技术领域
[0001] 本发明涉及智能教具技术领域，具体涉及一种模块化智能教学用具系统。
相关背景技术
[0002] 目前，随着教学活动中诸如音频、视频等技术手段的不断使用，同时加之教学活动中对教学质量、方式等要求的不断提高，从而一方面造成了当前所使用的传统教学教具难以满足当前教学工作的需要，另一方面当前的教学教育也导致讲师教学活动的工作效率低下，从而严重影响了教学工作的顺利开展和教学质量的提高。
[0003] 现有技术中，智能教具被引入到教学过程中，然而，这些智能教具通常具有一定的复杂性和不确定性，对于中小学生来说难以理解和掌握。因此如何为中小学生提供一种简单、直观的学习辅助工具，帮助他们更好地理解和掌握这些智能教具，是当前教育技术领域面临的一个重要问题。
具体实施方式
[0044] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统和方法的例子。
[0045] 本发明实施例提供一种模块化智能教学用具系统，参照附图1，该实施例的一种模块化智能教学用具系统，包括教具平台和硬件装置，所述教具平台和所述硬件装置配套使用；
[0046] 所述教具平台包括系统场景、硬件库、软件库、结构件库、代码运行区域、编译区域、烧录区域以及三维界面显示区域；
[0047] 所述系统场景，用于采用基于内容的推荐算法根据学生的年龄、学习兴趣为学生推荐可供学习的系统场景；
[0048] 所述硬件库，用于存放硬件模块、型号和硬件的三维模型图；
[0049] 所述软件库，用于存放软件的封装函数；
[0050] 所述结构件库，用于存放所述系统场景所需的连接件、固定件和支撑件；
[0051] 所述代码运行区域，用于在所述硬件库中选取至少一个硬件模块组成教具装置，并自动生成对应系统场景代码，用户只需写入相应的连接接口、判断条件；
[0052] 所述编译区域，用于将用户编写的源代码编译成可执行程序；
[0053] 所述烧录区域，用于将所述可执行程序烧录到硬件中；
[0054] 所述三维界面显示区域，用于显示所述系统场景所有硬件模块的组装过程、运行状态和最终效果。
[0055] 本发明实施例提供的一种模块化智能教学用具系统，包括教具平台和配套使用的硬件装置，通过定制化系统场景可以构建出相应的智能教具装置。在代码运行区域，用户选择具体系统场景硬件库中的各硬件模块，自由组合成智能教具，系统会根据所选的硬件模块生成示例代码，用户在选择相应接口和判断条件后可直接运行；在代码编译区域，用户编写的源代码可以被编译成可执行程序；在烧录区域，用户编译完成后的程序被烧录到Arduino主板中；在三维显示区域，用户可以直观地观察到智能教具系统的组装过程、运行状态及最终效果。所述系统场景为包含硬件库、软件库和结构件库中的某一具体实施案例，该系统场景由硬件库中的若干硬件模块，软件库中的若干软件模块及结构件库中的若干结构件模块组成，该系统场景所生成的设计系统图由所选择的具体硬件模块组成，主要在平台中显示，用户可根据设计系统图用于实际的硬件组装。所述硬件库主要包含一些硬件模块，控制主板包括Arduino和Raspberry Pi，硬件模块分为具体型号和三维模型图。所述软件库包含一些传感器的使用代码，软件库中的代码可以直接在代码区域调用。所述结构件库包含一些连接件、支撑件和固定件等，用于组装和固定不同的硬件模块，这些结构件是可拆卸的，以便用户能够灵活地搭建不同形式的教具模型。
[0056] 在一个实施例中，所述系统场景包括若干硬件模块、软件模块和结构件模块。
[0057] 通过采用上述技术方案，硬件模块可依据该场景的设计系统图以及步骤进行相应安装，整个安装过程不需要了解具体的工作原理。软件模块根据用户所选择的硬件模块自动生成相应示例代码，用户只需要选择接口、以及部分条件即可。结构件模块为.STL形式的三维模型图，用户可根据平台推荐的结构件编号，使用3D打印机进行打印使用。最后根据三维显示界面将硬件模块与结构件模块进行组装，使用自动生成的示例代码，烧录之后即可完成该系统场景教具的制作。本申请中，用户可以使用系统场景中的不同硬件模块组合成不同的场景，进而构造出不同的智能教具系统。
[0058] 在一个实施例中，所述硬件库包含有控制主板类、传感器类、执行器类、电源类、通信类和辅助元件类。
[0059] 通过采用上述技术方案，用户可以根据自己所制作的智能教具的实际需求，灵活选择所需的硬件库中的组件，实现快速搭建智能教具。具体来说，用户可以根据智能教具的具体功能和性能要求，选择相应的控制主板类、传感器类、执行器类、电源类、通信类和辅助元件类等硬件组件，通过简单的组合和配置，即可完成智能教具的制作。
[0060] 在一个实施例中，所述软件库包括若干硬件模块的封装函数，具体包含有传感器类、执行器类、通信类的封装函数。
[0061] 通过采用上述技术方案，用户可以方便地使用传感器、执行器和通信模块，提高智能教具的可操作性和使用体验。由于传感器类、执行器类和通信类的封装函数已经预先定义并封装在软件库中，用户可以直接调用这些函数而无需编写大量的底层代码。
[0062] 在一个实施例中，所述结构件库内所有的结构件均为.STL格式的文件。
[0063] 通过采用上述技术方案，由于结构件库中的各种结构件都已经预先制作和分类，用户可以直接从库中选取所需的结构件，下载.STL格式的文件直接使用，而无需自行设计和制作。
[0064] 在一个实施例中，所述硬件装置为所述教具平台中某一具体的系统场景所需的硬件模块和结构件模块。
[0065] 在一个实施例中，所述编译区域和所述烧录区域，还用于检查代码中出现的常用错误，以方便用户进行修改并上传，所述常见错误包括语法错误。
[0066] 在一个实施例中，所述教具平台设置有管理员/用户登录界面。
[0067] 通过采用上述技术方案，可以得出管理员可通过管理员账号对该平台进行管理，对平台的系统场景进行增加、删除、修改和查看等操作，用户可通过用户账号对该平台进行访问，用户可根据配套硬件装置中的具体硬件模块和结构件模块结合平台的资源进行相关智能教具的组装而无需掌握其相关原理知识。
[0068] 在一个实施例中，所述教具平台采用SQL Server数据库来存储数据。
[0069] 本申请中，系统场景、硬件库、软件库和结构件库均采用SQL Server数据库进行存储数据。通过采用上述技术方案，可以有效地实现数据处理、数据安全、降低开发成本和提高系统可扩展性等目的，为智能教具平台提供更好的技术支撑和服务。
[0070] 在一个实施例中，所述系统场景可根据不同年龄、兴趣的学生设置相应的推荐。
[0071] 通过采用上述技术方案，采用基于内容的推荐算法根据学生的年龄、学习兴趣为学生推荐适合他们的学习案例，可以更好的满足不同学生的需求，提高他们的学习效率。
[0072] 图2是本发明的平台开发界面示意图，平台界面包括系统场景、硬件库、软件库、结构件库、建立新场景、更多(个人账户管理)、代码运行区域、代码编译烧录区域等。用户在使用平台时，可根据按键信息进行相关操作。
[0073] 进一步的，系统场景为平台已经集成好的智能教具案例，用户可以直接访问并使用，具体系统场景功能如图3。
[0074] 进一步的，硬件库、软件库及结构件库为平台根据系统场景所配置的一些硬件模块、软件模块和结构件模块，方便用户直接进行选取。同时，用户也可根据需要对相关库进行补充。
[0075] 进一步的，当用户自己有新的想法或制作有相关教具案例，可以通过建立新场景模块在平台上添加并生成智能教具案例。
[0076] 进一步的，用户可以在代码运行区域编辑代码，通过编译按钮，对编辑的代码语法检查，通过烧录按钮将编译的代码上传至控制主板，两者的运行结果均在代码编译烧录区域进行返回。
[0077] 图3是本发明的系统场景界面示意图，当选定系统场景，会出现可供选择的硬件模块，用户可将硬件模块拖拽至图形化用户界面，系统自动生成设计系统子图、代码和实物组装的过程。用户在配套硬件装置中选取相应的硬件模块，通过结构件进行连接、固定，平台经过编译，将生成的代码烧录到控制主板中，根据实物组装三维显示区域会出现该装置的组装过程、运行状态及最终模拟仿真效果，按照说明组装完成之后，该智能教具便可正常开始工作。
[0078] 进一步的，平台中已有的系统场景配备相应的硬件套件，系统场景为具体的智能教具案例，相应的硬件模块可以结合结构件和平台进行智能教具的组装，整个组装过程相对简单。
[0079] 进一步的，平台中的硬件库，软件库和结构件库是可以进行扩展的且每个模块都具有唯一的标识符。用户可以提交硬件模块的型号和三维模型图对该硬件模块进行补充，同样用户可以提交软件模块的示例代码对软件库进行补充，用户可以添加.STL文件的结构件图用于补充相应的结构件库。
[0080] 进一步的，如图3，当在某一系统场景选择相应的硬件模块后，系统会自动生成该硬件模块的设计系统子图、代码和实物组装过程，用户在使用代码的时候应选定接口，在有判断的情况下，需设定判定条件。
[0081] 本发明所述的一种模块化智能教具平台的工作原理为：用户首先登录进入平台，选择自己的年龄、学习兴趣等因素，平台会根据内容推荐算法为学生推荐有关智能教具的系统场景，一个完整的系统场景包括硬件库中的若干硬件模块、软件库中的若干软件模块和结构件库中的若干结构件模块，用户在选择相应的系统场景时，教具平台会给出该系统场景对应的硬件模块，用户可自行选择硬件模块，教具平台会生成选择模块对应的设计系统子图，用户可以根据该示意图了解系统场景所需的硬件模块。该智能教学用具设计系统拥有配套的硬件装置，用户根据选取的结构件库中的结构件文件，使用3D打印机打印完成之后，依据系统场景界面对应实物组装中的三维显示区域所提供的安装过程进行安装，安装完成用户根据系统生成的示例代码，选择编译，烧录，该智能教具便可正常开始工作。同样，用户在使用的过程中，如果有创新性的想法，也可以将该想法作为一种系统场景提交到该平台之中，方便与他人进行讨论、学习。用户首先查询硬件库、软件库和结构件库中的模块是否满足需求，如果满足可以直接选择各个模块建立场景，并提交设计系统子图，用户可直接下载各个模块的.STL文件，将该文件提交到平台之后，平台会在三维显示区域显示该文件，至此，一个系统场景便构建完成，若设计系统子图包含相应的电路图，则平台的三维界面便能显示该系统场景的运行状态及最终效果。如果不满足可以先对各个库进行补充，补充之后便可按照上述过程进行相应操作。该模块化智能教学用具设计系统通过将复杂的智能教具原理和概念进行分解，并使用可重复使用的模块进行演示，可以帮助学生更好的理解这些原理和概念，同时该平台也提供了更多的实践机会，让学生可以在玩中学，学中思，提高了学习的趣味性和互动性，因此模块化智能教具平台是一种有益的教学辅助工具，有助于提升中小学生学习的质量和效果，具有较高的实用价值。
[0082] 如图4所示，为本发明模块化智能教学用具系统中教具平台的设计方法流程图，具体为：首先查看访问的用户是否为管理员，如果是管理员，则直接进入“建立新的智能教具系统场景”阶段，在建立新场景的过程中，管理员需要查询判断硬件库和软件库中的模块是否能够满足自己的需求，不满足则需要添加相关模块，之后进入结构件库添加相关结构件模块，当全部满足条件后，用户使用相关软件制作教具的实物组装过程及运行状态，最后将整理好的教具添加到平台教具数据库中。当访问用户不是管理员且为新用户时，用户需要根据平台要求提供相关年级、兴趣爱好和接触过的硬件模块等，平台根据用户状态推荐教具案例，当为老用户时，用户可直接查询相关教具案例。用户选中某一教具案例，可以查看该案例的设计系统子图所需的各种硬件模块，根据平台提供模块需求，实际准备相应硬件模块，结合所需结构件(由3D打印机制作)，根据平台三维界面的实物组装教程完成教具组装，平台依据软件模块生成示例代码，用户选取相应接口进行编译和烧录，最后用户可对该智能教具进行测试并使用。
[0083] 本发明提出的模块化智能教学用具系统旨在为中小学生提供一种辅助学习智能教具的方法，帮助他们更好地理解和掌握复杂的智能教具。该系统采用模块化的设计理念，可以根据不同教具的特点进行灵活的调整和扩展，以适应各种学习需求。同时，借助智能技术，该系统可以实现个性化教学和智能化管理，进一步提升教学效果。
[0084] 该模块化智能教学用具系统的设计方法特别针对中小学生的需求，通过教具平台结合具体硬件装置，可以提供更加全面和有针对性的教学辅助功能。教具平台包括各种系统场景和库函数，可以为学生提供全方位学习智能教具的基本方法，该平台还可以根据学生的兴趣爱好提供个性化的智能教具资源推荐与学习指导，帮助学生更好的理解知识，同时平台还可以通过三维界面还原具体智能教具的搭建过程和模拟仿真，通过与实际的硬件模块相结合的方式帮助学生提升实践动手能力。
[0085] 本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
[0086] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0087] 应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
