技术领域
[0001] 本
发明属于
物联网技术领域，特别涉及一种基于增强现实技术的智慧课堂。
背景技术
[0002] 传统的教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况，比如数学课的立体几何、地理课的天体运动、物理课的
磁力线和电力线、化学课的微观粒子结构、
生物课的细胞结构等，教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。
[0003] 增强现实技术(Augmented Reality，简称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、视频、3D模型的技术，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1990年提出。随着随身
电子产品CPU运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广。利用增强现实技术进行教育教学的技术已初步显现，但是并不成熟。
发明内容
[0004] 针对利用增强现实技术进行教育教学存在的技术不成熟的
缺陷，本发明提供一种基于增强现实技术的智慧课堂，以提高教育教学的创新性和实用性从而获得不一样的学习体验。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于增强现实技术的智慧课堂，是基于增强现实、
三维建模、物联网和
云计算技术，通过
基础设施层、数据层和应用层的建设，形成智慧课堂云平台，实现在纸质教材中运用增强现实技术，通过植入多媒体资源，将学科教学通过动画、微客和仿真模型的交互操作为学生提供完美的学习体验。
[0006] 所述的基础设施层直接建立在
硬件资源之上，利用阿里云提供的云环境，通过虚拟化技术构建云主机平台和管理
虚拟机模板，为数据层提供
操作系统级别的
支撑。通过云主机，可以根据需求灵活组织CPU资源、内存资源、存储资源和网络资源等，形成不同的虚拟机
节点，以满足不同应用需求。
[0007] 所述的数据层通过对数据资源的整合管理，为应用层提供数据及综合信息服务；所述的数据资源是通过对职业教育课本、中小学教科书中的知识点进行提炼，转化为三维模型数据，搭配模型动画、重点难点知识、随堂练习题等教学配套数据，形成线上线下一体化、二维三维一体化的数据资源管理体系。
[0008] 所述的应用层基于按需组合基础硬件资源、数据资源及平台服务资源，形成的满足特定应用的云应用节点；所述的应用层由线上课堂教学展示应用、线下学生复习预习应用、教师端后台应用、学生个人学习管理应用和其他应用分区组成。本发明应用层的思路为每个应用均基于同样的基础平台和应用
框架进行设计和构建，采用功能分区的模式进行部署，实现业务系统之间的独立性，方便各
块业务的独立管理与升级维护等。
[0009] 所述的智慧课堂由职业教育课堂平台、中小学教育课堂平台和智慧课堂应用中心组成；所述的职业教育课堂平台，为数据层提供职业教育课本中的知识点的资源信息；
所述的中小学教育课堂平台，为数据层提供中小学教育课本中的知识点的资源信息；
所述的智慧课堂应用中心由三维立体教学模块、随堂练习-知识巩固模块、同步课堂教学模块、学生端在线答题模块、教师在线审批作业模块和师生在线沟通模块组成。
[0010] 本发明
定位于满足中小学教育、职业教育课本一体化需求，通过三维立体教学、随堂练习知识巩固、线上作业提交和审批等方式，同步与线下课堂教学内容，打通线下线上教学，通过对传统教材的信息技术改造，打破了传统书籍的出版方式，采用增强显示（AR）、
图像识别、
区块链、
大数据分析等技术，通过云端进行统一的系统管控，形成一种崭新的数字化教材开发模式和教育学习方式。本发明的教材特色是打破传统纸质教材的编写模式，在纸质教材中运用增强现实技术（AR），通过有效植入多媒体资源将学科教学的重点、难点立体呈现，通过动画、微课、仿真模型的交互操作等形式为学生提供了完美的学习体验，仅需要一本书和一部带摄像头功能的平板、手机或计算机设备，就能看到教学资源中交互的3D动态效果，使学生的学习不再枯燥单调。本发明一改传统教材的枯燥、静态阅读方式，对复杂、抽象、多维结构进行直观立体呈现，让读者
感知互动式学习，实现教材内复杂部件与原理的任意扫图，实物呈现、缩放、旋转，结构爆炸图，四试图切换，动画演绎原理，拆装步骤解析，强化学员对知识点的理解。此外，学生在随堂练习中遇到疑问，可以在线向老师进行提问，更可进行远程的教学沟通。
[0011] 同时，本发明的智慧课堂可根据不同的用户角色配备不同的登录窗口（教师课堂应用登陆端口和学生应用登陆端口），学校需根据校内的教学需求，建立完整的用户账号、密码清单并妥善保管，学校管理者可根据教学管理需求，定时的查看各班级或专业的教学进度，同时可在线进行沟通交流。此外学校可根据教学进度，定期
组织学生在线小考，充分整合学校教学资源，减少经费的支出，提高管理效率。登陆窗口的功能如下：1、教师课堂应用登陆端口
该登陆窗口为教师登陆使用本发明的智慧课堂。教师可根据教学进度需求，随时控制学生
虚拟现实眼镜教学内容。教师在课前进行重点课件制作备课，结合AR教学资源库，进行授课工作，同时在教学过程中，随时可进行随堂练习，课后可进行在线作业布置。更为重要的是，教师可根据系统的大数据分析功能，分析出学生的学习忙点和弱点，进行重点的辅导和讲解工作，真正实现教学智慧化。
[0012] 2、学生应用登陆窗口该窗口为学生登陆使用本发明的智慧课堂。学生使用带摄像头功能的平板、手机或计算机等设备，通过扫描或搜索课程进度所对应的纸质教材章节内容，即可呈现出图片所对应的三维立体效果图，同时可根据教学的进度储存进度标签，体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉，能给学生以绝佳的真实体验，使人如身临其境，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于
宇宙太空星际运行的课程时，在现实生活中学生无法遨游太空，如果多媒体设备，就可以让学生从各个角度近距离观察行星、
恒星和卫星的运行轨迹，观察每个星球的地表形状和内部结构，甚至能够降落在火星或月球上进行“实地”考察、体验星际之旅等。而对于高职高专学生而言，更可从中进行虚拟的实践教学实验，将理论知识应用到实践中。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述的三维立体教学模块以教材封面作为AR识别载体进行数字应用，将虚拟模型与现实场景进行
叠加，从而达到现实和虚拟完美结合的AR体验效果，学生只需要利用手机或者PAD通过APP即可获得全新的学习体验。
[0014] 三维立体教学模块使用流程如下：（1）教师控制学生应用端，章节内容，教师通过课堂显示器进行
可视化展示教学，学生通过应用端，进行交互学习；
（2）教师提醒学生班次课程教学内容，学生通过应用端设想有扫扫一扫章节内容，即可打开章节三维模型内容，进行交互学习。
[0015] 所述的随堂练习-知识巩固模块用于学生在课堂上学完知识后提供练习库巩固新学知识，教师可自行配置随堂习题。
[0016] 所述的同步课堂教学模块为教师提供控制权，用于控制学生应用端和章节内容，实现教师通过课堂显示器进行可视化教学和学生通过应用端进行交互学习的同步进行；所述的应用端为手机、平板或计算机中的一种。
[0017] 所述的学生端在线答题模块用于让学生根据教师派发的习题册在线答题并提交给对应的教师，也可以针对问题单独咨询教师。
[0018] 所述的教师在线审批作业用于教师对学生提交的作业进行在线审批。该模块针对教师端设有后台习题编辑和课程编辑入口，对学生提交的作业可进行在线审批，教师可提前在后台上传选择题、填空题的答案，系统会根据后台
数据处理情况，自动匹配学生的答案，教师只需要批改主观性题目即可，大量节省了教师的时间，最后生成成绩单发送给学生。
[0019] 师生在线沟通模块可以实现学生与教师、学生与学生之间的在线沟通。
[0020] 学生课后如遇到问题，或是在答题过程中遇到的问题，可线上发送信息给对应的教师，教师端实时接收信息，可在线辅导学生的作业，无需受限于学习地点和时间。班级同学之间也能对话交流学习心得。
[0021] 作为本发明的进一步改进，所述的数据层包括数据资源管理体系和
数据库；所述的数据资源管理体系用于对数据资源进行管理，所述的数据资源包括课程数据、习题数据、学生数据、教师数据、三维模型数据和物联网节点；所述的数据库用于对不同类型的数据进行管理，包括内存数据库、文件数据库、关系数据库和NoSQL数据库。
[0022] 数据层支持多种数据管理方式，包括管理结构化数据源的关系数据库，管理地址、元数据、日志数据、二维瓦片数据等的非关系型数据库（NoSQL数据库），管理系统数据、用户数据等要求高响应效率的内存数据库，以及管理三维模型数据缓存、各种临时文件等的文件数据库。
[0023] 作为本发明的进一步改进，所述的的智慧课堂云平台还包括安全教育中心模块，所述的安全教育中心模块是通过增强现实技术，虚拟实现交通安全教育、交通安全事故应急处理手段、校园安全事故教育、校园消防安全教育和应急安全教育。
[0024] 安全教育中心通过虚拟现实的方式，让学生以第一人称视角的身份体验各种安全事故，身临其境，亲身体验各种事故发生过程，并形成理性的认知。内容包含常见交通安全教育，交通安全事故应急处理手段；常见校园安全事故教育教育；校园常见消防安全教育；应急安全教育等内容。
[0025] 本发明的有益效果：1、本发明基于增强现实技术的学科教材教辅解决方案与中小学教学系统深度结合，以教材封面作为AR识别载体进行数字应用，将虚拟模型与现实场景进行叠加，从而达到现实和虚拟完美结合的AR体验效果，学生只需利用手机或电脑，通过APP即可获得全新的学习体验。
[0026] 2、本发明一改传统教材的枯燥、静态阅读方式，对复杂、抽象、多维结构进行直观立体呈现，让读者感知互动式学习，实现教材内复杂部件与原理的任意扫图，实物呈现、缩放、旋转，结构爆炸图，四试图切换，动画演绎原理，拆装步骤解析，强化学员对知识点的理解。
[0027] 3、本发明不但帮助老师走出课堂授课无数字化内容的困境，同时采用高科技信息化与教学内容深度融合，使用方便，有利于缩小城乡基础教育数字鸿沟，使得教学手段与内容数字化创新，找到了培养老师信息能力的方法，更能系统化课程有助于培养学生的自主学习能力，解决学生自学难的问题。
附图说明
[0028] 图1为本发明智慧课堂基础平台总体框架图。
[0029] 图2为本发明智慧课堂总体规划结构图。
[0030] 图3为本发明智慧课堂的运用示意图。
[0031] 图4为本发明智慧课堂VR安全教育体验中心规划结构图。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0033]
实施例1一种基于增强现实技术的智慧课堂，总体框架图如图1所示，是基于增强现实、三维建模、物联网和云计算技术，通过基础设施层、数据层和应用层的建设，形成智慧课堂云平台，实现在纸质教材中运用增强现实技术，通过植入多媒体资源，将学科教学通过动画、微客和仿真模型的交互操作为学生提供完美的学习体验。
[0034] 所述的基础设施层直接建立在硬件资源之上，利用阿里云提供的云环境，通过虚拟化技术构建云主机平台和管理虚拟机模板，为数据层提供操作系统级别的支撑。通过云主机，可以根据需求灵活组织CPU资源、内存资源、存储资源和网络资源等，形成不同的虚拟机节点，以满足不同应用需求。
[0035] 所述的数据层通过对数据资源的整合管理，为应用层提供数据及综合信息服务；所述的数据层包括数据资源管理体系和数据库；所述的数据资源管理体系用于对数据资源进行管理，所述的数据资源包括课程数据、习题数据、学生数据、教师数据、三维模型数据和物联网节点；所述的数据库用于对不同类型的数据进行管理，包括内存数据库、文件数据库、关系数据库和NoSQL数据库。
[0036] 数据层支持多种数据管理方式，包括管理结构化数据源的关系数据库，管理地址、元数据、日志数据、二维瓦片数据等的非关系型数据库（NoSQL数据库），管理系统数据、用户数据等要求高响应效率的内存数据库，以及管理三维模型数据缓存、各种临时文件等的文件数据库。
[0037] 所述的数据资源是通过对职业教育课本、中小学教科书中的知识点进行提炼，转化为三维模型数据，搭配模型动画、重点难点知识、随堂练习题等教学配套数据，形成线上线下一体化、二维三维一体化的数据资源管理体系而获取的。
[0038] 所述的平台服务层为开发人员提供构建应用程序的环境。
[0039] 所述的应用层基于按需组合基础硬件资源、数据资源及平台服务资源，形成的满足特定应用的云应用节点；所述的应用层由线上课堂教学展示应用、线下学生复习预习应用、教师端后台应用、学生个人学习管理应用和其他应用分区组成。本发明应用层的思路为每个应用均基于同样的基础平台和应用框架进行设计和构建，采用功能分区的模式进行部署，实现业务系统之间的独立性，方便各块业务的独立管理与升级维护等。
[0040] 所述的智慧课堂云平台总体规划内容如图2所示，由职业教育课堂平台、中小学教育课堂平台和智慧课堂应用中心组成。所述的职业教育课堂平台，为数据层提供职业教育课本中的知识点的资源信息；所述的中小学教育课堂平台，为数据层提供中小学教育课本中的知识点的资源信息；所述的智慧课堂应用中心由三维立体教学模块、随堂练习-知识巩固模块、同步课堂教学模块、学生端在线答题模块、教师在线审批作业模块和师生在线沟通模块组成。
[0041] 所述的三维立体教学模块以教材封面作为AR识别载体进行数字应用，将虚拟模型与现实场景进行叠加，从而达到现实和虚拟完美结合的AR体验效果，学生只需要利用手机或者电脑，通过APP即可获得全新的学习体验。
[0042] 三维立体教学模块运用效果如图3所示，具体使用流程如下：（1）教师控制学生应用端，章节内容，教师通过课堂显示器进行可视化展示教学，学生通过平板应用端，进行交互学习；
（2）教师提醒学生班次课程教学内容，学生通过应用端摄像头扫一扫章节内容，即可打开章节三维模型内容，进行交互学习。
[0043] 所述的随堂练习-知识巩固模块用于学生在课堂上学完知识后提供练习库巩固新学知识，教师可自行配置随堂习题。
[0044] 所述的同步课堂教学模块为教师提供控制权，用于控制学生应用端和章节内容，实现教师通过课堂显示器进行可视化教学和学生通过应用端进行交互学习的同步进行；所述的应用端为手机、平板或计算机中的一种。
[0045] 所述的学生端在线答题模块用于让学生根据教师派发的习题册在线答题并提交给对应的教师，也可以针对问题单独咨询教师。
[0046] 所述的教师在线审批作业用于教师对学生提交的作业进行在线审批。该模块针对教师端设有后台习题编辑和课程编辑入口，对学生提交的作业可进行在线审批，教师可提前在后台上传选择题、填空题的答案，系统会根据后台数据处理情况，自动匹配学生的答案，教师只需要批改主观性题目即可，大量节省了教师的时间，最后生成成绩单发送给学生。
[0047] 师生在线沟通模块可以实现学生与教师、学生与学生之间的在线沟通。
[0048] 学生课后如遇到问题，或是在答题过程中遇到的问题，可线上发送信息给对应的教师，教师端实时接收信息，可在线辅导学生的作业，无需受限于学习地点和时间。班级同学之间也能对话交流学习心得。
[0049] 本实施例的智慧课堂云平台还包括安全教育中心模块，其总体规划如图4所示，所述的安全教育中心模块是通过增强现实技术，虚拟实现交通安全教育、交通安全事故应急处理手段、校园安全事故教育、校园消防安全教育和应急安全教育。
[0050] 安全教育中心主要通过虚拟现实的方式，让学生以第一人称视角的身份体验各种安全事故，身临其境，亲身体验各种事故发生过程，并形成理性的认知。内容包含常见交通安全教育，交通安全事故应急处理手段；常见校园安全事故教育教育；校园常见消防安全教育；应急安全教育等内容。
[0051] 本实施例的智慧课堂应用系统可根据不同的用户角色配备不同的登录窗口（教师课堂应用登陆端口和学生应用登陆端口），学校需根据校内的教学需求，建立完整的用户账号、密码清单并妥善保管，学校管理者可根据教学管理需求，定时的查看各班级或专业的教学进度，同时可在线进行沟通交流。此外学校可根据教学进度，定期组织学生在线小考，充分整合学校教学资源，减少经费的支出，提高管理效率。登陆窗口的功能如下：1、教师课堂应用登陆端口
该登陆窗口为教师登陆使用本发明的智慧课堂。教师可根据教学进度需求，随时控制学生虚拟现实眼镜教学内容。教师在课前进行重点课件制作备课，结合AR教学资源库，进行授课工作，同时在教学过程中，随时可进行随堂练习，课后可进行在线作业布置。更为重要的是，教师可根据系统的大数据分析功能，分析出学生的学习忙点和弱点，进行重点的辅导和讲解工作，真正实现教学智慧化。
[0052] 2、学生应用登陆窗口该窗口为学生登陆使用本发明的智慧课堂。学生使用带摄像头功能的平板、手机或计算机等设备，通过扫描或搜索课程进度所对应的纸质教材章节内容，即可呈现出图片所对应的三维立体效果图，同时可根据教学的进度储存进度标签，体验学习时具有置身真实情境的沉浸式感觉，能给学生以绝佳的真实体验，使人如身临其境，让书本中的内容可触摸、可互动、可感知。例如地理学科讲述关于宇宙太空星际运行的课程时，在现实生活中学生无法遨游太空，如果多媒体设备，就可以让学生从各个角度近距离观察行星、恒星和卫星的运行轨迹，观察每个星球的地表形状和内部结构，甚至能够降落在火星或月球上进行“实地”考察、体验星际之旅等。而对于高职高专学生而言，更可从中进行虚拟的实践教学实验，将理论知识应用到实践中。
[0053] 以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由
权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种
修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
