基于数字孪生的模块化专业教学培训语境模拟及评价系统

1.本发明属于专业教学培训技术领域，具体涉及一种基于数字孪生现代高科技信息化的专业教学培训用语境模拟及评价系统。


背景技术：

2.随着社会的发展进步，社会分工及专业划分越来越细，而专业知识的掌握都需要长时间的学习培训。比如，英语专业变得越来越重要，有变成我国第二语言的趋势，现在的英语学习，由原来的高中才开始学习，变为现在的小学，甚至幼儿园就开始学习英语，而且英语对于以后出国的深造，毕业找工作都大有影响，可见英语专业的重要性。现有的专业语境信息化教学用语境模拟系统显示装置多数不具有较好的辅助装置，调节方式不够便捷，且使用时不够智能化，不能与学员建立较好直观交流条件，影响教学培训的质量和效果。这些专业教学培训过程其实都涉及多种专业理论知识，比如英语专业教学包括语言学、第二语言习得、词汇学、句法学、文体学、语料库理论、认知心理学等内容，机械工程专业教学涉及工程力学、机械设计基础、电工与电子技术、微型计算机原理及应用、机械工程材料、制造技术基础等内容。因此，专业教学是一个循序渐进的过程，提高专业教学培训的质量和效果，对于知识爆炸、知识经济的当今信息时代，专业培训及英语等专业学习在全球化快速发展的今天都是至关重要的。
3.专业教学培训学习在现代社会发展中有着至关重要的作用，现有专利(cn207993273u)解决了英语专业语境模拟教学培训的问题，但随着信息科技日益发达，其在使用时的不便性逐渐凸显，在进行支撑培训观看学习时，观看角度难以进行合适调节等，使得学员学习存在困难，且对于不同品牌型号的平板电脑，因尺寸差异在固定平板电脑使用时存在不便。随着旅游市场对旅游高等人才的需求逐步升级，旅游专业教学培训也面临着巨大挑战。甚至，中国旅游专业教育的前进步伐已开始显得步履维艰并面临着多方面指责。为此，充分利用教学设计理论和现代信息科技手段培养合格的专业技术人才，能提高专业人员的文化素养、业务素质和分析、决策等能力，也是专业教学培训改革实现跨越式发展的关键。
4.然而，目前的教学培训模式往往使得专业培训学习单调乏味，降低了学员的学习兴趣且质量效果不佳。数字孪生是通过智能技术以及数字化仿真技术，克隆出与之对应的虚拟世界，在此虚拟世界中进行各种创新性尝试与改革，以提前知道某种决策的运用是否可行，以大大减少实际运作及试错的成本，并且可不断调优使得决策更加易于实现，也使得存在于虚拟世界中的系统也能以一种直观的方式让我们感知与触碰。为提高学习兴趣和质量效果，本发明提出一种基于运用数字孪生技术的模块化专业教学培训语境模拟及评价系统。


技术实现要素：

5.为解决现有教学培训技术中存在的上述问题，本发明提供一种专业教学培训用信
息化语境模拟系统，包括硬件系统和软件系统，其硬件具有可便捷调节高度、显示装置倾斜度，其软件系统由多个可独立也可组合的模块组成，便于不同专业或方案的自由组合，更利于师生交流、环境友好、身临其境的特点。本发明旨在解决传统的专业学习培训系统的功能单一、使用效果差的技术问题，用以提升专业培训教学质量效果并可评价学员学习质量效果的系统。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.基于数字孪生的模块化专业教学培训语境模拟及评价系统，硬件系统包括光电传感器、双目摄像头、轴承滑套、平衡支架、工作台、蓝牙/wifi收发器、气味发生器、步进电机、电源、处理器、信号收发器、教具柜、控制器、联轴器、升降螺母、高度调节螺杆、vr眼镜、语音编解器、耳麦、角度调节螺栓数据手套及触摸屏；软件系统包括后台管理模块、学习内容模块、角色体验模块、评价机制模块和互动交流五个模块。
8.所述触摸屏的上端设置有双目摄像头，所述触摸屏下方设置有教具柜，所述教具柜的外侧一端设置有蓝牙/wifi收发器及气味发生器，所述教具柜的外侧的另一端设置有控制器，所述教具柜的后面设置有两个平衡支架和用于升降触摸屏的步进电机，所述触摸屏的后侧固定连接有轴承滑套和升降螺母，所述触摸屏通过后侧的两个轴承滑套与固定于教具柜后面的两个平衡支架滑动连接，并通过其后侧的升降螺母与高度调节螺杆连接，所述高度调节螺杆通过联轴器与步进电机连接，所述步进电机接收控制器的信号转动并带动触摸屏升降，所述教具柜的顶部设置有工作台，所述耳麦由耳机及其上端的麦克风一体连接组成。
9.本发明语境模拟系统包括后台管理、学习内容、互动交流、角色体验与评价机制模块，并与所述处理器进行电气连接。所述后台管理模块包括管理员、培训师、学员用户三个子模块；应用该系统前都必须先注册登录帐号，管理员通过管理员子模块对系统进行维护和管理，培训师通过培训师子模块创建班级，培训师和学员用户注册都采用一人一帐号如实填写信息，帐号通过管理员审核后固定不变，用户身份不同其帐号所拥有的权限也不同，可以查看到的信息也不同。
10.所述学习内容模块包括培训目的、培训内容和练习作业子模块；培训师通过后台管理和培训内容模块按学期添加、编辑课程的培训目的、培训内容和练习作业，培训内容包括对应课程的教案以及进行ppt课件图文授课资料等，并分别置于培训目的子模块、培训内容子模块和练习与作业子模块中，方便学员用户学习；培训师根据本门课程按日期在练习与作业子模块中发布作业，学员用户可匿名查阅也可登录帐号后查阅，学员用户完成作业后可上传到对应的子模块中。所述学习内容、互动交流模块可涵盖不同的单元，如语言文史(旅游、购物、交通、爱好、运动等)、机械专业(装配、零件、汽车、摩托车、发动机、底盘等)，每个单元中又都包括有教学培训子内容。
11.所述角色体验模块设置不同的角色，学员用户通过该语境下不同角色的体验巩固专业知识和掌握专业技能。
12.所述评价机制模块包括测评汇总和评价主体两个子模块；测评汇总又包括评价标准和分析建议子模块，评价主体又包括模拟系统、培训师和学员用户互评子模块；培训师可以在线浏览批改学生的作业，给出相应的作业等级或是是评语等；学员用户可查看自己的作业等级或是评语，进而提高作业质量。所述测评汇总子模块也可包括分析解决问题下级
子模块、专业知识应用下级子模块、学员团队协作下级子模块、学员交往下级子模块、专业知识应用下级子模块和专业素养下级子模块。
13.所述互动交流模块分为即时交流和课后留言两部分。学员用户实训时将光电传感器固定在手指上用以采集其人体生理信号，根据光波的传递机制，将接收到的反映血氧浓度、并经心理压力指数测量单元处理的光波信号，发送到处理器；双目摄像头用于采集学员用户面部表情视频和场景视频并发送到处理器；耳麦用于学员用户与系统交流及回答问题，学员用户的发音通过麦克、语音编解器输送至处理器，经运算处理后，再通过处理器、耳机传送至学员用户；处理器接收学员用户通过触摸屏发出的专业能力测评请求后，会启动相关模块及其子模块，并将接收到的专业能力测评答题数据传输给给测评汇总模块，并将经处理器运算后的结果建议显示于触摸屏上或vr眼镜上，以此方式提高学员用户对学过的专业知识加以运用，进而提高学员用户专业技能、术语(语言)能力及专业素养；利用互动交流模块的在线讨论子模块，培训师与学员用户进行互动，学员用户提出疑难问题，培训进行在线解答和讨论，实现专业教学培训的答疑解惑等功能。
14.优选地，所述耳麦上设置有信号收发器，所述蓝牙/wifi收发器与信号收发器通过蓝牙/wifi传输连接，所述耳麦上设置有用于连接vr接头卡槽的连接环，其耳机的一端设置有麦克且可通过转动轴转动调节麦克的距离和方向，所述vr眼镜的一端一体成型有vr接头卡槽，所述vr眼镜与耳麦通过连接环和vr接头卡槽卡合连接。
15.优选地，所述数据手套由指套、触感器及处理器组成，其上也设置有电源和手套信号收发器。
16.优选地，所述触摸屏的高度可通过双目摄像头采集到的学员信息，经控制器运算决策后由步进电机自动调节。所述触摸屏后侧的两个轴承滑套与固定于教具柜后面的两个平衡支架的滑动连接能够保证触摸屏升降调节的稳定性。所述触摸屏下方教具柜下端后侧设置有角度调节螺栓，可根据需要通过调节角度调节螺栓控制触摸屏的倾斜角度，以保证最佳的教学效果。
17.优选地，所述vr眼镜、耳麦上均设置有蓝牙/wifi收发器，可互换接触摸屏与耳麦、眼镜的信号并相互传输，这不仅可增加学员学习兴趣以及与教师的交流方式，也可提升使用舒适性。
18.优选地，所述vr眼镜、耳麦上通过设置连接环与接头卡槽，可将vr眼镜与耳麦进行组装拼接为一体，以便于不同教学专业及方案的培训应用，增加学员使用兴趣和教学培训效果及实用性。
19.优选地，所述气味发生器，可结合专业培训内容在控制器作用下发出相应气味，可丰富语境模拟环境，增强模拟系统的趣味性和培训学习效果。
20.优选地，所述平衡支架、轴承滑套、升降螺母、及步进电机的安装均进行了结构加强，保证了系统使用时的稳定性，增加其固定效果。
21.优选地，所述测评汇总子模块包括分析解决问题下级子模块、专业知识应用下级子模块、学员团队协作下级子模块、学员交往下级子模块、专业知识应用下级子模块和专业素养下级子模块。
22.优选地，所述光电传感器、双目摄像头与处理器进行电气连接，处理器也也与耳麦、语音编解器、触摸屏等进行电气连接，耳麦与语音编解器进行电气连接；触摸屏的高度
可通过双目摄像头采集到的学员信息，经控制器运算决策后由步进电机自动调节。
23.本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，通过设置光电传感器、步进电机、升降螺母、平衡支架、轴承滑套、语音编解器、角度调节螺栓可调节触摸屏的高度及俯仰角度，使用较为便捷；其软件系统包括后台管理模块、学习内容模块、角色体验模块、评价机制模块和互动交流五个模块，并与硬件的所述处理器进行电气连接。学员通过该语境下不同角色的体验更加容易巩固专业知识和掌握专业技能；平衡支架能够保证触摸屏升降时的稳定性。基于数字孪生的现代科技专业教学培训语境模拟系统不仅可增加学员学习兴趣以及与教师的交流方式，也可提升使用舒适性；可调节的触摸屏倾斜角度能保证最佳的教学效果，耳麦与vr眼镜的不同组合，更便于不同教学专业及方案的培训应用，增加使用兴趣及效果。此外，本发明一种基于数字孪生的模块化专业教学培训语境模拟系统，基于数字孪生的现代高科技的数字化仿真，更具开放性、多样性和系统性的特点，且其角色体验、评价机制以及互动交流模块能使学员进行灵活的专业模拟实践训练，更易能使学员学习和掌握相关专业的基本知识技能，且利于教师有效地教学，增加学员专业学习的趣味性，使学员在学习过程中不易疲劳，有利于提升专业培训教学质量效果。真正为教师和学员提供了一个完整的教学、实战及评价的专业培训系统，并最大限度地提升学员的专业能力、业务及文学素养。
附图说明
24.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
25.图1为本发明的方框示意图；
26.图2为本发明语境模拟系统的硬件结构的后视示意图；
27.图3为本发明语境模拟系统的硬件结构的前视示意图；
28.图4为本发明中数据手套的结构示意图；
29.图5为本发明中耳机耳麦vr眼镜连接部分爆炸的结构示意图；
30.图中：1、轴承滑套，2、平衡支架，3、工作台，4、气味发生器，5、蓝牙/wifi收发器，6、角度调节螺栓，7、步进电机，8、教具柜，9、控制器，10、联轴器，11、升降螺母，12、高度调节螺杆，13、触摸屏，14、双目摄像头 15、电源开关 21、指套，22、手套处理器，23、手套电源，24、手套信号收发器，25、触感器，26、数据手套，31、接头卡槽，32、耳麦处理器，33、耳麦，34、耳麦电源，35、麦克风，36、耳麦信号收发器、37、耳机，51、连接环，52、眼镜信号收发器，53、vr眼镜，54、眼镜处理器，55、眼镜电源。
具体实施方式
31.通过现代化高科技信息化手段，学员通过基于数字孪生模拟的真实语境进行互动，利用vr眼镜、数据手套、耳麦或环绕立体声音响系统、触摸屏、气味发生器、信号收发器等装备把学员带入身临其境的仿真自然环境和人文语境中，视、听、闻、触到该语境下可能出现的影像、声音、气味、触感。身临其境地感受到该语境的真实氛围的同时，还能通过数据手套与语境中的物体进行肢体触碰、空间挪移，通过耳麦、光电传感器、双目摄像头等传递信息，实现真实语境交流感受，激发学员学习热情，提高教学培训的学习质量效果。
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构原理、技术方案和工作过程做进一步的描述说明。需要指出的是，具体实施方式仅是举例说明本发明，不作为对本发明公开范围的限制。本发明软件系统包括后台管理模块、学习内容模块、角色体验模块、评价机制模块和互动交流五个模块组成，现在结合附图通过模拟shopping这一培训内容对本发明的技术实施方案进行说明。主要包括以下步骤：
33.步骤一：学员选择后台管理模块，输入注册时的用户名和密码，进入到该软件系统中；
34.步骤二：学员穿戴好相应的学习装备，做好培训学习前的准备；
35.步骤三：学员进入学习内容模块并选择培训内容进行学习。在此实施例中，学员选择英语学科的shopping话题后，就会出现词汇学习、对话学习、文章学习等不同的学习任务；每种学习任务都对应有各自的语言环境，选择学习任务后就会呈现相应的语言环境；
36.步骤四：学员在vr眼镜53、耳麦33的帮助下身临其境，置身于商场之中，即能看到商场中摆放的贴有英语标签的商品，又能跟随系统中导购员与顾客之间的对话进行观摩学习；
37.步骤五：学员可根据学习所需，自如与导购员进行沟通交流，强化训练学习；
38.步骤六：学员在完成学习模块中的内容后，进入角色体验模块，考察学习成效，巩固所学专业知识。shopping话题中的角色包括导购员、顾客和收银员，学员可以体验不同角色进行训练，教师和其他学员能够通过屏幕13看到他交流、付款的购物全程；
39.步骤七：学员完成角色体验之后，进入评价机制模块，模拟系统即为其评出成绩，教师和其他学员也可根据评价机制模块中的评价标准参与对其打分。评价标准包括语言表达流畅度、语音语调清晰度、角色体验完整度、互动效果达成度等四个方面，各占25％的比例；
40.步骤八：互动交流模块是评价机制模块的延伸和补充。模拟系统、教师和学员只是给出分值，并未对其表现做出具体描述。在互动交流模块中他们可以在课上进行即时发言，给出赞扬，提出希望，也可以进行课后交流，以促提升。
41.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。