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专利名称：一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410492504.3

专利申请（专利权）人：海南师范大学
权利人地址：海南省海口市龙昆南路99号

专利发明（设计）人：孙晶

专利摘要：本发明涉及虚拟现实教学技术领域，具体公开了一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，包括：虚拟场景生成模块、教学白板模块、规则管理模块、信息管理模块、系统管理模块、虚拟场景编辑模块、虚拟操作模块，虚拟场景生成模块由教师完成设置通过后台软件生成所用场景，教学白板模块可以使多人同时使用绘制图形、发送文本消息，规则管理模块负责添加、删除和修改教学系统中存在的规则信息，信息管理模块负责整合和管理教学所需的各种数据；本发明为音乐教育专业的职业培训提供了一个创新的教学工具，通过高度仿真的虚拟环境和情景模拟，结合丰富的教学资源和协作学习平台，能够有效地提升音乐教育的效果和质量。

主权利要求：
1.一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，其特征在于，包括：虚拟场景生成模块、教学白板模块、规则管理模块、信息管理模块、系统管理模块、虚拟场景编辑模块、虚拟操作模块；
所述虚拟场景生成模块由教师完成设置通过后台软件生成所用场景；
所述教学白板模块使多人同时使用绘制图形、发送文本消息；
所述规则管理模块负责添加、删除和修改教学系统中存在的规则信息，各种规则的管理由教师完成，并根据教学策略设计为生成的场景设定对应的规则内容；
所述信息管理模块负责整合和管理教学所需的各种数据，还负责对生成的场景进行管理以及用户与场景交互产生数据的保存；
所述系统管理模块负责创建用户、设置权限及安全控制管理，由管理员管理，采用SQL数据库存储用户信息，同时在SQL数据库中存入预设的安全控制数据，以便于保证用户信息的安全性；
所述虚拟场景编辑模块用于对已有的场景进行调整和组合，由教师根据教学需要对生成的场景进行改动，在改动过程中，对场景中的功能区块进行划分，并以虚拟仪器为主体完成整理场景体系建立，以方便教师对场景进行查询和调整，同时可调用已有的虚拟元件进行组合来完成新的功能需要；
所述虚拟操作模块根据用户操作完成与场景的交互过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，其特征在于：所述虚拟场景生成模块中教师先将项目名称、内容说明、操作流程进行输入，之后根据前期准备教学内容开始构建模型，最后在Unity中进行交互设计，同时构建虚拟面板显示教学内容、记录并响应用户操作。
3.根据权利要求2所述的一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，其特征在于：所述虚拟场景生成模块中将教学数据组合形成一个统一的虚拟数据层，通过统一的接口来访问这些数据，所述教学白板模块通过WCF使得教师和学员、学员和学员之间进行便捷的交流和讨论。
4.根据权利要求3所述的一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，其特征在于：所述虚拟操作模块中获取学员的操作信息，并感应人体与设备的接触信息，使用VPN技术建立的加密隧道，将数据安全地传输到虚拟服务器，进而将获得的数据映射在当前的虚拟场景内。
5.根据权利要求4所述的一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，其特征在于：所述虚拟操作模块提供一个用于帮助和交流的支持子模块，学员通过支持子模块使用外部信息资源、交流工具，或者与教师、其他学员共同进行操作，帮助完成虚拟场景中的操作，实现不同学员之间交流讨论。 说明书 : 一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统技术领域[0001] 本发明属于虚拟现实教学技术领域，具体涉及一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统。背景技术[0002] 随着人们对网络的依赖性越来越强，基于网络的现代远程教育成为继第一代的函授远程教育和第二代的广播电视教育之后新一代教育方式。为此，基于web的网络教学平台以其功能丰富，结构完整迅速成为网络教育的主载体。然而，网络教学模式存在着知识碎片化、退课率高等问题。针对这一问题提出了混合式学习这一教学理念，将传统课堂教学方式和网络教学模式的优势结合起来，在发挥教师引导与监督作用的同时，体现学员作为学习过程主体的主动性、积极性和创造性。[0003] 凭借强烈的沉浸式体验，虚拟现实技术在混合式学习领域有着广泛应用。目前，虚拟现实教学系统根据场景来源的不同可以分为两类。第一类是基于全景视频的虚拟现实教学系统，第二类虚拟现实教学系统通过三维数字建模构建教学场景。目前很多高校由于经费原因，导致实践所需的实践乐曲较少，甚至没有展示舞台。听课的场所只局限于教室中，枯燥的学习环境、固定的教学模式及教学内容导致学生们失去探索知识的兴致。另外仪器使用就会有损耗，仪器的更新换代也会需要大量经费。[0004] 因此，有必要提出一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，以虚拟现实技术构建仪器使用情景解决现有技术中存在的学员实践乐器不足、缺乏场馆的问题。[0005] 本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本发明背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0008] 一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，包括：虚拟场景生成模块、教学白板模块、规则管理模块、信息管理模块、系统管理模块、虚拟场景编辑模块、虚拟操作模块，所述虚拟场景生成模块由教师完成设置通过后台软件生成所用场景，所述教学白板模块可以使多人同时使用绘制图形、发送文本消息，所述规则管理模块负责添加、删除和修改教学系统中存在的规则信息，所述信息管理模块负责整合和管理教学所需的各种数据，所述系统管理模块负责创建用户、设置权限及安全控制管理，所述虚拟场景编辑模块用于对已有的场景进行调整和组合，所述虚拟操作模块根据用户操作完成与场景的交互过程。[0009] 优选的，所述虚拟场景生成模块中教师先将项目名称、内容说明、操作流程进行输入，之后根据前期准备教学内容开始构建模型，最后在Unity中进行交互设计，同时构建虚拟面板显示教学内容、记录并响应用户操作。[0010] 优选的，所述在构建虚拟场景时，首先利用3dmax对校园的部分场景进行建模，包括音乐教室以及舞台的建立，对各类乐器及相关设备进行建模，利用Photosh对建立的模型进行纹理制作和优化；然后根据经典乐曲库以及音乐视频(涵盖小学、初中、高中、大学的音乐教学资源)，通过3dmax的动画制作功能设计制作学员参与的互动过程；最后将之前建立的模型导入到Unity中，通过编写脚本来实现对象的交互，以及鼠标和键盘输入的响应事件，以实现模拟虚拟测绘的过程。[0011] 优选的，所述虚拟场景生成模块中将教学数据组合形成一个统一的虚拟数据层，通过统一的接口来访问这些数据，所述教学白板模块通过WCF使得教师和学员、学员和学员之间进行便捷的交流和讨论。这样教师能够指导学员学习，并可对学员表现进行及时的评价和建议，帮助学员了解自身学习情况并进行改进。[0012] 优选的，所述规则管理模块中各种规则的管理由教师完成，并根据教学策略设计为生成的场景设定对应的规则内容，所述信息管理模块还负责对生成的场景进行管理以及用户与场景交互产生数据的保存。[0013] 优选的，所述教学策略设计借助生活经验来展示音乐情景，使得学员能够在与所学习的音乐知识相契合的情景体验中学习，采用案例教学策略和协助教学策略来进行场景规则内容的设定。[0014] 优选的，所述系统管理模块由管理员管理，采用SQL数据库存储用户信息，同时在SQL数据库中存入预设的安全控制数据，以便于保证用户信息的安全性，所述虚拟场景编辑模块由教师根据教学需要对生成的场景进行改动。[0015] 优选的，所述虚拟场景编辑模块在改动过程中，对场景中的功能区块进行划分，并以虚拟仪器为主体完成整理场景体系建立，以方便教师对场景进行查询和调整，同时可调用已有的虚拟元件进行组合来完成新的功能需要。[0016] 优选的，所述对于一些关键的部件和按钮进行独立命名，而其他的组件采用统一的命名方式进行命名，同时使用MFString节点来实时地获取用户操作按钮所产生的数值，再通过Math数学模型取值计算之后，赋值给Fontstyle节点并通过txt文本的形式实时地显示在屏幕上。[0017] 优选的，所述虚拟操作模块中获取学员的操作信息，并感应人体与设备的接触信息，使用VPN技术建立的加密隧道，将数据安全地传输到虚拟服务器，进而将获得的数据映射在当前的虚拟场景内。[0018] 优选的，所述虚拟操作模块提供一个用于帮助和交流的支持子模块，学员通过支持子模块可以使用外部信息资源、交流工具，或者与教师、其他学员共同进行操作，帮助完成虚拟场景中的操作，实现不同学员之间交流讨论。[0019] 优选的，所述虚拟操作模块中使用眼球追踪设备采集用户视线数据，通过服务器进行可视化处理，将生成的可视化结果发送给教师终端，可视化结果可以直观地反映学员观看区域与视线轨迹，供教师实时评估课堂教学情况，从而发挥虚拟现实教学中教师对学员的引导与监督作用。[0020] 优选的，所述可视化处理：利用层级化六边形网络划分显示区域，一个高层级六边形单元被划分为7个低层级的正六边形单元和12个低层级的正三角形单元；在进行迭代时，首先将视线数据转换到六边形坐标系，并加入对应的底层单元中，然后自底向上进行迭代，直到最顶层网络更新完成；使用STING聚类算法进行空间聚类，根据聚类结果生成可视化结果。[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0022] 本发明根据教师的教学情景来构建虚拟现实场景，并根据准备的教学内容来设定建立场景的内部规则，同时在教学过程中，教师与学员、学员与学员之间可以相互交谈与帮助，教师能够了解学员学习过程的关注情况，这样本发明为音乐教育专业的职业培训提供了一个创新的教学工具，通过高度仿真的虚拟环境和情景模拟，结合丰富的教学资源和协作学习平台，能够有效地提升音乐教育的效果和质量。[0023] 上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。附图说明[0024] 图1为本发明的系统框架图。具体实施方式[0025] 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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。[0026] 实施例：[0027] 请参阅图1所示，一种基于情景教学法的虚拟现实音乐教学系统，包括：虚拟场景生成模块、教学白板模块、规则管理模块、信息管理模块、系统管理模块、虚拟场景编辑模块、虚拟操作模块，虚拟场景生成模块由教师完成设置通过后台软件生成所用场景，教学白板模块可以使多人同时使用绘制图形、发送文本消息，规则管理模块负责添加、删除和修改教学系统中存在的规则信息，信息管理模块负责整合和管理教学所需的各种数据，系统管理模块负责创建用户、设置权限及安全控制管理，虚拟场景编辑模块用于对已有的场景进行调整和组合，虚拟操作模块根据用户操作完成与场景的交互过程。[0028] 虚拟场景生成模块中教师先将项目名称、内容说明、操作流程进行输入，之后根据前期准备教学内容开始构建模型，最后在Unity中进行交互设计，同时构建虚拟面板显示教学内容、记录并响应用户操作。[0029] 教师根据教学对象(各阶段的学员)的不同准备对应的教学内容，可以使用图画及视频等方式描述与展示当前场景中事物，同时根据教师的使用习惯为其推荐可选用的虚拟元件以及描述方式，并且记录学员在当前场景中对事物的关注程度，教师根据关注度情况来调整事物的描述方式。[0030] 初始展厅场景设计基准：考虑到此场景是观众进入该系统的第一个场景。而第一印象往往会在观者脑中占据主导地位，会在很大程度上决定展厅是否能够吸引人。因此设计上既要让人有身临其境的感觉，又要有超现实的体验。[0031] 分展厅场景设计基准：这三个分展厅的设计风格和之前的场景有很大的差别，在设计上更接近真实的展厅。参观者进入展厅后有一种真正看展览的感觉，回归质朴、简单的展厅能让参观者更加专注于展品、资料本身，忽略外在的干扰。[0032] 初始展厅的尽头是三扇传送门，分别连接三个分展厅。学员碰到任何一扇门的时候，程序会自动将学员传送到每一扇门相对应的分展厅。[0033] 虚拟场景生成模块中将教学数据组合形成一个统一的虚拟数据层，通过统一的接口来访问这些数据，教学白板模块通过WCF使得教师和学员、学员和学员之间进行便捷的交流和讨论。[0034] 规则管理模块中各种规则的管理由教师完成，并根据教学策略设计为生成的场景设定对应的规则内容，信息管理模块还负责对生成的场景进行管理以及用户与场景交互产生数据的保存。[0035] 案例教学策略：案例教学，既是针对一个真实事件的再现与思考，也是对这一典型事例的反思与探讨，案例制作的原则：(1)案例设计要突出主题、把握主线，要保持案例真实性、典型性、完整性、趣味性原则，阐明事件发生的时间、地点、背景，注意处理好事件中的一些戏剧性的突变，使得案例直观明了、富有悬念，能有效地反映出事件发生的特定教育背景，并能给予启示；(2)感知性、沉浸性原则，可以使学员亲身体验和感悟现实中的真实问题；(3)案例设计应能提出关键问题，且.能提出有效的解决办法及提供对这种解决问题方法的评价，以便为新的决策提供参照点。[0036] 协作教学策略：“协作学习”可以使得学员在一定的情境中，通过协作活动和会话交流活动中而建构意义。合作、交互、角色参与、信息共享和活动共享是实现“协作学习”的重要渠道。因此，在虚拟学习设计中，必须提供以上活动的机制，提供在线的网络对话、学习论坛、共享白板及电子邮件、留言板等交互方式。[0037] 系统管理模块由管理员管理，采用SQL数据库存储用户信息，同时在SQL数据库中存入预设的安全控制数据，以便于保证用户信息的安全性，虚拟场景编辑模块由教师根据教学需要对生成的场景进行改动。[0038] 虚拟场景编辑模块在改动过程中，对场景中的功能区块进行划分，并以虚拟仪器为主体完成整理场景体系建立，以方便教师对场景进行查询和调整，同时可调用已有的虚拟元件进行组合来完成新的功能需要。[0039] 虚拟操作模块中获取学员的操作信息，并感应人体与设备的接触信息，使用VPN技术建立的加密隧道，将数据安全地传输到虚拟服务器，进而将获得的数据映射在当前的虚拟场景内。[0040] 虚拟操作模块提供一个用于帮助和交流的支持子模块，学员通过支持子模块可以使用外部信息资源、交流工具，或者与教师、其他学员共同进行操作，帮助完成虚拟场景中的操作，实现不同学员之间交流讨论。在此过程中，可以加入游戏化元素，提高学员的学习兴趣和参与度，使得学习过程更加生动有趣。[0041] 由上可知，本发明根据教师的教学情景来构建虚拟现实场景，并根据准备的教学内容来设定建立场景的内部规则，同时在教学过程中，教师与学员、学员与学员之间可以相互交谈与帮助，教师能够了解学员学习过程的关注情况，这样本发明为音乐教育专业的职业培训提供了一个创新的教学工具，通过高度仿真的虚拟环境和情景模拟，结合丰富的教学资源和协作学习平台，能够有效地提升音乐教育的效果和质量。[0042] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”“一些实施例”“示例”“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。[0043] 本发明公开实施例附图中，只涉及与本发明公开实施例所涉及的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合。[0044] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

专利地区：海南

专利申请日期：2024-04-23

专利公开日期：2024-11-19

专利公告号：CN118230613B