一种基于混合现实的实践教学辅助系统及操作方法与流程

本发明属于混合现实，具体涉及一种基于混合现实的实践教学辅助系统及操作方法。

背景技术：

1、随着职业教育的不断发展，实践教学已经成为职业教育领域的重要组成部分。然而，传统的实践教学模式存在着设备、场地、时间等多种教学场景限制，难以满足大规模、现代化、信息化的教学需求。与此同时，随着混合现实技术的快速发展，结合混合现实技术与实践教学的教学方式也被越来越多的教育机构所关注和采用。

2、目前国内传统实践教学场景，高等职业教育实践课程依旧采用理论课模式讲解相关专业课程的理论知识，借助ppt、原理视频、图片、半剖实验装置等相关资源，进行理论知识的传递与转化。理论教学知识掌握后，再通过预约相关的仿真实训装置，模拟完成进行典型岗位工作内容的实践操作训练。实操中由于理论与实践场景的实际偏差，容易造成实训过程效果的不理想。同时，模拟真实生产场景，如仿真装置走真实物料、真实拆装典型装置、典型装置内部反应机理等内容，又必将造成实践教学的“高投入”“高损耗”“高风险”及“难实施”“难观摩”“难再现”的“三高三难”教学实践痛点和难点。

3、公开号为cn110688005a的中国专利公开了一种混合现实的教学环境系统及互动方法，包括一个ar显示设备，ar显示设备根据真实环境的空间尺寸，提供用于显示覆盖于真实环境的不同教学环境相关内容选项的虚拟环境，以及根据真实教师的影像/图像，提供用于显示虚拟教师的影像/图像，以及根据真实教具，提供用于显示由真实教具触发的3d虚拟教具，用户通过使用ar显示设备分别与虚拟教师及3d虚拟教具进行教学互动。公开号为cn112230772a的中国专利公开了一种虚实融合的教具自动生成方法，包括：真实教学环境的信息获取；虚拟教具的生成；虚拟教具与真实环境的融合。但是这两篇专利仍然存在一定的教学难点。

4、鉴于国内高等职业教育实践教学过程中存在的“高投入”“高损耗”“高风险”及“难实施”“难观摩”“难再现”的“三高三难”教学实践痛点和难点，针对当前实践教学中理、实教学场景脱节的情况，需要研发一种可以解决该问题的一种基于混合现实的实践教学辅助系统及操作方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有实践教学存在的“三高三难”教学实践痛点和难点问题，提供了一种基于混合现实的实践教学辅助系统及操作方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于混合现实的实践教学辅助系统，包括混合现实设备、锚定单元、生产运行单元、生产监控单元、特种作业单元、安全应急处置单元；混合现实设备，以真实仿真装置、沙盘、设备物体的物理世界位置为引，通过锚定单元，依据混合现实设备支持，以真实仿真装置或物体的物理世界位置为基础，叠加实践教学应用全息场景，叠加实践教学需要生产运行单元、实操单元、生产监控单元、特种作业单元、安全应急单元的教学场景内容，实现物理世界与虚拟画面的融合，构建虚实融合的实践教学场景，结合混合现实场景的实践教学需要，并通过生产运行单元，以空间定位共享与真实仿真装置或物体相结合，实现实践教学活动需要的理实一体、虚实融合的混合教学场景，通过提供基于自然的手势、语音输入，达成与混合现实场景和实践教学单元产生实践交互，辅助实践教学活动的开展。

4、基于上述技术方案，更进一步地，虚拟仿真ost通讯和云服务，虚拟仿真ost通讯通过通信方式与真实仿真单元信息联动，并模拟生产运行工艺模拟；云服务是利用5g通信服务，实现虚拟仿真ots通讯工艺数据、混合现实设备的通讯、生产监控单元所需关键工艺技术指标和生产参数的可视化呈现。

5、基于上述技术方案，更进一步地，所述生产监控单元，通过混合现实设备，结合生产运行单元功能，以混合现实技术手段和云服务，结合虚拟仿真ots通讯及工艺模型算法，可视化关键生产运行参数及指标。

6、基于上述技术方案，更进一步地，所述特种作业单元，通过混合现实设备，结合生产运行单元和生产监控单元功能，重现特种作业现场工艺状况及现象场景，依据特种作业规范要求及作业内容，引导实践教学人员，通过标准实践规范，进行特种作业的实践操作，辅助完成实践教学活动。

7、基于上述技术方案，更进一步地，所述安全应急处置单元，通过混合现实设备，结合生产运行单元和生产监控单元功能，重构安全应急处置现场情景，依据安全应急操作规范要求及作业内容，引导实践教学人员，通过标准实践规范，进行特种作业的实践操作，辅助完成实践教学活动。

8、基于上述技术方案，更进一步地，所述特种作业单元至少包含的特种作业内容有：高处作业；危险化学品安全作业；有限空间安全作业以及应急救援作业。

9、基于上述技术方案，更进一步地，还包括实践活动下发平台，用于支持实践互动的内容的下发、支持实践活动记录或成绩数据的评定和评分；支持实践活动过程中，监控实践参与人员，并能够随时进行远程支持。

10、一种基于混合现实的实践教学辅助系统操作方法，采用一种基于混合现实的实践教学辅助系统，包括以下步骤：

11、步骤1：通过混合现实设备，选择实践教学内容，进行实践操作练习或考核；

12、步骤2：通过实践教学内容，依据锚定单元，执行生产运行单元，通过混合现实设备构建实践教学场景；

13、步骤3：通过加载生产监控单元，结合锚点单元构建真实生产环境及关键设备运行状态，依据虚拟仿真ots通讯仿真机理，结合混合现实设备营造真实生产监控情景；

14、步骤4：通过加载特种作业单元，结合锚点单元构建特种作业实践场景，通过混合现实设备，参照安全操作规范，进行实践操作处理；

15、步骤5：通过加载安全应急处置单元，根据锚定单元，生成安全应急事故数据状态，结合混合现实设备，还原安全事故场景，依据安全应急处置规范和流程，完成安全应急处置实践练习；

16、步骤6：通过5g通信服务，采集混合现实设备及现场实操数据，并形成可视化实践报告；

17、步骤7：根据实践操纵过程和结果，完成实践操作的评估和评定。

18、基于上述技术方案，更进一步地，所述生产运行单元包括以下实践步骤：

19、步骤11：实践活动参与人员，可自主选择对应需求内容，进行实践操作；

20、步骤12：实践活动参与人员，实践认知完成后，自主结束当前实践活动即可。

21、基于上述技术方案，更进一步地，所述生产监控单元包括以下实践步骤：

22、步骤21：实践活动参与人员，依据实践岗位要求，参照岗位规范，进行实践准备；

23、步骤22：实践活动参与人员，依据实践要求，开展实践活动内容，并根据要求进行记录；

24、步骤23：实践活动参与人员，结束实践活动，提交记录内容；

25、步骤24：实践活动组织人员，查看实践活动记录内容，根据情况评估和评分。

26、基于上述技术方案，更进一步地，特种作业单元和安全应急处置单元包括以下实践活动步骤：

27、步骤31：实践教学组织者下发具体实践内容；

28、步骤32：虚拟仿真ots通讯依据实践教学需求，模拟生成特种作业单元和安全应急处置单元所需的异常或生产运行状态、异常或生产异常运行参数；

29、步骤33：虚拟仿真ots通讯通过5g通信服务，将模拟生产运行数据与现场仿真装置或物体完成通信联动，并重现实践现场场景；

30、步骤34：虚拟仿真ots通讯通过5g通信服务，将模拟生产运行数据与混合现实设备完成通信联动，启用实践现场配套模拟场景；

31、步骤35：教学实践参与人员，通过佩戴混合现实设备，依据实践教学规范需求，进行安全检查并完成个人安全的实践操作内容；

32、步骤36：实践教学参与人员，依据引导前往仿真现场，查看现场生产场景，并根据作业或安全应急处置规范要求进行实践活动的开展；

33、步骤37：实践教学参与人员，完成实践活动后，通过提交实践操作，终止实践活动的进行，混合现实设备将实践操作过程及结果数据通过5g通信服务，发回实践组织工具中；

34、步骤38：实践组织人员根据实践操纵过程和结果，完成实践操作的评估和评定。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、（1）本发明记载的一种基于混合现实的实践教学辅助系统，开创性地解决实践教学理论实践一体化教学模式，此系统通过空间定位与仿真装置相叠加，借助混合现实技术、5g通信技术、物联网等技术，将虚拟理论教学内容、工艺生产流程及反应机理变化与真实仿真装置相结合，实现理论与实践操作相结合，营造基于典型岗位工作过程的行业生产情景化岗位教学场景。通过自然手势识别及自然语音交互，进行典型岗位工作内容的实操学习和巩固练习，通过萃取行业专家与院校优秀教师教学经验，进行典型岗位工作内容的“项目－任务－知识点”的教学转化，满足行业典型岗位人才能力需求和实践教学的需要，辅助实践教学理实一体化教学新模式的开展。

37、（2）本发明通过混合现实技术构建了真实生产过程的模拟真实环境、显示真实生产运行参数、调整虚拟环境以及互动教学等模块，其中，模拟真实环境，用户可以在真实物理空间中，结合仿真装置、沙盘、实践装置等结合，虚拟环境中模拟真实生产环境中的情况，包括设备、工具、材料等，从而帮助学生更好地理解生产过程中的工作原理、实践操作规范、实践操作流程。显示真实参数，用户可以通过传感器获取真实生产环境中典型关键设备的参数信息，例如温度、压力、流量、状态、物料走向、物流变化、机理反应等，然后在虚拟显示器中显示这些真实生产运行信息，从而帮助学生更好地了解生产过程中的工作状态。调整虚拟环境，用户可以根据真实环境中的参数信息，调整真实仿真装置、沙盘、实践设备或虚拟环境中的典型关键设备完成数字操作，例如阀门开关、调节、启动、关闭、切换等，从而帮助学生更好地理解生产过程中的变化和调整。互动教学，用户可以通过用户界面与虚拟环境进行互动，例如使用手柄、触屏、语音等方式进行操作和指令，从而帮助学生更好地掌握实践技能。也即是，本发明利用混合现实技术，将真实生产过程中的动态利用理实一体化、支持实践教学应用，有效解决实践教学过程中产生的三高三难实践教学问题。该系统可以更好地满足学生的实践教学需求，提高教学效果。