基于虚实融合学习场景的在线教育系统和方法与流程

本发明涉及教育，特别涉及基于虚实融合学习场景的在线教育系统和方法。

背景技术：

1、在线教育是一种利用互联网和多媒体技术进行远程教学的新型教育模式。它通过在线平台、视频课程、互动工具等方式，为学生提供了灵活、便捷的学习体验。在线教育打破了传统教育的地域和时间限制，使学生能够随时随地学习，更好地满足个性化需求。在线教育具有丰富的教学资源，涵盖了各个学科和领域，为学生提供了广泛的选择。

2、现有技术下的在线教育在实际的操作中还存在以下问题：

3、传统在线教育往往只是简单的视频教学，缺乏真实的沉浸感，传统在线教育场景往往比较单一，缺乏灵活性和多样性，传统在线教育往往只是单向的知识传递，缺乏互动性和参与度，传统在线教育受限于教学资源，如场地、设备、人员等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于虚实融合学习场景的在线教育系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于虚实融合学习场景的在线教育系统，包括：

3、教学控制模块，用于：

4、生成控制数据并向场景实施模块发送信号，实现通信以及人机界面交互功能，并通过场景实施模块对虚实模拟模块所生成的虚拟现实下的在线教育操作进行操控以及对教学应用模块进行操控；

5、场景实施模块，用于：

6、实时运行所述教学控制模块的控制数据信号，并实施所述虚实模拟模块上的操作指令及展示虚拟现实模拟课堂教学场景，通过场景实施模块对在线教育操作进行展现，对虚实模拟模块和教学应用模块进行操作；

7、虚实模拟模块，用于：

8、生成虚拟现实模拟课堂教学场景并且根据教学控制模块的控制指令对在线教育操作过程进行模拟；

9、教学应用模块，用于：

10、采集教学控制模块、场景实施模块、虚实模拟模块以及在线教育操作的实操数据，形成可视化教学报告，对虚实模拟模块的在线教育操作的过程进行评估及教学流程评分；

11、云平台，用于：

12、用于对教学控制模块、场景实施模块、虚实模拟模块和教学应用模块运行所需的数据信息通过云端储存和编辑后，将分类信息分别输送至教学控制模块、场景实施模块、虚实模拟模块和教学应用模块并将反馈信息回传，将分类储存的数据依据流属性信息和数据内容进行分组，并分类标记。

13、进一步的，所述教学控制模块，包括：

14、信号管理单元，用于：

15、生成、管理和发送控制信号，实现教学控制模块与其他模块之间的通信，通过预设的信号协议，将控制指令转换为可识别的信号格式并发送给场景实施模块，同时接收来自场景实施模块、虚实模拟模块和教学应用模块的反馈信息，并对反馈信息进行处理。

16、进一步的，所述教学控制模块，还包括：

17、人机交互单元，用于：

18、生成人机交互界面，通过图形用户界面以及语音识别捕捉用户的操作指令，处理用户操作指令，所述操作指令包括选择课程、调整场景参数，并将所述操作指令转化为教学控制模块可执行的控制数据，将控制数据发送至教学控制模块；

19、操作者通过人机交互单元对场景实施模块进行实时操控，从而对在线教育操作进行控制，人机交互单元将教学控制模块的响应结果通过人机交互界面展示给用户。

20、进一步的，所述场景实施模块，包括：

21、实时渲染单元，用于：

22、根据教学控制模块的控制数据，实时渲染虚拟现实模拟课堂教学场景；

23、获取在线教育虚拟动画场景数据和现实场景地形图，获取预设环境数据库中的环境模拟数据和光源模拟数据，利用图形渲染技术根据场景实施模块接收到的控制数据，通过处理场景中的光照、纹理、阴影视觉效果对虚拟现实模拟课堂教学场景进行实时渲染。

24、进一步的，所述场景实施模块，还包括：

25、指令执行单元，用于：

26、执行来自教学控制模块的操作指令，根据操作指令的内容，场景实施模块调对虚拟现实模拟课堂教学场景中的物体或事件进行操控。

27、进一步的，所述虚实模拟模块，包括：

28、环境构建单元，用于：

29、基于3d建模构建虚拟现实模拟课堂教学场景中的各个虚拟元素，所述虚拟元素包括教室环境、教学设备，将虚拟元素整合至同一个虚拟空间中，基于所述虚拟空间生成完整的虚拟现实模拟课堂教学场景。

30、进一步的，所述虚实模拟模块，包括：

31、教育模拟单元，用于：

32、根据教学控制模块的控制指令，模拟在线教育操作过程，调用与控制指令相应的动画或多媒体资源并展示教学内容，所述在线教育操作包括演示教学内容、互动问答。

33、进一步的，所述教学应用模块，包括：

34、数据采集单元，用于：

35、实时记录学生在虚拟现实场景中的操作行为和学习进度，采集在线教育操作的实操数据，所述实操数据包括学生的操作记录、学习进度，对实操数据整理并以结构化格式输出；

36、评估反馈单元，用于：

37、基于实操数据对虚实模拟模块的在线教育操作过程进行评估，并根据评估结果生成可视化教学报告和评分，将评估结果和教学报告反馈至教学控制模块。

38、进一步的，所述环境构建单元，包括：

39、虚拟座位空间划分子单元，用于：

40、根据设定的学员座位分配方式，将虚拟空间中的教室环境划分出对应的虚拟座位空间；

41、多坐标构建子单元，用于：

42、针对虚拟空间设置一个基准坐标系，针对划分出的各个虚拟座位空间设置多个分坐标系；

43、坐标转换算法子单元，用于：

44、设置分坐标系与基准坐标系坐标转换算法：

45、

46、其中，

47、

48、其中，xi、yi和zi表示第i个分坐标系中的三维坐标；δxi、δyi和δzi表示第i个分坐标系与基准坐标系的原点三维平移距离；k表示转换的尺寸比例系数，一般取k＝1；x0、y0和z0表示基准坐标系中的三维坐标；r表示由基准坐标系到分坐标系的旋转矩阵；i表示三阶单位矩阵；a、b和c分别表示三维旋转参数；

49、学员身份确定子单元，用于：

50、获取人机交互单元设置的摄像头所采集的学员端实现场景图像，通过图像预处理，采用图像识别技术从预处理后的学员端实现场景图像中识别学员身份；

51、学员虚拟人像导入子单元，用于：

52、将通过学员身份识别的学员端实现场景图像中提取的实时学员形态图像融合到虚拟空间，具体为：通过预先设定的实时学员形态图像与虚拟空间中的基准坐标系的关联关系，将实时学员形态图像导入基准坐标系，再根据学员身份及学员座位分配方式确定其对应的虚拟座位空间，通过坐标转换算法将实时学员形态图像在虚拟空间的位置由基准坐标系转换到对应的虚拟座位空间分坐标系进行同步显示。

53、本发明要解决的另一技术问题是提供基于虚实融合学习场景的在线教育系统的方法，包括如下步骤：

54、场景构建与模拟，通过虚实模拟模块中的环境构建单元，基于3d建模技术构建虚拟现实模拟课堂教学场景，教育模拟单元则根据教学控制模块的控制指令，模拟在线教育操作过程，调用相应的动画或多媒体资源，展示教学内容；

55、教学控制与实施，人机交互单元生成人机交互界面，通过图形用户界面和语音识别捕捉用户的操作指令，并将这些操作指令转化为教学控制模块可执行的控制数据，教学控制模块根据这些控制数据向场景实施模块发送信号，实现对虚拟现实模拟课堂教学场景的操控，场景实施模块中的实时渲染单元根据教学控制模块的控制数据，实时渲染虚拟现实模拟课堂教学场景，指令执行单元执行来自教学控制模块的操作指令，对虚拟现实模拟课堂教学场景中的物体或事件进行操控；

56、教学操作与数据采集，在虚实模拟模块模拟的在线教育操作过程中，教学应用模块的数据采集单元实时记录学生在虚拟现实场景中的操作行为和学习进度，采集在线教育操作的实操数据；

57、评估反馈与报告生成，教学应用模块的评估反馈单元基于实操数据对虚实模拟模块的在线教育操作过程进行评估，并根据评估结果生成可视化教学报告和评分，云平台对教学控制模块、场景实施模块、虚实模拟模块和教学应用模块运行所需的数据信息进行云端储存和编辑。

58、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

59、1.本发明通过虚实融合技术，为学生创建了一个高度沉浸式的学习环境，这种环境能够模拟真实的教学场景，使学生仿佛置身于真实的课堂环境中，提高学习参与度和兴趣，在线教育系统允许学生与教学环境进行实时互动，如通过语音识别、手势识别等技术进行操作，为学生提供了一个交互式学习空间。同时，系统也具备高度的灵活性，可以根据学生的学习进度和需求进行实时的调整和优化。

60、2.本发明的环境构建单元基于3d建模技术，构建虚拟现实模拟课堂教学场景中的各个虚拟元素，使得在线教育场景更加多样化和丰富化，满足了不同课程的需求，教育模拟单元根据教学控制模块的控制指令，模拟在线教育操作过程，调用与控制指令相应的动画或多媒体资源，并展示教学内容，为用户提供了逼真的在线学习体验，增强了学习效果。

61、3.本发明的数据采集单元能够实时记录学生在虚拟现实场景中的操作行为和学习进度，可以捕捉到学生每一个细微的学习动态，提供更为个性化的学习支持。评估反馈单元基于实操数据对在线教育操作过程进行评估，确保了评估的准确性和有效性，不仅有助于教育者了解学生的学习效果，还能为学生提供有针对性的反馈和建议。