个教学内容场景实例后，常规的终端与单台服务器所拥有的计算资源，将很难满足渲染场景体验画面的需求。通过把组合活动场景或课堂场景解构成多个子场景，分布到多台服务器分别渲染，从而能集中大量服务器的计算资源，解决组合活动场景或课堂场景渲染的受限于单台计算资源瓶颈问题。
第四实施例：
对第一实施例和第三实施例进行改进，用户p0的组合场景活动中查看其他用户q0(或其它组)的场景(例如“讲授-实训”活动中，学生实训同时查看教师的讲授场景实况)，可以采用用户q0场景生成立体视觉直播画面传送并与用户p0其他体验内容拼接后，显示给用户p0看，从而实现为用户p0生成边进行其他内容沉浸体验边观看q0场景实况(还可以与q0场景互动)的组合场景沉浸式体验，在课堂场景查看进行中的教学活动，同样可以通过接收拼接进行中的教学活动场景立体视觉直播画面实现。具体实现方法请参见申请号为202210906282.6的发明专利《基于XR技术的沉浸式互动直播构建方法、系统及介质》申请书。
有益效果：用直播画面来呈现活动场景实况，会降低沉浸感，但活动场景的一组直播画面能为大量用户立体的呈现活动场景实况，大幅度减少活动场景实例的数量，降低了对渲染硬件资源的需求。
本发明基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法的有益效果是：
本发明通过上述技术方案，包括：步骤S10，开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动；步骤S20，切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动；所述教学活动场景是单人或多人协同教学活动场景，或者是由单人或多人协同教学活动场景组合而成的教学活动组合场景，在使用XR技术构建的虚拟实训场景基础上，通过构建适合课堂教学特征的XR课堂教学系统，提供沉浸式XR智慧课堂教学功能，实现了高效组织教学活动，快节奏的推动教学进度，达到让全班学生按计划掌握知识的目标。
为实现上述目的，本发明还提出一种沉浸式XR智慧课堂教学系统，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序，所述基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序被所述处理器运行时执行如上所述的方法的步骤，这里不再赘述。
为实现上述目的，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序，所述基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序被处理器运行时执行如上所述的方法的步骤，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S10，开始课堂教学，系统生成教学活动场景实例，为用户生成教学活动场景沉浸式体验，使用户进入教学活动场景开展教学活动；
步骤S20，切换教学活动，系统生成新的教学活动场景实例，为用户生成新教学活动场景沉浸式体验，使用户切换到新的教学活动场景开展教学活动；
所述教学活动场景是单人或多人协同教学活动场景，或者是由单人或多人协同教学活动场景组合而成的教学活动组合场景。
2.根据权利要求1所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，步骤S10生成的教学活动场景实例的活动场景是教学计划里时序排第1的教学活动场景，步骤S20切换教学活动时，查找教学计划里排在当前教学活动后面的教学活动，用户切换到所述查找到的教学活动的场景。
3.根据权利要求2所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，当所述步骤S10在为用户生成多人协同活动场景沉浸式体验或多人参与的组合场景沉浸式体验时，智慧课堂可以为之自动匹配人员，当所述步骤S20为用户切换到新的多人协同活动场景或多人参与的组合场景时，系统也可以自动匹配人员。
4.根据权利要求3所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，在步骤S10与步骤S20中，还包括用户可以在单人或多人协同教学活动基础上，临时发起组合教学活动，系统根据临时发起组合教学活动指令，为对应的用户生成组合场景体验，或者系统根据课堂教学情况，自动临时发起组合教学活动，为对应的用户生成组合场景体验。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，系统可以生成课堂场景实例，为用户提供课堂场景沉浸式体验，课堂场景呈现各进行中的教学活动场景实况。
6.根据权利要求5所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，系统还可以生成教学计划场景实例，为用户提供教学计划场景沉浸式体验，教学计划中所有教学活动场景呈现在教学计划场景中，且按照教学活动的顺序在教学计划场景中布局。
7.根据权利要求6所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S00，设定课堂教学计划，包括设定1个教学宏活动序列，其中所述教学宏活动序列中任意宏活动是一组同时进行的教学活动，同时进行的教学活动是单人活动、多人协同教学活动以及组合场景活动中的一种或多种，步骤S10生成的教学活动场景实例的活动场景是教学计划里时序排第1的教学宏活动里的活动场景，步骤S20切换教学活动时，查找教学计划里排在当前教学宏活动后面的教学宏活动，用户切换到所述查找到的教学宏活动对应的教学活动场景。
8.根据权利要求7所述的基于沉浸式XR智慧课堂的教学方法，其特征在于，系统可以生成教学情况数据，并呈现在教学活动场景与课堂场景，单人教学活动场景包括单人讲授场景、单人认知场景、单人实训场景、单人考核场景，多人协同教学活动场景包括多人协同认知场景、多人协同实训场景、多人协同考核场景，组合多个单人教学活动场景或多人协同教学活动场景生成包含多个场景的组合场景，通过改变包含场景类型与场景数量，可以构建种类繁多的组合场景，其中包括“讲授-实训”场景、“演示-实训”场景、“认知-实训”场景、实训帮助场景、考核竞赛场景、多小组实操演示，在步骤S00设定教学计划所用到的宏活动类型包括“所有学生单人/分组认知学习”、“所有学生单人/分组实训”、“所有学生单人/分组考核”、“教师给所有学生讲授知识”、“教师给所有学生进行实操演示”、“挑选一个或一组学生实操演示给其他同学看”、“挑选一个或1组学生讲授知识给其他学生”、“挑选多个或多组学生实操演示给其他同学看”、“教师给所有学生讲授知识同时所有学生进行单人或分组实训”、“教师给所有学生进行实操演示同时所有学生进行单人或分组实训”、“所有学生考核竞赛”、“所有学生单人或分组认知/实训同时互帮互助”、“所有学生都边认知边实训”，教学计划场景呈现教学活动场景具体为所有教学宏活动场景的微缩场景呈现在教学计划场景中，选中其中一个教学宏活动场景的微缩场景，教学计划场景将呈现此教学宏活动场景的正常尺寸场景或大尺寸场景，从而使用户可以查看教学计划详情。
9.一种基于沉浸式XR智慧课堂的教学系统，其特征在于，所述系统包括存储器、处理器以及存储在所述处理器上的基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序，所述基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序被所述处理器运行时执行如权利要求1至8任意一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序，所述基于沉浸式XR智慧课堂的教学程序被处理器运行时执行如权利要求1至8任意一项所述的方法的步骤。
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