基于VR技术的知识教育系统及教育方法
技术领域
本发明涉及VR教学技术领域，具体涉及一种基于VR技术的知识教育系统及教育方法。
背景技术
目前，知识教育培训方式主要有集中培训、集体学习、个人自学和组织生活、实践锻炼、网络培训、交流研讨等，但现场教学方式需要将学员组织在一起，存在培训时间难以协调、培训成本较高等问题。网络培训虽然解决了培训时间难以协调的问题，但学员难以与授课者进行互动交流，培训效果不够理想。实践锻炼培训方式比如通过实地游览博物馆等培训教育方式虽然教学方式更加直观，更具现场感，但培训成本很高，而且需要专业的解说员进行现场解说，学员很难通过独自游览方式深入了解相关知识，教育效果大大折扣。
另外，现有的知识教育培训方式普遍采用人工评价方法对培训效果进行评价，评价方法不够科学、客观，缺乏参考价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于VR技术的知识教育系统及教育方法，以解决上述技术问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于VR技术的知识教育系统，包括：
知识教育VR场景制作设备，用于制作知识教育VR场景；
VR设备，用于提供给佩戴者对所述VR场景进行沉浸式学习、体验、互动；
教学监测设备，通信连接所述VR设备，用于对所述佩戴者的VR教学过程进行数据监测并保存监测到的教学数据；
教学效果评价系统，通信连接所述教学监测设备，用于基于监测到的所述教学数据对所述佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价，形成教学评价报告并输出；
评价报告接收终端，通信连接所述教学效果评价系统，用于接收关联所述佩戴者的所述教学评价报告供指定人员查看。
作为本发明的一种优选方案，所述知识教育VR场景制作设备中具体包括：
知识教育VR场馆空间设计模块，用于提供给设计人员根据整理的素材设计知识教育VR 场馆的空间布局结构；
VR场馆三维建模模块，连接所述知识教育VR场馆空间设计模块，用于提供给所述设计人员对设计的场馆空间布局结构进行三维建模，形成知识教育VR场馆的三维模型；
图片获取模块，用于提供给所述设计人员从一知识教育图片资料库中获取资料图片；
图片处理模块，连接所述图片获取模块，用于提供给所述设计人员对所述资料图片进行图像处理，以符合所述三维模型的贴图规范要求；
贴图模块，分别连接所述图片处理模块和所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员将经处理后的所述资料图片贴图到所述三维模型中的指定展示区域；
展品文字介绍嵌入模块，连接所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员将预先确定的展品文字介绍嵌入到所述三维模型中所要关联的虚拟展品的指定展示区域处；
展品文字介绍触发控制模块，连接所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员设计触发并显示所述展品文字介绍的控制方式；
讲解语音获取模块，连接一知识教育讲解语音库，用于提供给所述设计人员从所述知识教育讲解语音库中获取讲解语音；
讲解语音嵌入模块，分别连接所述讲解语音获取模块和所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员将所述讲解语音嵌入到所述三维模型中的指定展厅板块处；
讲解语音播放触发控制模块，连接所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员设计触发并播放所述讲解语音的控制方式；
知识教育视频获取模块，连接一知识教育视频库，用于提供给所述设计人员从所述知识教育视频库中获取知识教育视频；
知识教育视频嵌入模块，分别连接所述知识教育视频获取模块和所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员将所述知识教育视频嵌入到所述三维模型中的指定位置处；
知识教育视频触发控制模块，连接所述VR场馆三维建模模块，用于提供给所述设计人员设计触发并播放所述知识教育视频的控制方式；
VR场景生成模块，用于将制作完成的所述三维模型进行优化打包，并最终生成所述VR 场景。
作为本发明的一种优选方案，所述VR设备为手机VR、VR一体机和主机VR系统中的任意一种。
作为本发明的一种优选方案，所述主机VR系统包括VR主机和通信连接所述VR主机的大屏显示设备和语音输入输出设备，所述大屏显示设备用于将所述佩戴者在所述VR场景中的体验视角以二维空间形式显示给观众，所述语音输入输出设备用于提供给所述佩戴者在VR 体验中进行语音讲解，并通过扬声器将讲解语音播放给所述观众；
所述主机VR系统还包括通信连接所述VR主机的立体投影设备，用于将所述佩戴者在所述VR场景中的体验视角以三维空间形式投影到显示设备上，观众通过佩戴3D眼镜跟随所述佩戴者在所述VR场景中的行走路线和观察视角进行沉浸式的知识教育培训。
作为本发明的一种优选方案，评价VR教学效果的评价指标包括所述佩戴者在所述VR场景中的体验总时长、所述佩戴者在所述VR场景中的文字展示区域、讲解语音播放区域、视频播放区域的停留时长，以及所述佩戴者在所述VR场景中触发文字展示、讲解语音播放和视频播放的次数中的任意一种或多种。
作为本发明的一种优选方案，所述教学监测设备包括：
计时模块，用于对所述佩戴者在所述VR场景中的各个展示区域的停留时间以及在所述 VR场景中的体验总时长进行累计，得到所述佩戴者“在VR场景中的体验总时长”“在文字展示区域的停留时长”“在讲解语音播放区域的停留时长”“在视频播放区域的停留时长”这四个所述评价指标的指标值；
互动监测模块，用于对所述佩戴者在所述VR场景中的教育互动情况进行监测，得到佩戴者“在VR场景中触发文字展示次数”“触发讲解语音播放次数”和“触发视频播放次数”这三个评价指标的指标值。
作为本发明的一种优选方案，所述教学效果评价系统通过以下公式(1)对所述佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价：
公式(1)中，G用于表示所述教学效果评价系统对所述佩戴者的VR教学效果的评分值；
i用于表示所述评价指标；
n表示所述评价指标的数量；
wi表示所述评价指标的权重；
gi表示所述评价指标的指标值。
本发明还提供了一种基于VR技术的知识教育方法，通过应用所述的知识教育系统实现，包括：
制作知识教育VR场景；
佩戴者通过VR设备对制作完成的所述VR场景进行沉浸式学习、体验、交互；
通过教学监测设备对所述佩戴者的VR教学过程进行数据监测并保存监测到的教学数据；
基于监测到的教学数据对所述佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价，并形成教学评价报告并输出给指定的评价报告接收终端。
作为本发明的一种优选方案，评价VR教学效果的评价指标包括所述佩戴者在所述VR场景中的体验总时长、所述佩戴者在所述VR场景中的文字展示区域、讲解语音播放区域、视频播放区域的停留时长以及所述佩戴者在所述VR场景中触发文字展示、讲解语音播放和视频播放的次数中的任意一种或多种。
作为本发明的一种优选方案，通过以下公式(2)对所述佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价：
公式(2)中，G用于表示所述教学效果评价系统对所述佩戴者的VR教学效果的评分值；
i用于表示评价指标；
n表示所述评价指标的数量；
wi表示所述评价指标的权重；
gi表示所述评价指标的指标值。
本发明根据培训需求制作知识教育VR场景，培训对象通过佩戴VR设备对所述场景进行沉浸式学习、体验、交互，不仅解决了现有的集中培训方式难以协调培训时间的问题，而且极大提高了教育培训的效果。另外，本发明还能够对培训对象在VR场景中的学习过程进行数据监测，然后根据监测到的数据对培训对象的知识教育效果进行量化评价，解决了传统的知识教育培训方式无法获知培训对象的培训效果的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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他的附图。
图1是本发明一实施例所述的基于VR技术的知识教育系统的系统结构示意图；
图2是所述知识教育VR场景制作设备的内部结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的所述主机VR系统的结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的所述主机VR系统的结构示意图；
图5是所述教学监测设备的内部结构示意图；
图6是本发明一实施例所述的基于VR技术的知识教育方法的步骤图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示出了基于VR技术的知识教育系统的结构示意图。请参照图1，该系统包括：
知识教育VR场景制作设备1，用于制作知识教育VR场景；
VR设备2，用于提供给佩戴者对VR场景进行沉浸式学习、体验、互动；
教学监测设备3，通信连接VR设备2，用于对佩戴者的VR教学过程进行数据监测并保存监测到的教学数据；
教学效果评价系统4，通信连接教学监测设备3，用于基于监测到的教学数据对佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价，并形成教学评价报告并输出；
评价报告接收终端5，通信连接教学效果评价系统4，用于接收关联佩戴者的教学评价报告供指定人员查看。
本实施例中，VR场景为知识教育的虚拟环境。不同于视频，其时间轴上任意一点的画面只能呈现整体环境中的一角，虚拟环境则是全方位充斥着整个空间，展品分布于整个虚拟空间而非某一方位。体验式学习是个体在形体、情绪、知识上的参与。在VR场景学习中，参观者通过参观、操作、使用场馆中的展品获取直接经验，并通过展品的文本、动画、视频等形式的解释性说明获取解释性经验。所以本发明为了增强参观者的互动体验，在VR场景制作中将有关知识教育的文本解释、视频教学、语音讲解等教学方式嵌入到三维模型中，以提升教育效果。
图2示出了知识教育VR场景制作设备的内部结构示意图。如图2所示，该知识教育VR 场景制作设备1中具体包括：
知识教育VR场馆空间设计模块11，用于提供给设计人员根据整理的素材设计知识教育 VR场馆的空间布局结构；这里的素材指的是与知识教育相关的图书、视频、文字资料以及虚拟馆的展示内容、展厅的板块结构、展品的摆放位置及参观路线等。
VR场馆三维建模模块12，连接知识教育VR场馆空间设计模块11，用于提供给设计人员对设计的场馆空间布局结构进行三维建模，形成知识教育VR场馆的三维模型；
图片获取模块13，连接VR场馆三维建模模块12，用于提供给设计人员从一知识教育图片资料库100中获取资料图片；
图片处理模块14，连接图片获取模块13，用于提供给设计人员对资料图片进行图像处理，以符合三维模型的贴图规范要求；
贴图模块15，分别连接图片处理模块14和VR场馆三维建模模块，用于提供给设计人员通过UV(贴图坐标)技术将经处理后的资料图片贴图到三维模型中的指定展示区域；
展品文字介绍嵌入模块16，连接VR场馆三维建模模块12，用于提供给设计人员将预先确定的展品文字介绍嵌入到三维模型中所要关联的虚拟展品的指定展示区域处；
展品文字介绍触发控制模块17，连接VR场馆三维建模模块12，用于提供给设计人员设计触发并显示展品文字介绍的控制方式；触发展品文字接收的方式有多种，比如当参观者靠近虚拟展品达到阈值距离时，展品文字介绍自动展示在展品旁边的指定展示区域处。也可以是在虚拟展品附近设置文字介绍触点，参观者可以通过VR设备提供的操控器点击该触点后展示展品文字介绍；
讲解语音获取模块18，连接一知识教育讲解语音库200，用于提供给设计人员从知识教育讲解语音库中获取讲解语音；
讲解语音嵌入模块19，分别连接讲解语音获取模块18和VR场馆三维建模模块12，用于提供给设计人员将讲解语音嵌入到三维模型的指定展厅板块处；
讲解语音播放触发控制模块20，连接VR场馆三维建模模块12，用于提供给设计人员设计触发并播放讲解语音的控制方式；本实施例中，讲解语音触发方式可以有许多中，比如可以在参观者进入到一个功能展厅时自动触发响应的讲解语音进行自动讲解。当参观者沿着行走路线进入到相应的展厅时，比如进入到图片展厅时，自动触发讲解语音，对具有重大意义的图片进行语音解说。对于展品的解说，语音讲解方式相比文字展示方式更加生动，所以也可以在展品旁设置语音讲解触发点，参观者可以自行通过VR设备的操控器点击展品语音讲解触发点以触发对展品的语音解说。当然也可以设置为当参观者靠近展品达到阈值距离后，展品语音解说自动播放。
知识教育视频获取模块21，连接一知识教育视频库300，用于提供给设计人员从知识教育视频库中获取知识教育视频；
知识教育视频嵌入模块22，分别连接知识教育视频获取模块21和VR场馆三维建模模块 12，用于提供给设计人员将知识教育视频嵌入到三维模型的指定位置处；
知识教育视频触发控制模块23，连接VR场馆三维建模模块12，用于提供给设计人员触发并播放知识教育视频的控制方式；
VR场景生成模块24，连接VR场馆三维建模模块12，用于将制作完成的三维模型进行优化打包，删除不需要的资源，对各项设置进行检查和优化，最终生成VR场景，并VR场景输出成exe可执行文件。VR设备执行VR场景的exe可执行文件供佩戴者对VR场景进行沉浸式学习、体验、互动。
以下对本实施例可应用的VR设备的种类进行介绍：
本实施例中，VR设备可以是手机VR、VR一体机或主机VR系统。
手机VR是以智能手机为内容运行系统的显示设备。手机VR主要由两片镜片组成的手机壳子，将手机作为计算和显示的载体。手机VR构造简单、价格低廉，其附加设备一般为控制手机而配置的蓝牙手柄、触摸板等。手机VR设备技术含量较低，体验感和交互性较差。目前市面上典型的手机VR有三星Gear VR、谷歌Daydream View等。
VR一体机是将内容运行平台与显示头盔集成在一起的独立设备，是将高端手机的配置直接做在了头盔中，相当于自带了处理系统和显示屏，最大的优点是携带方便，无需插入手机，也不用外接电脑或者游戏主机，具备方位感应的陀螺仪等传感器，可以实现独立运算及输入输出功能。目前市场上典型的VR一体机有大朋VR M2、博思尼X1、Pico Neo VR等。
手机VR和VR一体机的原理是利用双眼视差和陀螺仪实现视觉立体显示和图像旋转定位，通过目视点持续注视热区或按钮实现交互操作。通过该方式可以打开或关闭全景图中嵌入的图片、视频、语音解说等，或者激活内嵌的360序列图片，呈现3D物体。
使用头盔显示器和运动控制器的主机VR系统，沉浸感和交互性最佳，头盔佩戴者能够获 得最佳的个体体验。但是主机VR系统由于头盔显示器和运动控制器需要连接一台高性能的 PC主机，整体造价昂贵，每一套设备只能单人体验，运行需要一定的空间，一般的社区或者 知识培训教育部门无力投入巨大的财力、设备和空间，为每个需要培训的对象配置独立 的主机VR系统。
所以为了解决主机VR系统存在的使用成本高的问题，作为一种优选方案，如图3所示，本发明提供的主机VR系统包括VR主机6和通信连接该VR主机6的大屏显示设备7和语音输入输出设备8，VR主机6可以是现有的HTC Vice、Oculus Rift或Sony PS VR中的任意一种，大屏显示设备7用于将VR头盔佩戴者在VR场景中的体验视角以二维空间形式显示给观众，语音输入输出设备8则用于提供给佩戴者在VR体验中进行语音讲解，并通过扬声器将讲解语音播放给观众。
VR主机+大屏显示设备+语音输入输出设备的主机VR系统仅需要一台VR主机通过将VR 场景中的体验视角显示给观众，解决了以往一个主机VR系统只能够供一个体验者进行交互体验的问题。但由于大屏显示设备仅支持以二维空间形式将VR场景的体验视角显示给观众，所以观众体验VR场景的沉浸感不够强烈，知识教育效果将大打折扣。
为了解决这个问题，本发明提供另外一套主机VR系统，如图4所示，该主机VR系统包括VR主机6和通信连接VR主机6的立体投影设备9，立体投影设备9用于将佩戴者在VR场景中的体验视角以三维空间形式投影到显示设备上，观众通过佩戴3D眼镜跟随佩戴者在VR场景中的行走路线和观察视角进行沉浸式的知识教育培训。
以下对本发明实现对知识教育培训效果评价的方法进行阐述：
本发明采用量化评价方式对佩戴者的知识教育培训效果进行评价，量化评价方式更加客观、科学、公平，能够为培训组织者或相关的考评部门提供考评依据。为了实现对知识教育培训效果的量化评价，首先需要明确具体的评价指标，本发明提出的评价指标包括佩戴者在 VR场景中的体验总时长、佩戴者在VR场景中的文字展示区域的停留时长以及在讲解语音播放区域和视频播放区域的停留时长，以及佩戴者在VR场景中触发文字展示、讲解语音播放和视频播放的次数。
本发明通过教学监测设备监测佩戴者在VR场景中的体验行为，以获取各个评价指标的指标值。具体地，请参照图5，教学监测设备3包括：
计时模块31，用于对佩戴者在VR场景中的各个展示区域的停留时间以及在VR场景中的体验总时长进行累计，得到佩戴者“在VR场景中的体验总时长”“在文字展示区域的停留时长”“在讲解语音播放区域的停留时长”“在视频播放区域的停留时长”这四个评价指标的指标值；
互动监测模块32，用于对佩戴者在VR场景中的教育互动情况进行监测，得到佩戴者“在 VR场景中触发文字展示次数”“触发讲解语音播放次数”和“触发视频播放次数”这三个评价指标的指标值。
本发明提供的教学效果评价系统通过以下公式(1)对佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价：
公式(1)中，G用于表示教学效果评价系统对佩戴者的VR教学效果的评分值；
i用于表示评价指标；
n表示评价指标的数量；
wi表示评价指标的权重；
gi表示评价指标的指标值。
本发明还提供了一种基于VR技术的知识教育方法，通过应用上述的知识教育系统实现，如图6所示，该知识教育方法包括：
步骤S1，制作知识教育VR场景；
步骤S2，佩戴者通过VR设备对制作完成的VR场景进行沉浸式学习、体验、交互；
步骤S3，通过教学监测设备对佩戴者的VR教学过程进行数据监测并保存监测到的教学数据；
步骤S4，基于监测到的教学数据对佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价，并形成教学评价报告并输出给指定的评价报告接收终端。
在该知识教育方法中，评价VR教学效果的评价指标包括佩戴者在VR场景中的体验总时长、佩戴者在VR场景中的文字展示区域的停留时长以及在讲解语音播放区域和视频播放区域的停留时长，以及佩戴者在VR场景中触发文字展示、讲解语音播放和视频播放的次数。
教学监测设备通过对佩戴者的VR体验过程进行数据监测以获取各个评价指标的指标值。关于指标值的具体获取过程在上述的知识教育系统中进行了详细阐述，在此不再赘述。
在该知识教育方法中，通过以下公式(2)对佩戴者的VR教学效果进行综合分析评价：
公式(1)中，G用于表示教学效果评价系统对佩戴者的VR教学效果的评分值；
i用于表示评价指标；
n表示评价指标的数量；
wi表示评价指标的权重；
gi表示评价指标的指标值。
综上，本发明基于VR技术提高了知识教育的沉浸感，提升了知识教育培训效果。而且本发明还能够对知识教育效果进行量化评价，解决了传统的知识教育培训方式无法获知培训对象的培训效果的问题。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。
