本發(fā)明涉及交互式教學(xué)，特別是涉及一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)前的編程教育實踐中，傳統(tǒng)教學(xué)模式主要依賴紙質(zhì)教材、電子課件和基礎(chǔ)編程軟件等工具，這些雖然能夠傳授基礎(chǔ)的編程知識和技能，但往往缺乏互動性和實踐操作的機(jī)會。這種教學(xué)方式難以讓學(xué)生直觀地體驗代碼執(zhí)行過程，限制了他們對編程概念的深入理解以及應(yīng)用能力的提升。現(xiàn)有的編程教育平臺功能較為固定，缺少靈活性和擴(kuò)展性，難以滿足不同階段學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求。隨著學(xué)生編程技能的增長，現(xiàn)有平臺往往不能提供足夠的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新空間，這在一定程度上抑制了學(xué)生創(chuàng)新思維和問題解決能力的發(fā)展。

2、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(vr)技術(shù)的成熟，為教育領(lǐng)域帶來了革命性的變化。vr技術(shù)以其沉浸式體驗和高度交互性，為編程教育提供了全新的教學(xué)模式。學(xué)生可以在三維虛擬環(huán)境中與編程對象直接交互，實時觀察代碼的執(zhí)行和調(diào)試，這種直觀的學(xué)習(xí)方式極大地增強(qiáng)了學(xué)習(xí)體驗。

3、盡管vr技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，目前將vr技術(shù)應(yīng)用于編程教育的實踐還相對有限，特別是在交互式機(jī)器人編程教育方面的應(yīng)用和研究?，F(xiàn)有的vr教育系統(tǒng)在教學(xué)內(nèi)容、工具、方法和安全保障等方面仍有待進(jìn)一步創(chuàng)新和完善。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，為了解決上述技術(shù)問題，提供一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)及方法，操作簡便、安全可靠，可以促進(jìn)學(xué)生在編程和機(jī)器人技術(shù)方面的學(xué)習(xí)和實踐。

2、一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：顯示虛擬現(xiàn)實編程界面的顯示設(shè)備，以及與所述顯示設(shè)備無線連接的機(jī)器人控制模塊、模塊化編程工具、仿真驗證子系統(tǒng)、安全防護(hù)機(jī)制模塊、輔助教學(xué)子系統(tǒng)；其中：

3、所述模塊化編程工具，用于采集學(xué)生發(fā)出的拖拽和組合編程模塊指令，或采集代碼編寫指令，并根據(jù)所述拖拽和組合編程模塊指令實現(xiàn)編程模塊組合，根據(jù)所述代碼編寫指令采集編寫的代碼；

4、所述虛擬現(xiàn)實編程界面，用于接收編程模塊組合或者編寫的代碼并顯示代碼數(shù)據(jù)，將所述代碼數(shù)據(jù)實時傳輸所述機(jī)器人控制模塊；

5、所述機(jī)器人控制模塊，用于接收所述代碼數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述代碼數(shù)據(jù)控制機(jī)器人執(zhí)行動作；

6、所述仿真驗證子系統(tǒng)，用于模擬所述代碼數(shù)據(jù)的運(yùn)行環(huán)境，并實時測試和評估學(xué)生的編程成果，提供反饋和錯誤診斷；

7、所述安全防護(hù)機(jī)制模塊，用于實時監(jiān)控所述代碼數(shù)據(jù)的運(yùn)行情況，并在運(yùn)行故障時控制緊急停止運(yùn)行；

8、所述輔助教學(xué)子系統(tǒng)，用于使用人工智能技術(shù)對學(xué)生的編程行為進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果提供個性化學(xué)習(xí)路徑推薦并實時指導(dǎo)。

9、在其中一個實施例中，顯示虛擬現(xiàn)實編程界面的顯示設(shè)備為頭戴式顯示設(shè)備，且所述虛擬現(xiàn)實編程界面為3d用戶界面，配備4k分辨率，并采用圖形渲染技術(shù)對顯示的內(nèi)容進(jìn)行處理。

10、在其中一個實施例中，所述機(jī)器人控制模塊中設(shè)置有相互連接的傳感器、微處理器；所述傳感器用于采集機(jī)器人狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息，并將所述機(jī)器人狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息傳輸至所述微處理器中；

11、所述微處理器通過自適應(yīng)控制算法，根據(jù)所述機(jī)器人狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息調(diào)整控制機(jī)器人執(zhí)行動作；

12、所述機(jī)器人控制模塊還提供api和sdk支持，用于自定義編程。

13、在其中一個實施例中，所述模塊化編程工具中設(shè)置有預(yù)定義的編程模塊，所述模塊化編程工具根據(jù)學(xué)生發(fā)出的拖拽和組合編程模塊指令對各個所述預(yù)定義的編程模塊進(jìn)行拖拽和組合；

14、所述模塊化編程工具中設(shè)置有代碼轉(zhuǎn)換器，所述代碼轉(zhuǎn)換器用于將圖形化編程自動轉(zhuǎn)換成多種編程語言的可執(zhí)行代碼；

15、所述系統(tǒng)還包括代碼優(yōu)化器，用于對通過編程模塊組合或者編寫的代碼進(jìn)行優(yōu)化和分析。

16、在其中一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括智能錯誤檢測子系統(tǒng)，所述智能錯誤檢測子系統(tǒng)中集成有靜態(tài)代碼分析工具，自動檢測代碼風(fēng)格和潛在錯誤；

17、所述智能錯誤檢測子系統(tǒng)還用于利用上下文感知技術(shù)，進(jìn)行代碼錯誤定位。

18、在其中一個實施例中，所述仿真驗證子系統(tǒng)采用物理仿真引擎，所述仿真驗證子系統(tǒng)用于進(jìn)行環(huán)境配置、傳感器模擬設(shè)置、程序上傳與加載、仿真執(zhí)行、性能監(jiān)控與數(shù)據(jù)記錄、錯誤檢測與診斷、優(yōu)化建議分析、交互式調(diào)試、結(jié)果評估與反饋、教學(xué)跟蹤與報告。

19、在其中一個實施例中，所述安全防護(hù)機(jī)制模塊包括軟件權(quán)限控制、硬件裝置，所述軟件權(quán)限控制用于根據(jù)學(xué)生技能和任務(wù)需求分配訪問權(quán)限，并實時追蹤編程指令和機(jī)器人動作；

20、所述硬件裝置包括緊急停止按鈕、安全圍欄和力反饋裝置，分別用于切斷電源、檢測到超出安全閾值的力度時觸發(fā)警告并停止動作。

21、在其中一個實施例中，所述輔助教學(xué)子系統(tǒng)還用于對學(xué)生的編程進(jìn)度進(jìn)行跟蹤與報告，實時監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)情況，輔助識別學(xué)習(xí)障礙并提供定制化指導(dǎo)。

22、在其中一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括項目管理模塊，用于實時采集學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展指標(biāo)，根據(jù)所述進(jìn)行指標(biāo)進(jìn)行作業(yè)自動評分，并通過預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化分析；所述項目管理模塊還用于教學(xué)資源管理。

23、一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)方法，所述方法包括：

24、學(xué)生通過頭戴式顯示設(shè)備進(jìn)入虛擬現(xiàn)實編程界面，進(jìn)行編程環(huán)境的個性化設(shè)置；

25、學(xué)生利用模塊化編程工具或圖形化編程界面編寫控制機(jī)器人的程序；

26、通過機(jī)器人控制模塊在仿真環(huán)境中執(zhí)行學(xué)生的編程指令，并收集執(zhí)行數(shù)據(jù)；

27、仿真驗證系統(tǒng)對編程結(jié)果進(jìn)行評估，生成性能分析報告；

28、智能輔助教學(xué)子系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和編寫的程序，生成個性化學(xué)習(xí)建議和學(xué)習(xí)資源；

29、安全防護(hù)機(jī)制實時監(jiān)控所述代碼數(shù)據(jù)的運(yùn)行情況，并在運(yùn)行故障時控制緊急停止運(yùn)行；

30、教學(xué)者利用項目管理方案中的工具進(jìn)行課程規(guī)劃、進(jìn)度跟蹤和質(zhì)量評估。

31、上述基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)及方法，通過設(shè)置顯示虛擬現(xiàn)實編程界面的顯示設(shè)備、機(jī)器人控制模塊、模塊化編程工具、仿真驗證子系統(tǒng)、安全防護(hù)機(jī)制模塊、輔助教學(xué)子系統(tǒng)，學(xué)生可以通過頭戴式顯示設(shè)備進(jìn)入三維的、交互性強(qiáng)的編程學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠直觀地觀察代碼執(zhí)行和機(jī)器人動作的實時反饋，極大提升學(xué)生對編程邏輯的感知和空間認(rèn)知能力；學(xué)生可以在虛擬空間中直觀地操作編程對象，實時觀察代碼執(zhí)行效果，并通過模塊化編程工具以拖拽方式簡化編程學(xué)習(xí)過程；仿真驗證子系統(tǒng)能夠?qū)崟r反饋編程成果，幫助學(xué)生優(yōu)化代碼；教學(xué)輔助和安全防護(hù)機(jī)制確保了學(xué)習(xí)過程的個性化和安全性。

技術(shù)特征：

1.一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：顯示虛擬現(xiàn)實編程界面的顯示設(shè)備，以及與所述顯示設(shè)備無線連接的機(jī)器人控制模塊、模塊化編程工具、仿真驗證子系統(tǒng)、安全防護(hù)機(jī)制模塊、輔助教學(xué)子系統(tǒng)；其中：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，顯示虛擬現(xiàn)實編程界面的顯示設(shè)備為頭戴式顯示設(shè)備，且所述虛擬現(xiàn)實編程界面為3d用戶界面，配備4k分辨率，并采用圖形渲染技術(shù)對顯示的內(nèi)容進(jìn)行處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)器人控制模塊中設(shè)置有相互連接的傳感器、微處理器；所述傳感器用于采集機(jī)器人狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息，并將所述機(jī)器人狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息傳輸至所述微處理器中；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述模塊化編程工具中設(shè)置有預(yù)定義的編程模塊，所述模塊化編程工具根據(jù)學(xué)生發(fā)出的拖拽和組合編程模塊指令對各個所述預(yù)定義的編程模塊進(jìn)行拖拽和組合；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括智能錯誤檢測子系統(tǒng)，所述智能錯誤檢測子系統(tǒng)中集成有靜態(tài)代碼分析工具，自動檢測代碼風(fēng)格和潛在錯誤；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真驗證子系統(tǒng)采用物理仿真引擎，所述仿真驗證子系統(tǒng)用于進(jìn)行環(huán)境配置、傳感器模擬設(shè)置、程序上傳與加載、仿真執(zhí)行、性能監(jiān)控與數(shù)據(jù)記錄、錯誤檢測與診斷、優(yōu)化建議分析、交互式調(diào)試、結(jié)果評估與反饋、教學(xué)跟蹤與報告。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述安全防護(hù)機(jī)制模塊包括軟件權(quán)限控制、硬件裝置，所述軟件權(quán)限控制用于根據(jù)學(xué)生技能和任務(wù)需求分配訪問權(quán)限，并實時追蹤編程指令和機(jī)器人動作；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助教學(xué)子系統(tǒng)還用于對學(xué)生的編程進(jìn)度進(jìn)行跟蹤與報告，實時監(jiān)控學(xué)生學(xué)習(xí)情況，輔助識別學(xué)習(xí)障礙并提供定制化指導(dǎo)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括項目管理模塊，用于實時采集學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展指標(biāo)，根據(jù)所述進(jìn)行指標(biāo)進(jìn)行作業(yè)自動評分，并通過預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化分析；所述項目管理模塊還用于教學(xué)資源管理。

10.一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)方法，其特征在于，所述方法包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于虛擬現(xiàn)實的交互式教育機(jī)器人編程教學(xué)系統(tǒng)及方法。所述系統(tǒng)包括：顯示虛擬現(xiàn)實編程界面的顯示設(shè)備，以及與所述顯示設(shè)備無線連接的機(jī)器人控制模塊、模塊化編程工具、仿真驗證子系統(tǒng)、安全防護(hù)機(jī)制模塊、輔助教學(xué)子系統(tǒng)；學(xué)生可以通過頭戴式顯示設(shè)備進(jìn)入三維的、交互性強(qiáng)的編程學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠直觀地觀察代碼執(zhí)行和機(jī)器人動作的實時反饋，極大提升學(xué)生對編程邏輯的感知和空間認(rèn)知能力；學(xué)生可以在虛擬空間中直觀地操作編程對象，實時觀察代碼執(zhí)行效果，并通過模塊化編程工具以拖拽方式簡化編程學(xué)習(xí)過程；仿真驗證子系統(tǒng)能夠?qū)崟r反饋編程成果，幫助學(xué)生優(yōu)化代碼；教學(xué)輔助和安全防護(hù)機(jī)制確保了學(xué)習(xí)過程的個性化和安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：姚琪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19