一种教育元宇宙中教学系统及其工作方法

1.本发明属于元宇宙的教学应用领域，更具体地，涉及一种教育元宇宙中教学系统及其工作方法。


背景技术：

2.随着虚拟内容加速发展，元宇宙的虚拟与真实、线上与线下融合特征，将极大地推动数字社会的到来。教育元宇宙作为元宇宙在教育行业的垂直应用，其在情境化教学、游戏化学习、个性化学习和教师研修等教育场景具有较好的应用前景。构建支持场景式、协作式教学实践的教育元宇宙教学系统，可创设多用户参与的虚拟教学环境，支持师生在沉浸式教学情境中的异地交互。通过增强教育元宇宙教学系统的智能性，有望进一步提升其应用前景。
3.但当前在元宇宙中开展教学活动还存在诸多的问题：（1）现有元宇宙系统可支持多用户接入到同一场景中，但如何依照现有教学形态快速组织教学活动、创设共享空间、同步信息成为构建教育元宇宙中教学系统的一大关键；（2）教育元宇宙中营造情境式教学环境过程中，如何布设不同类型虚拟对象关系到后续教学体验的重要环境，如放置不当，可能造成参与者体验不佳，甚至引发争议和危险；（3）目前教育元宇宙中可采用对话、语音方式实现异地互动，教师依然无法及时发现学习者的困惑，不能一一给出针对性的指导。这些缺陷限制了教育元宇宙中教学系统的广泛运用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种教育元宇宙中教学系统及其工作方法，为教育元宇宙中教学系统提供一种教学活动组织、表示和应用场景新的工作方法。
5.本发明的目的是通过以下技术措施实现的。
6.本发明提供一种教育元宇宙中教学系统，包括教学活动组织模块、共享空间创设模块、虚拟对象表示模块、虚拟对象位置评估模块、师生互动模块。
7.所述教学活动组织模块用于实现教学活动通知的推送、教学活动组织形态的构建和参与者身份的精准识别。
8.所述共享空间创设模块用于实现虚拟环境中主视图与他视图模式的构建，参与者位置和状态的更新、共享。
9.所述虚拟对象表示模块用于实现对象的属性设置、图标表示、状态动态更新。
10.所述虚拟对象位置评估模块用于实现对象位置的设置与动态更新时的风险等级评估。
11.所述师生互动模块用于实现教师与学习者的一对一指导服务，学习任务步骤与结果的提示，教学重难点内容的展示。
12.本发明还提供一种教育元宇宙中教学系统的工作方法，包括以下步骤：
s1，教学活动组织，学生通过点击教师推送的教学活动地址，进入教育元宇宙的教学场所；其他教师可组织本班同学加入该教学活动，形成“1+x”的教学活动组织形态；采用虹膜扫描技术，识别参与者的身份。
13.s2，共享空间创设，提供主视图与他视图两种模式，主视图模式下记录交互操作、行为轨迹与对话信息；他视图模式终止时消除其它参与者相应的记录；根据传感器信息，获取、更新参与者的位置和状态。
14.s3，虚拟对象表示，设置教学场所中对象的公有、私有与可见性属性；在导航图上使用图标显示参与者的位置，运用不同动画效果表示参与者与查询对象的远近距离；使用高亮提示学习者发起的通话状态。
15.s4，虚拟对象位置评估，设置教具和学具放置和收藏的位置；针对候选位置的危险、易争议和体验不佳的风险等级，给出评估分数；结合视觉和惯性组件，动态更新虚拟对象位置的潜在风险。
16.s5，师生互动，教师开辟多个独立讨论空间，使用虚拟化身与学习者开展一对一的指导服务；将解决方案叠加在学习者的视野画面上，提示学习任务的执行步骤与结果；支持教师操纵虚拟对象，展示操作难点或不易理解的教学内容。
17.本发明的有益效果在于：学生点击教师推送的教学活动通知，进入教育元宇宙的虚拟教学场所，支持“1+x”的教学活动组织形态，可精准识别参与者的身份；创设多参与者共享的活动空间，支持主视图和他视图两种浏览模式，现时间、位置和动作的虚实同步。进入教学活动场所时，需初始化参与者终端的场景元素，采用协作白板，实现资源共享、展示；在导航图上设置共享对象的位置、可视性与参与者的远近，展示师生通话状态；在虚拟教学环境中配置对象的位置，评估其候选位置的风险等级，并动态更新潜在风险。教师可使用虚拟化身一对一指导学习者，提供具体指导方案；依据视觉邻近关系与接入终端的状况，标注参与者，并实现教育元宇宙中用户和教学资源管理。当前，教育元宇宙方兴未艾，设计和丰富其中教学系统的功能日益迫切。本发明有助于教育元宇宙中智能化教学活动的开展，促进元宇宙与教育教学的深度融合。
附图说明
18.图1是本发明实施例中教育元宇宙中教学系统示意图。
19.图2是本发明实施例中教学活动组织模块工作流程图。
20.图3是本发明实施例中同步模块工作流程图。
21.图4是本发明实施例中参与者在教育元宇宙中处于虚拟教室环境时的主视图示意图。
22.图5是本发明实施例中在导航图上显示参与者查询到附近其他参与者的效果图。
23.图6是本发明实施例中课桌候选位置为道路时的风险分数评估结果示意图。
24.图7是本发明实施例中ai助手模块工作流程图。
25.图8是本发明实施例中师生互动模块工作流程图。
26.图9是本发明实施例中教师为学习者提供讲解和操作步骤指导的示意图。
具体实施方式
27.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案例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
28.如图1所示，本实施例提供一种教育元宇宙中教学系统，包括教学活动组织模块、共享空间创设模块、ai助手模块、虚拟对象表示模块、虚拟对象位置评估模块、教学活动表示模块、同步模块、师生互动模块和教学管理模块。
29.教学活动组织模块用于实现教学活动通知的推送、教学活动组织形态的构建和参与者身份的精准识别。
30.共享空间创设模块用于实现虚拟环境中主视图与他视图模式的构建，参与者的位置和状态的更新、共享。
31.同步模块用于实现虚拟教学系统中各参与终端的时钟同步、学习者虚实位置和偏移量的同步更新，教师虚拟化身的动作实时更新。
32.教学活动表示模块用于实现虚拟教学系统终端、场景和环境的初始化，基于协作白板的资源共享、知识要点和批注内容展示，共享对象的可视性及其相对距离的设置。
33.虚拟对象表示模块用于实现对象的属性设置、参与者位置的图标表示、通话状态的动态表示。
34.虚拟对象位置评估模块用于实现对象位置的设置，对象位置及其动态更新时的风险等级评估。
35.ai助手模块用于实现基于ai助手的教学场景理解，学习者问题的获取、定位，用户疑问位置处解答的叠加。
36.师生互动模块用于实现教师虚拟化身与学习者的一对一指导服务，学习任务步骤与结果的提示，虚拟对象呈现和教学重难点内容的展示。
37.教学管理模块用于实现教师调用或创编教学内容，并上传到云端服务器持久化存储，教师添加参与者的标注，记录参与者的过程信息。
38.本实施例还提供一种上述的教育元宇宙中教学系统的工作方法，包括如下步骤：（1）教学活动组织，学生通过点击教师推送的教学活动地址，进入教育元宇宙的教学场所；其他教师可组织本班同学加入该教学活动，形成“1+x”的教学活动组织形态；采用虹膜扫描技术，识别参与者的身份。图2展示了教学活动组织模块的工作流程。
39.（1-1）教学活动通知。教师通过sms短信或其他即时软件消息将教学活动的超链接地址推送给本班学生，学生在其平板或vr终端上点击该链接，即可直接跳转加入该活动中，进入教师所设定的教育元宇宙中的教学场所。
40.（1-2）多教学单位组织。教师可将教学活动的动态qr码推送给其他教师，qr码中使用json串记录的教学活动信息如下：{"appname":a,"version":b,"instructorid":c,"teacherid":d,"classtime":e,"classroom":f}a表示教育元宇宙应用的名称；b表示教育元宇宙应用的版本及版本号；c表示授课老师的id；d表示本班老师id；e表示上课起始、终止时间；f表示上课位置。
41.a和b可用于检验qr码值的合法性。c和d相同则表示授课老师相同，为单一班级形态；若不同，则接受到分享码的教师依据教学需要，通知本班同学加入到该教学活动中，以班级为活动组织单位，在教育元宇宙中形成“1+x”的教学活动组织形态。
42.（1-3）师生身份识别。采用基于虹膜扫描技术，识别参与教育元宇宙中教学活动师生的身份，令主持教学活动的教师实时掌握与之对话的学习者真实身份，依据云端存储的学习者数据，为其提供有针对性的指导和服务。
43.（2）共享空间创设，教育元宇宙中虚拟环境提供主视图与他视图两种模式，主视图模式下会记录任务执行过程中的交互操作、行为轨迹与对话信息；他视图模式终止时会消除其它参与者相应的记录；根据传感器信息，获取、更新参与者的位置和状态。
44.（2-1）主视图模式设置。主视图模式下，参与者根据教学活动的要求，观看、探究虚拟场景中的知识展示和交流讨论，记录执行任务过程中的交互操作、行为轨迹与对话信息。
45.（2-2）他视图模式设置。参与者进入其他用户组织的教学活动中，移动、隐藏虚拟教学环境中教具、物品时，场景显示模块会记录、保存这些操作，一旦他视图模式终止，该参与者的操作记录及其引起的场景变化都会被清除。
46.（2-3）共享空间建立。当教学活动的参与者进入教师所设定的教学场所时，根据其终端gps与wifi确定的位置信息与陀螺仪获得的朝向信息，计算、获取参与者的6自由度，设定固定的时间间隔参数，将参与者的位置和状态共享给其他用户。
47.（3）同步，采用固定时间间隔法，校准各参与者的终端时钟信息，按照消息时间戳排序操作和事件；同步参与者相对于教师终端空间原点的位置和偏移量；将教师的动作信息映射到虚拟化身，并同步到其他参与者终端。图3展示同步模块的工作流程。
48.（3-1）时间同步。采用固定时间间隔法，依据云端服务器的时钟服务校准、同步各参与者的终端时间，使用json格式描述的消息，将主视图中参与者的操作、事件描述发送到云端服务器，按照消息时间戳从小到大排序。
49.（3-2）位置同步。以教师终端的空间原点作为教学空间的坐标原点，确定初始状态下其他参与者相对于空间原点的位置和方向偏移，教学活动期间，根据固定时间间隔以及空间原点，同步各个参与者的位置和偏移量。
50.（3-3）动作行为的同步。在教师的主视图中，可随时查看学习者在真实物理空间以及虚拟环境中的地理位置，当教师通过手势、头部转动或身体姿态操纵虚拟环境中的对象，其虚拟化身将更新对应动作，并映射到参与教学活动的其他用户主视图上。
51.（4）教学活动表示，参与者进入虚拟教学场所，初始化终端的场景、环境，并获取、标注师生参与者的身份和位置；采用协作白板，实现资源共享，知识要点和批注内容的展示；在导航图上设置共享对象的可视性及其相对距离。
52.（4-1）教学活动初始化。参与者进入教育元宇宙中虚拟教学活动的场所，初始化自身设备的主视图场景、教学内容和其他参与者的虚拟化身信息，同步各个终端的时间、消息和参与者的操作，并标注参与者的真实身份。
53.（4-2）协作内容共享。通过协作白板，虚拟教学活动中师生之间可以共享消息、文档、图片、视频动画和虚拟场景，教师可向学习者展示知识要点、批注内容，学习者以他视图的形式参与教学活动时，可在协作白板上展示、批注教学内容。
54.（4-3）分组协作活动设置。加入教学活动的参与者，根据活动进程、熟悉程度、所属
班级完成任务编组，在协作完成任务过程中，参与者可共享各自的私有虚拟对象，并在主视图的导航图上显示共享对象的可视性及其相对距离。图4展示了参与者在教育元宇宙处于虚拟教室环境时的主视图。
55.（5）虚拟对象表示，设置教学场所中对象的公有、私有与可见性属性；在导航图上使用图标显示参与者的位置，运用不同烟花动画效果表示参与者与查询对象的远近距离；在教师终端导航图上使用高亮提示学习者发起的通话状态。
56.（5-1）对象表示。教学场所的对象属性分为公有和私有类型，私有对象属于参与者个人所有，可设置相对全体、分组或个别参与者的可见性，教师可基于距离阈值查找虚拟教学场所中公有对象或可见私有对象。
57.（5-2）地图提示。在参与者主视图的右前方会显示一幅鸟瞰导航图，使用星号显示自身的位置、实心圆显示其它参与者的位置，可在导航图上显示查询结果，图5在导航图上展示了参与者查询到附近其他参与者的效果图。参与者查询教学场所中可见对象时，使用不同烟花动画视觉效果表示参与者与对象的远近关系。
58.（5-3）高亮提示。教学活动中若有学习者需要向教师提问，可发起消息、语音或视频通话，教师终端的导航图上表示该学生的圆形图标将高亮、闪烁显示，教师与学生通话过程中，该图标一直高亮显示，但不闪烁。
59.（6）虚拟对象位置评估，设置虚拟对象放置和收藏的位置；针对候选位置的危险、易争议和体验不佳的风险等级，给出评估分数；结合视觉和惯性组件，动态更新虚拟对象新位置的潜在风险。
60.（6-1）设置虚拟对象的位置。参照导航图中虚拟校园、操场、道路、建筑物的布局情况，设置教学过程中使用d的虚拟对象（如教具、学具模型）放置和收藏的位置，避免将虚拟对象放置在危险、易引起争议或体验不佳之处，为各个虚拟对象添加物理效果（如重力、摩擦力等）。
61.（6-2）位置风险等级评估。针对虚拟对象候选位置的危险、易争议和体验不佳的风险等级，评估候选位置的分数，依据分数将位置分为可用、难以判断、有风险和应排除四个类型，若结果为后两种，则不应选择该位置。图6展示了课桌候选位置为道路时的风险分数。表一展示了虚拟对象位置风险等级评估指标模型，包括6个一级指标和20个二级指标，总分为100分。评分步骤如下：
①
采用李克特五点量表给出每个二级指标的分值，如完全符合记为1分，基本符合记为2分，不能确定记为3分，基本不符记为4分，完全不符记为5分，分数越高，风险越大。
62.②
将二级指标的分值除以5，乘以权重、再乘以该分值所属于的一级指标权重，即得到该二级指标的加权评分。
63.③
累加所有二级指标的加权评分，即为虚拟对象位置风险等级评分。若评分处于76-100、51-75、26-50、1-25范围，则虚拟位置潜在风险的等级为应排除、有风险、难以判断、可用类型。
64.表一位置风险等级评估指标
（6-3）动态评估位置风险。基于高精度三维地图定位系统，结合视觉和惯性组件，采集、更新参与者在虚、实世界的位置和方向，智能识别真实教学环境，收集用户反馈信息，动态更新虚拟对象位置的潜在风险。
65.（7）设置ai助手，采用教师ai助手，理解教学场景中学习元素和师生行为；获取、定位学习者批注勾画、语音描述或视线驻留的问题；提取与问题匹配的案例，将相关说明、解释或提示叠加到用户的问题画面上。图7展示了ai助手模块工作流程。
66.（7-1）场景理解。可在教学活动中添加教师ai助手，借助学习者终端摄像头，采用slam技术实时获取学习者所处真实教学环境的3d网格地图，采用计算机视觉语义分割3d网格，理解教学场景中各种学习元素和师生行为。
67.（7-2）问题定位。针对教学活动过程中的重难点，学习者可采用虚拟批注勾画教学场景中难以理解的结构组成，使用语音描述知识展示过程中的困惑之处，或运用视线长期
驻留在认知困难的对象上，协助教师ai助手获取、定位学习者的问题。
68.（7-3）叠加问题解决方案。依据学习者的问题线索，教师ai助手提供与之相匹配的案例库中解决方案，在学习者的问题画面、视线驻留之处叠加相关批注（如原理说明、视频解释或公式提示），可视化、情境式呈现相关学习指导。
69.（8）师生互动，教师可开辟多个独立讨论空间，使用虚拟化身与学习者开展一对一的指导服务；将解决方案叠加在学习者的视野画面上，提示学习任务的执行步骤与结果；支持教师操纵终端中呈现的虚拟对象，展示操作难点或不易理解的教学内容。图8展示了师生互动模块工作流程。
70.（8-1）一对一教学指导。教师可在教育元宇宙中开辟多个具有情景化的独立虚拟讨论空间，复制自身虚拟化身，与学习者同处单独教学空间，开展一对一的教学、讲解、答疑和讨论，令学习者接受到教师的专门指导服务。
71.（8-2）提供解决方案。根据学习者答题情况，结合其视野内的学习内容，教师为其提供对应的反馈和指示，并将解答思路、案例库中的相关解决方案推送给学习者，并叠加在学习者的视野画面上，提示学习任务的执行步骤与结果。图9展示了教师为学习者提供的简单电路教学的讲解和操作步骤指导。
72.（8-3）具体操作指导。在具体操作教学环节，通过手部追踪设备，支持教师触摸、抓取和移动全息或vr终端中呈现的虚拟对象，一对一地向学习者逐步展示操作难点或不易理解的教学内容，或快速定位指南或讲解视频中的具体位置。
73.（9）教学管理，依据视觉邻近关系与接入终端的状况，教师可为参与者添加相应标注；支持学校、个人注册，记录教学活动中参与者的过程信息；教师可以调用或创编教学内容，并上传到云端服务器持久化存储。
74.（9-1）分类标注参与者。根据视觉邻近关系，教师可将加入教学活动中的参与者划分为现场可见、远程参与以及游客旁听者，依据是否接入vr终端、摄像设备，将各参与者标注成强交互、弱交互或不可交互类型。
75.（9-2）用户管理。支持学校、个人在系统中为教师、学习者、管理人员完成注册，参与人员依据其身份加入到具体教学活动，其发表消息、批注内容、交互操作和访问场景均被记录在个人活动信息中，采用索引形式关联到教学活动中。
76.（9-3）资源管理。教师可调取云端服务器中教学资源、教具和学具模型，也可以自身创编适应学习者学情的虚拟教学资源，系统将记录教学过程中的师生创作内容、使用的资源、模型及其互动过程，并上传到云端服务器，持久化存储。
77.本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
78.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。