一种沉浸式全息AR未来教室系统及其教学方法与流程

一种沉浸式全息ar未来教室系统及其教学方法
技术领域
1.本发明属于未来教室技术领域，尤其涉及一种沉浸式全息ar未来教室系统及其教学方法。


背景技术：

2.常规的教学设备以投影机或投影一体式黑板为主，授课模式仍是“老师讲，学生听”，仅能展示课件ppt、图片或普通视频进行课程演绎，展现形式枯燥单一，学生难以理解消化课本知识。为此，近年来以智慧学习环境的构建为体现的“未来”教室成为发展热点之一。智慧学习环境目前没有明显的概念设定。在课堂上，“以教师为主导，以学生为主体”的教学方式变革，正急需能够满足交互式学习、翻转课堂、互动课堂需求的高品质解决方案。在“互联网 ”时代，智慧教育已经成为当前教育发展的新方向，建设智慧教室和发展智慧教学有利于变革传统教学模式，实现即时、深度交互，对学生主体地位发挥提供有力保障。目前，多情景的智慧教学呈现出融合性、创造性与智慧性的高度交互，催生了教学新模式。
3.目前科技教学设施的缺陷也是目前现有技术缺陷：触屏为主体的多媒体教室，在教学手段上有所提高，但是学生主动自发学习的兴趣、体验与实践性仍未解决，与传统教学差异不大，难以提高课堂氛围感，甚至降低老师备课热情。
4.ai教学，类似于siri的一种教学模式，适合于成绩优秀学生，对于欠缺主动性及成绩普通的学生而言效果一般。长期使用，会极大地拉开学生之间的差距，打击部分学生的学习积极性。其课程开发成本高，周期长，对于学校而言，课程开发性价比低。
5.vr教学，需要独立佩戴使用vr眼镜，不适合老师多人讲解，使用效果容易有晕眩感，不利于学生视力健康，且维护成本高。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种沉浸式全息ar未来教室系统及其教学方法，可以解决或者至少部分解决上述技术问题。
7.为此，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，提供了一种沉浸式全息ar未来教室系统，包括：
9.可升降的、半透明的互动式全息投影幕；
10.依次环绕所述互动式全息投影幕设置的第一环幕、第二环幕和第三环幕；所述第二环幕分别与所述第一环幕和所述第三环幕错位设置以形成通道；所述全息投影幕对应有第一投影设备，所述第一环幕、所述第二环幕和所述第三环幕分别对应有一第二投影设备；
11.设置在天花板上的图案灯及染色效果灯；
12.音响；
13.控制终端，所述第一投影设备、所述第二投影设备、所述图案灯、所述染色效果灯和所述音响分别连接所述控制终端。
14.可选地，还包括体感手势控制器。
15.可选地，所述图案灯包括第一环形led灯带、第二环形led灯带和第三环形led灯带，所述染色效果灯包括呈阵列分布的led灯阵列。
16.可选地，还包括呈环形阵列分布的移动座椅。
17.可选地，还包括用于存储数据的云服务器。
18.可选地，还包括位于所述第一环幕一端的讲台。
19.可选地，所述互动式全息投影幕位于所述第一环幕、所述第二环幕和所述第三环幕共同环绕的中间位置。
20.第二方面，提供了一种沉浸式全息ar未来教室系统的教学方法，应用于如上所述的沉浸式全息ar未来教室系统，包括：
21.第一投影设备向互动式全息投影幕上投影出具有预设形象的虚拟机器人，所述预设形象根据学校文化定制；
22.所述虚拟机器人扮演虚拟教师、虚拟学习委员或虚拟教师助手的角色，与教师和/或学生进行互动。
23.可选地，还包括：
24.所述第一投影设备向所述互动式全息投影幕投影第一影像，所述第二投影设备向所述第一环幕、所述第二环幕和所述第三环幕投影第二影像，所述图案灯和所述染色效果灯分别射出灯光，所述音响同步工作，以此构建ar教学环境。
25.可选地，还包括：
26.在所述ar教学环境下，教师从环幕错位设置出的通道走向位于第一环幕远离所述通道一端的讲台。
27.与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
28.本发明实施例提供的一种沉浸式全息ar未来教室系统及其教学方法，第二环幕分别与第一环幕和第三环幕错位设置，形成的通道可以方便教师穿插走动，提升教学效果，并且从观看区域观察三个环幕，三个环幕显示的影像能够无缝连接，并不影响整体视觉效果。进一步地，可升降的、半透明的互动式全息投影幕，可以全息投影出虚拟机器人，该机器人可以作为教学机器人，也可以供教师站在互动式全息投影幕之后与机器人互动，提升教学效果。互动式全息投影幕放置在中间可营造画面立体感，增强氛围效果，可升降的和半透明的特征，可以打造超大环幕包裹效果，突出沉浸感。与此同时，天花板上的图案灯及染色效果灯可以形成丰富多彩的灯光效果，与互动式全息投影幕、三个环幕和音响构成具备声、光、电、影像等元素的沉浸式全息ar未来教室，极大地提升了教学效果。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
30.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功
效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
31.图1～图4分别为本发明实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统的不同俯视图；
32.图5～图7为本发明实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统的系统图。
33.图示说明：
34.10、互动式全息投影幕；11、第一环幕；12、第二环幕；13、第三环幕；14、第一投影设备；15、第二投影设备；16、讲台；17、围挡物；18、移动座椅；19、led灯阵列；21、第一环形led灯带；22、第二环形led灯带；23、第三环形led灯带；24、通道。
具体实施方式
35.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本技术提供了一种沉浸式全息ar未来教室系统及其教学方法，力争以全新的教学形式，用最新的科技手段，包括ar增强现实、全息投影技术、声光电技术等，使教学手段更加新颖，符合科技发展的趋势，提高学生学习的兴趣，让学生对知识的吸收由被动变主动。
37.在具体介绍实施例之前，先对ar(augmented reality，增强现实)、vr(virtual reality，虚拟现实)和虚拟增强现实技术进行简单介绍。ar是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度，并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术由1990年提出，随着随身电子产品运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广。
38.vr是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，综合集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、并行处理、网络、传感和显示等技术，是现代教学中应用研究的热点。虚拟现实技术是以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化并与使用者相互作用的三位世界，在视、听、触、摸等感知行为的逼真体验中，使参与者可以获得直接参与及探索虚拟对象在所处的环境中的作用与变化的感受。目前，虚拟现实技术已在娱乐、医疗、工程和建筑、传媒、军事模拟、教育和培训、科学和金融等方面获得了很好的应用。虚拟现实技术为人们提供了一种理想的教学手段。
39.实践表明，将该技术应用于教学工作中，能形象生动地表现教学内容，为学生提供生动、逼真的学习环境；使学生成为虚拟学习环境的一名参与者，有利于调动学生的学习积极性；突破教学的重点、难点，提高学生掌握知识、技能的效率。对虚拟世界中的物体进行浏览和实时交互，使学生产生亲临真实环境的感受和体验。
40.虚拟增强现实技术是以计算机为主，融合了计算机三维图形技术、计算机仿真技术、多传感交互技术、显示技术、模拟技术、网络技术等多种高新技术的成果，通过计算机生成以视觉为主的、逼真的三维虚拟环境，向用户提供具有视觉、听觉和触觉等感知功能。
41.虚拟增强现实技术具有多感知性、沉浸性、交互性和构想性四个基本特征。
42.多感知性：所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实
技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。
43.沉浸性：其又称临场感，指用户感到作为主存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上数据手套等交互设备，便可置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且可以听到三维仿真声音。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有身临其境的感觉。
44.交互性：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且可以通过特殊传感设备、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。
45.构想性：强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可以再现真实存在的环境，而且可以随意构建客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
46.请参阅图1至图4所示。
47.本实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统，包括以下部分：多媒体服务器、全息投影、音响、灯光、投影机、机械投影幕和云服务器。
48.多媒体服务器中可以存储音频、视频、图片、文字等多媒体文件，以供音响和投影机使用。
49.具体地，全息投影包括互动式全息投影幕10和与之对应的第一投影设备14。互动式全息投影幕10可自动升降且半透明，需要使用时展开，不需要使用时收起。
50.机械投影幕包括依次环绕互动式全息投影幕10设置的第一环幕11、第二环幕12和第三环幕13；第二环幕12分别与第一环幕11和第三环幕13错位设置，可以形成供人行走的通道24。投影机包括三个第二投影设备15，分别与第一环幕11、第二环幕12和第三环幕13一一对应。
51.灯光包括设置在天花板上的图案灯及染色效果灯。可选地，还可以设置薄雾烟机。
52.应当理解，音响的位置可以根据需要布置。
53.上述第一投影设备14、第二投影设备15、图案灯、染色效果灯和音响分别连接控制终端，可由控制终端控制开启和关闭。
54.本实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统，第二环幕12分别与第一环幕11和第三环幕13错位设置，形成的通道24可以方便教师穿插走动，提升教学效果，并且从观看区域观察三个环幕，三个环幕显示的影像能够无缝连接，并不影响整体视觉效果。进一步地，可升降的、半透明的互动式全息投影幕10，可以全息投影出虚拟机器人，该机器人可以作为教学机器人，也可以供教师站在互动式全息投影幕10之后与机器人互动，提升教学效果。互动式全息投影幕10放置在中间可营造画面立体感，增强氛围效果，可升降的和半透明的特征，可以打造超大环幕包裹效果，突出沉浸感。与此同时，天花板上的图案灯及染色效果灯可以形成丰富多彩的灯光效果，与互动式全息投影幕10、三个环幕和音响构成具备声、光、电、影
像等元素的沉浸式全息ar未来教室，极大地提升了教学效果。
55.需要说明的是，上述沉浸式全息ar未来教室系统，外围需要有围挡物17，以防止外界的光线干扰。该围挡物17可以是建筑墙、窗或者其他挡件。
56.应当理解，本实施例运用了虚拟现实增强技术，依托科技采用先进手段构建人性化交互学习环境、体验式虚拟教学平台、体验式虚拟实验系统，适用于所有学生。硬件维护成本低，软件能根据课程需要、素质教育拓展等作出设计，打造沉浸式教学环境，让学生有身临其境之感，提高课堂氛围感，而且设计周期短，能满足学校的教学需求。对于双减政策困扰着难以跟上课程内容的学生及其家长，本实施例可以将课程内容融入素质拓展教育中，助力学生更好消化课程内容。对于老师而言，教师经过培训后能轻松上手操作，甚至老师也可自行设计课程，拓宽备课思路，激发课件创作热情。对于学校而言，还能根据学校自身特色打造专属的沉浸式全息ar未来教室，提高学校品牌对公众的吸引力。对于地方政府而言，镇区内存在一间沉浸式全息ar未来教室，可共享教室资源，实现教育公平。
57.本实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统的教学内容和教学方式有以下特点：
58.因为ar呈现的内容可以是3d立体的，所以非常生动、直观、形象，有助于学生理解和记忆。对于k12课程教育、国学、素质教育等特定题材，提供背景环境，不需要再从平面2d形象中脑补3d形象；对于电波、磁场、原子、几何等那些抽象或肉眼不可见的内容，该系统可以形象可视化的展示出来，有助于提升认知和理解。当学生们用ar技术去学习的时候，他们不再是死记硬背，而是去体验学习内容，去亲自参与到教学中。沉浸式全息ar未来教室系统非常符合“学习是一种真实情境的体验”的建构主义学习理论，让学生们亲自用眼看、用耳听、动手做然后自然的开动大脑去想。在沉浸式全息ar未来教室系统中，学生变为课堂的主角，由他们去深究自己想要学习的知识，充分调动学生的学习热情，从“要我学”变成“我要学”。老师参与授课，还可通过通道24从后台走至讲台16，配合互动式全息投影幕10vr设计，形成老师在画面穿越的有趣效果，打破常规老师只能站在讲台16的授课方式，参与课程演绎中，拉近与学生的距离。还能根据不同的学校文化，设计虚拟机器人，该虚拟机器人由第一投影设备14全息投影形成，以打造专属ip。机器人以“学生的小伙伴”的角色出现课程，在老师及学生与机器人进行对话及游戏等互动过程中，渗透知识，提升教学效果。
59.在本技术的另一实施例中，沉浸式全息ar未来教室系统还包括体感手势控制器，其结合交互系统，可进行游览式课程设计，如游览故宫，通过手势控制游览路线前进、进入不同的空间、观察四周等，打造360度环绕画面，让学生一秒“穿越”回古代。巧设剧本，增加游戏交互，学生通过完成任务去体验不同的交互乐趣，在游戏中接收知识。
60.进一步地，为了可以营造丰富多彩的灯光效果，图案灯包括第一环形led灯带21、第二环形led灯带22和第三环形led灯带23，染色效果灯包括呈阵列分布的led灯阵列19。
61.进一步地，沉浸式全息ar未来教室系统还包括呈环形阵列分布的移动座椅18，具体为木框架移动座椅18。
62.本实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统，意在打造一个沉浸式全息ar体验空间，广泛用于学习情景的创设，增加学习内容的形象性和趣味性，进而实现模拟训练。该沉浸式全息ar未来教室系统，具备包裹性强的互动式全息投影幕10，以数字化专用教室新技术为主导，为学校数字化教学创设良好环境，方便学生进行实践活动，为探究性学习和学科实验活动创造条件，将学科发展前沿技术应用于课程中，把课本上的知识进行全方位、直
观、形象生动的展现，提高教学效果与质量，使教与学变得轻松、愉悦。该沉浸式全息ar未来教室系统，可以获得无需佩戴眼镜的ar互动体验，形象生动地表现教学内容，为学生提供生动、逼真的学习环境；使学生成为虚拟学习环境的一名参与者，不用佩戴ar眼镜让使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，提高学生的真实体验感。
63.在本技术的另一实施例中，提供了一种沉浸式全息ar未来教室系统的教学方法，应用于如上所述的沉浸式全息ar未来教室系统，包括如下步骤：
64.s1、第一投影设备14向互动式全息投影幕10上投影出具有预设形象的虚拟机器人，所述预设形象根据学校文化定制；
65.s2、所述虚拟机器人扮演虚拟教师、虚拟学习委员或虚拟教师助手的角色，与教师和/或学生进行互动。
66.可选地，学校文化可以通过校训体现。然后，根据校训的不同，可以打造专属的虚拟机器人。例如，可以预先在云服务器中，存储若干个具有不同预设形象的虚拟机器人，不同预设形象分别对应不同类型的学校文化。在具体应用时，根据具体的学校文化，找到与该学校文化最契合的具有相应预设形象的虚拟机器人。当然，也可以通过人工智能自动合成与该学校文化最契合的虚拟机器人。其中，形象包括但不限于五官、体型、音色、虚拟性别等。
67.该具有特定形象的虚拟机器人，由于是全息投影，因此还可以扮演虚拟教师、虚拟学习委员或虚拟教师助手的角色，然后与教师和/或学生进行互动，可以极大地提升教学效果。
68.进一步地，该教学方法还包括以下步骤：
69.s3、所述第一投影设备14向所述互动式全息投影幕10投影第一影像，所述第二投影设备15向所述第一环幕11、所述第二环幕12和所述第三环幕13投影第二影像，所述图案灯和所述染色效果灯分别射出效果灯，所述音响同步工作，以此构建ar教学环境。
70.进一步地，该教学方法还包括以下步骤：
71.s4、在所述ar教学环境下，教师从环幕错位设置形成的通道24走向位于第一环幕11远离所述通道24一端的讲台16。
72.本实施例提供的沉浸式全息ar未来教室系统的教学方法，教师可通过通道24从后台走至讲台16，配合互动式全息投影幕10的vr设计，形成老师在画面穿越的有趣效果，打破常规老师只能站在讲台16的授课方式，参与课程演绎中，拉近与学生的距离。还能根据不同的学校文化，设计虚拟机器人，该虚拟机器人由第一投影设备14全息投影形成，以打造专属ip。机器人以具有预设形象的特定角色出现课程，在老师及学生与机器人进行对话及游戏等互动过程中，渗透知识，提升教学效果。
73.进一步地，为了更好地说明本技术技术方案，在本技术的另一实施例中，提供了一种沉浸式全息ar未来教室系统，其系统图如图5～图7所示。
74.该沉浸式全息ar未来教室系统包括设备系统和教学系统，设备系统包括沉浸式影像输出、沉浸体验效果和沉浸教室室内设计，教学系统包括教师教学系统、学生学习系统和课程开发系统。
75.沉浸式影像输出包括环幕设备、全息纱幕和地面投影。其中，环幕设备对应上述的第一环幕11、第二环幕12、第三环幕13和第二投影设备15，全息纱幕和地面投影对应上述的
互动式全息投影幕10和第一投影设备14。
76.沉浸体验效果包括烟机、雪花机、灯光设备、体感及声感交互设备和音响设备。
77.具体地，灯光设备包括上述的图案灯、染色效果灯以及设置在地面的三合一电脑灯、渲染星空效果的全彩激光灯、渲染教师及课本剧面光的led成像灯和系统控制的24路灯光控制台。
78.具体地，体感及声感交互设备包括用于捕捉教师或学生位置的雷达、应用于实验课程捕捉教师或者学生手势的leammotion、应用于教学过程中教师或学生的动作捕捉的kinect和应用于教学过程中教师或学生的声音捕捉以进行ai教学问答模式的麦克风。该设计可以通过后台程序判断学生学习的学习效果。
79.具体地，音响设备包括主扩音响、主扩音响驱动功效、调音台和进口头戴耳麦。
80.沉浸教室室内设计包括学生座椅设计、教师讲台设计、顶棚灯箱设计和3层环幕隔断设计。
81.教师教学系统包括环幕出入口进出，使教师融入场景化教学。当互动式全息投影幕10使用时，教师可与虚拟人物对话教学讲解，还可以自由设计讲解课程模式。
82.学生学习系统包括沉浸式观看体验教学模式、4d环境沉浸式学习模式、ai交互式问答学习模式、手动操作实验模式以及体感、声感、触感交互学习模式。
83.课程开发系统包括安全教育沉浸教室、党建沉浸教室、科学课程沉浸教室、中国文化沉浸教室、课本剧沉浸剧场教室和线上直播教室。
84.综上所述，本技术提供的沉浸式全息ar未来教室系统，可以打造一个沉浸式全息ar体验空间，广泛用于学习情景的创设，增加学习内容的形象性和趣味性，进而实现模拟训练。
85.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。