一种5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统及其工作方法

摘要

本发明属于信息技术的教学应用领域，提供一种5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统及其工作方法，营造出一个5G网络环境下虚拟化、情境化的同步课堂教学系统。本发明面向中小学虚拟教学的需求，设计并构建元件库与组件库，基于组装规则生成粒度不同的虚拟教学套件，开发虚拟教室可视化设计工具，应用脚本描述语言实现基于场景树的虚拟课堂共享和互操作；采用C/S架构搭建虚拟同步课堂教学系统，基于时间戳的一致性排序策略同步虚拟课堂的教学活动；采用直联、广播机制开展多对多、一对多、一对一教学，在虚拟教室前端的电子屏幕上显示教学内容和教学过程数据，使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果。

说明书

技术领域

本发明属于信息技术的教学应用领域，更具体地，涉及一种5G 网络环境下虚拟同步课堂教学系统及其工作方法。

背景技术

同步课堂教学模式被用于缓解城乡教师资源失衡、乡村优质教师稀缺的问题。在移动互联网、智能设备的支持下，优质学校的教师使用网络直播为异地学校的学生上课，将优质师资资源推送到薄弱学校、农村教学点，解决上不齐课、上不好课的问题。随着5G商业化的快速推进，利用5G网络的高带宽、低时延、多并发的特性，同步课堂教学系统可望成为实现区域、城乡、学校之间教师资源共享的可靠途径。在5G云渲染、物联网的支持下，结合高清VR视频、全息成像方式，在同步课堂教学系统中引入虚拟化、情境化、互动化的教学方式，可为学生创设具身高度沉浸感、强烈具身性的虚拟教学情境。虚拟同步课堂教学系统具有快速、简单的生成方式，实时和多样化的教学形态，以及支持师生自主开展一对多、一对一、多对多等教学活动。情境化的虚拟教学环境，有助于提高学习者的专注度和参与感，可为一线学校低密度、分散化的教学提供一种新的教学模式。虚拟同步课堂教学系统有利于推进同步课堂在实际教学中的应用，提高同步课堂的教学效率，拥有广阔的应用前景。

现有同步课堂教学系统主要是从应用于网络直播的会议系统发展而来，存在如下问题：(1)同步课堂中将师生分隔在屏幕两端，学生不仅容易产生孤独感，而且还会严重削弱自我存在感，导致注意力分散，降低学习效率和学习效果。(2)视频直播使用二维画面和语音相结合的信息传输方式，难以营造出一个较高沉浸感的教学环境，师生、生生之间针对复杂问题交流时，无法构建形象化的教学情境，较难激发学习者的学习热情和参与度。(3)现有同步课堂在异地实时教学过程中，在网络带宽无法保证，缺乏答题器等智能设备的支持，主讲教师难以实时了解学习者理解和掌握知识的情况，很难照顾到他们个性化的要求，师生之间难以开展有效的教学互动。上述问题限制当前同步课堂教学系统在实际教学场景中应用效果的提升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统及其工作方法，为同步课堂的快速生成、情境营造和教学互动提供一种新的方式和途径。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的。

本发明提供一种5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统，包括虚拟同步课堂生成模块、虚拟同步课堂教学模块和虚拟同步课堂教学互动模块；

所述虚拟同步课堂生成模块，包括虚拟教学套件生成子模块、虚拟课堂可视化设计子模块、共享和互操作子模块；虚拟同步课堂生成模块设计并构建面向中小学虚拟教学的元件库和组件库，生成粒度不同的虚拟教学套件；支持教师通过虚拟教室可视化设计工具，在主视图区域拖动元件、组件图标，通过元件之间的组件连接和参数设置可确定虚拟课堂的内容和执行次序；采用XML语言描述虚拟课堂设计结果，使用树结构记录可嵌套的父子元素，映射功能函数的参数端口，实现基于场景树的虚拟课堂的共享和互操作；

所述虚拟教学套件生成子模块，设计并构建面向中小学虚拟教学的元件库，提取相同的功能、算法和函数，封装成虚拟组件库；设计虚拟教学场景的组合规则，检验元件之间可组装性、组装次序和几何配准，生成粒度不同的虚拟教学套件；

所述虚拟课堂可视化设计子模块，创建虚拟教室可视化设计工具，教师在主视图区域拖动元件、组件图标，可视化设计虚拟教室的场景、模型、角色等元素，元件之间的组件连接和参数设置可确定虚拟课堂的内容和执行次序；

所述共享和互操作子模块，参考可编程仪器标准，采用XML语言描述虚拟同步课堂，使用树结构记录虚拟课堂中可嵌套的父子元素，映射元件之间复杂的逻辑关系，实现基于场景树的虚拟课堂的脚本文件存储，使用反射机制解析脚本，实现虚拟课堂设计结果的互操作；

所述虚拟同步课堂教学模块，采用C/S架构模式，包括服务端、客户端和管理子模块，在服务端应用RPC框架，采用总、分结构架设同步课堂服务器，利用Protobuf协议实现云—端、端—端之间数据包的传输，使用基于时间戳的一致性排序策略同步虚拟课堂的教学活动；支持教师执行虚拟课堂脚本，在本地生成虚拟教室，师生以虚拟化身进入虚拟课堂，在各客户端之间实现数据、消息、状态等信息同步，应用云锚点技术保持各客户端画面、视场和显示焦点的一致；支持教师创设、切换虚拟课堂，分组开展教学活动，使用并发锁与冲突避免机制处理多用户并发操作；

所述服务端，应用RPC框架，采用总、分结构架设同步课堂服务器，负责处理不同的数据和信息转发；利用Protobuf协议将活动、操作、交互等封装成数据包，实现云—端、端—端之间的传输；采用基于时间戳的一致性排序策略同步控制虚拟课堂的教学活动；

所述客户端，根据解析的虚拟课堂脚本命令，从云端服务器下载教学资源，在本地客户端生成虚拟教室；师生以虚拟化身的形式进入虚拟课堂，与其他师生开展异地远程同步教学；教学过程中实现云—端、端—端之间数据、消息、状态的同步，应用云锚点技术，确保各客户端画面内容、视场角度和显示重点一致；

所述管理子模块，教师根据教学计划，邀请班级同学加入虚拟课堂，依据教学活动的需要分组，并指定组长；退出或切换虚拟课堂时，将解除、清空与当前课堂的绑定关系；使用并发锁与冲突避免机制处理多用户并发操作；

所述虚拟同步课堂教学互动模块，包括教学互动、内容显示和信息浏览子模块，支持师生、生生之间通过文字、语音、视频形式，基于直联、广播机制开展多对多、一对多、一对一教学；通过在虚拟教室中设置电子屏幕，将同步控制器屏幕内容同步显示到电子屏幕上，支持正面观看虚拟化身头部上方的文字或照片信息；使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果，运用画笔渲染算法在同步控制器屏幕上绘制教学过程内容，支持师生查看虚拟课堂中的模型、资源以及化身的信息；

所述教学互动子模块，支持师生、生生之间通过文字、语音、视频形式，开展多对多、一对多、一对一教学；通过直联功能发起、开展一对一教学，并锁定他们的的化身状态；采用广播模式实现参与者之间教学内容的同步，运用特殊方式展示教学过程信息；

所述内容显示子模块，师生可根据控制权限，将同步控制器屏幕上的内容，显示到放置在虚拟教室前部的电子屏幕上，为进入虚拟教室的师生化身头部上方添加文字或照片标识，并能支持正面观看；

所述信息浏览子模块，使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果；应用画笔渲染算法在同步控制器屏幕上绘制教学信息，并在电子屏幕上展示；支持师生选中、查看虚拟课堂中的模型、资源以及化身的信息。

本发明还提供一种上述的5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)虚拟教学套件生成，面向中小学虚拟教学需求，提取相同的功能、元件，构建虚拟教学元件库与组件库；总结、形成虚拟课堂教学场景的组合规则，检验元件之间的可组装性、组装次序和几何配准，生成粒度不同的虚拟教学套件；

(2)可视化设计虚拟课堂，创建虚拟教室可视化设计工具，支持教师在主视图区域拖动元件、组件图标，设计虚拟教室的场景、模型、角色等元素，元件之间的组件连接和参数设置可确定虚拟课堂的内容和执行次序；

(3)虚拟课堂设计结果的共享和互操作，采用XML语言描述虚拟同步课堂设计结果，使用树结构记录虚拟教室中元件之间的父子关系，映射元件之间复杂的逻辑关系，实现基于场景树的虚拟课堂的脚本文件存储，应用反射机制解析脚本，实现虚拟课堂设计结果的互操作；

(4)虚拟同步课堂服务端创建，应用RPC框架，采用总、分结构架设虚拟同步课堂服务器，利用Protobuf协议将活动、操作、交互等封装成数据包，实现云—端、端—端之间的数据传输，采用基于时间戳的一致性排序策略同步控制虚拟课堂的教学活动；

(5)虚拟同步课堂客户端构建，根据解析的虚拟课堂脚本命令，从云端服务器下载教学资源，在本地客户端生成虚拟教室，师生以虚拟化身的形式进入虚拟课堂，与其他师生开展异地远程同步教学；教学过程中实现云—端、端—端之间的数据、消息、状态的同步，应用云锚点技术，确保各客户端画面内容、视场角度和显示重点一致；

(6)同步课堂教学活动管理，支持教师根据教学计划，邀请班级同学将加入虚拟课堂，依据教学活动的需要分组，并指定组长；退出或切换虚拟课堂时，将解除、清空与当前课堂的绑定关系；使用并发锁与冲突避免机制处理多用户并发操作；

(7)教学互动实现，支持师生、生生之间通过直联、广播等模式开展多对多、一对多、一对一教学，交互过程锁定参与者化身的状态，运用特殊方式展示教学过程信息，实现参与者之间教学内容的同步；

(8)显示虚拟课堂教学内容，具有虚拟教室前部电子屏幕控制权限的师生，可将他们的控制器屏幕上的内容同步显示到电子屏幕上，在虚拟师生化身的头部上方添加文字或照片标识，并能支持正面观看；

(9)浏览虚拟课堂，使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果，应用画笔渲染算法在同步控制器屏幕上绘制教学信息，并在电子屏幕上展示，支持师生选中、查看虚拟课堂中的模型、资源以及化身的信息。

本发明的有益效果在于：

构建一个5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统，面向中小学虚拟教学的需求，设计并构建元件库与组件库，基于组装规则生成粒度不同的虚拟教学套件，开发虚拟教室可视化设计工具，支持教师通过拖动图标设计虚拟课堂，应用脚本描述语言实现基于场景树的虚拟课堂共享和互操作；采用C/S架构搭建虚拟同步课堂教学系统，实现云—端、端—端之间数据包的传输，基于时间戳的一致性排序策略同步虚拟课堂的教学活动，应用云锚点技术保持各客户端画面、视场和显示焦点的一致；采用直联、广播机制开展多对多、一对多、一对一教学，在虚拟教室前端的电子屏幕上显示教学内容和教学过程数据，使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果，支持师生查看虚拟课堂中的模型、资源以及化身的信息。本发明围绕虚拟课堂的设计、构建和互动三个方面入手，营造出一个5G网络环境下虚拟化、情境化的同步课堂教学系统。

附图说明

图1是本发明实施例中5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统架构图，采用客户端/服务器架构，主要包括虚拟同步课堂生成模块、教学模块和教学互动模块。

图2是本发明实施例中使用虚拟课堂可视化设计工具设计虚拟课堂的示例图。

图3是本发明实施例中虚拟课堂树形元件结构示例图。

图4是本发明实施例中创建的虚拟同步课堂示例图。

图5是本发明实施例中虚拟同步课堂服务端的流程图。

图6是本发明实施例中虚拟同步课堂数据同步器的处理流程图。

图7是本发明实施例中虚拟同步课堂管理子模块流程图。

图8是本发明实施例中分组实验的课桌和仪器元件示例图。

图9是本发明实施例中参与者操作权限管理示例图。

图10是本发明实施例中虚拟同步课堂的教学互动模块流程图。

图11是本发明实施例中同步控制器屏幕内容同步显示到电子屏幕的示例图。

图12是本发明实施例中查看本地虚拟课堂中教师信息示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实施例提供一种5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统，包括虚拟同步课堂生成模块、虚拟同步课堂教学模块、虚拟同步课堂教学互动模块；

所述虚拟同步课堂生成模块，包括虚拟教学套件生成子模块、虚拟课堂可视化设计子模块、共享和互操作子模块。虚拟教学套件生成子模块针对中小学虚拟教学的需求，设计并构建元件库和组件库，生成粒度不同的虚拟教学套件；虚拟课堂可视化设计子模块创建一个虚拟教室可视化设计工具，支持教师在主视图区域拖动元件、组件图标，设计虚拟课堂中的元素，元件之间的组件连接和参数设置可确定虚拟课堂的内容和执行次序；共享与互操作子模块采用XML语言描述虚拟课堂设计成果，使用树结构记录可嵌套的父子元素，映射复杂的逻辑关系，实现基于场景树的虚拟课堂的共享和互操作。

所述虚拟同步课堂教学模块，采用C/S架构模式，包括服务端、客户端和管理子模块。服务端应用RPC框架，采用总、分结构架设同步课堂服务器，利用Protobuf协议实现云—端、端—端之间数据包的传输，使用基于时间戳的一致性排序策略同步虚拟课堂的教学活动；客户端支持教师执行虚拟课堂脚本，在本地生成虚拟教室，师生以虚拟化身进入虚拟课堂，在各客户端之间实现数据、消息、状态等信息同步，应用云锚点技术保持各客户端画面、视场和显示焦点的一致；管理子模块支持教师创设、切换虚拟课堂，分组开展教学活动，使用并发锁与冲突避免机制处理多用户并发操作。

所述虚拟同步课堂的教学互动模块，包括教学互动子模块、内容显示子模块和信息浏览子模块，工作流程如图10所示。教学互动子模块支持师生、生生之间通过文字、语音、视频形式，基于直联、广播机制开展多对多、一对多、一对一教学；内容显示子模块利用虚拟教室前端的电子屏幕元件，将同步控制器屏幕内容同步显示到电子屏幕上，支持正面观看虚拟化身头部上方的文字或照片信息；信息浏览子模块支持师生查看虚拟课堂中的模型、资源以及化身的信息，运用画笔渲染算法在同步控制器屏幕上绘制教学过程内容，使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果。

本实施例还提供一种上述的5G网络环境下虚拟同步课堂教学系统的工作方法，包括如下步骤：

(1)虚拟同步课堂生成

(1-1)虚拟教学套件生成子模块。分析中小学虚拟教学的需求，设计并构建包含众多类别的元件库；提取相同的功能、算法和函数，封装成虚拟组件库；设计虚拟教学场景的组合规则，检验元件之间可组装性、组装次序和几何配准，生成粒度不同的虚拟教学套件。

(1-1-1)元件库构建。根据基础教育新课标，分析中学物理、化学、生物、地理和小学科学的知识点，整理虚拟教学涉及的师生化身、场景模型、材质纹理、光照特效等元件，按照教室空间布局、师生化身、教学资源等类别的属性，构建包含众多类别的元件库。

(1-1-2)公共组件库生成。分析不同学科虚拟教学的流程，抽取相同的功能、算法和函数，如物理电路实验中布线、拆线、开关打开/关闭、连线正确性检查等功能；通过分类、组合形成具有不同处理功能的公共组件，生成虚拟教学公共组件库，与元件配合使用，实现虚拟课堂创建、教学过程互动、网络数据调用等功能。

(1-1-3)虚拟教学套件的生成。根据虚拟教学流程，设计虚拟课堂教学场景的组合规则，通过调用公共组件库中相关功能，校验、检测虚拟课堂中各元件之间连接、包含、关联、排斥等关系的正确性，判断各元件之间的可组装性、组装次序和几何配准程度，生成粒度不同的虚拟教学套件。如创建初中物理“伏安法测电阻”的虚拟教室，从元件库中提取电流表、电压表、电源、小灯泡、滑动变阻器、单刀开关和导线等元件，调用组件库中的布线、开关开闭等功能，并为各个元件添加输入、输出处理功能，通过检测电池正负极是否连接、元件连接次序、开关与滑动变阻器的设置，形成串并联电路虚拟实验套件。

(1-2)虚拟课堂可视化设计子模块。创建虚拟教室可视化设计工具，教师在主视图区域拖动元件、组件图标，可视化设计虚拟教室的场景、模型、角色等元素，元件之间的组件连接和参数设置可确定虚拟课堂的内容和执行次序。

(1-2-1)虚拟课堂可视化设计工具。创建虚拟课堂可视化设计工具，在元件与组件列表框内使用图标+名称的组合表示每个元素；教师可将元件、组件图标拖动到主视图区，使用组件实现各类元件之间输入、输出的连接。

(1-2-2)虚拟课堂的设计。根据教学活动设计，教师从图标区拖动不同的元件与组件图标到主视图区，使用组件连接各个元件，应用虚拟套件的生成规则，检查各个元件之间的可组装性、组装次序和几何配准，验证虚拟课堂教学场景设计意图的可行性。图2是伏安法测电阻的虚拟课堂设计图，教师从元件列表框中选取教室桌椅、师生化身、实验模型等元件，将元件拖到主视图区，设置元件的数量属性，如6*6个课桌和椅子，再使用组件的绑定功能连接具有绑定关系的课桌、椅子和化身。

(1-2-3)组件功能函数的参数设置。通过为功能函数添加输入、输出参数，如为虚拟教室设置桌椅数量、初始排列、位置姿态、光照强度等参数，实现元件和组件功能的高耦合，采用不同的虚拟教学套件生成规则，构建多种虚拟场景组合形态。

(1-3)共享和互操作子模块。参考可编程仪器标准，采用XML 语言描述虚拟同步课堂，使用树结构记录虚拟课堂中可嵌套的父子元件，映射元件之间复杂的逻辑关系，实现基于场景树的虚拟课堂的脚本文件存储，使用反射机制解析脚本，实现虚拟课堂设计结果的互操作。

(1-3-1)虚拟课堂的存储。参考可编程仪器标准，如下XML语言片段描述图2所示的虚拟同步课堂的根元素及其主要子元素，根元素的名称是，它的3个子元素师生列表、场景布局、课堂状态，分别命名为。使用可嵌套的父、子元素的树结构记录虚拟教室中各元件之间的父子关系；使用 Map数据结构映射复杂的逻辑关系(如连接、相邻、包含等)，运用抽象语法树描述虚拟课堂的功能与执行顺序。

<！ELEMENT virtualclass(character,class,description)>

<！ELEMENT character(#PCDATA)>

<！ELEMENT class(#PCDATA)>

<！ELEMENT description(#PCDATA)>

(1-3-2)虚拟课堂的脚本记录。教师保存虚拟教室的可视化设计成果时，在XML脚本文件中记录师生列表、场景布局、课堂状态及其逻辑关系，例如图2所设计的伏安法测电阻的虚拟课堂中，教室场景包括36个桌椅和默认的讲台；师生总数37人：36个学生、1个教师，并分6排6列；每人各安排一套实验组件；图3表示教室桌椅布设、教师化身和教学器材的组成和作用关系。

以<虚拟课堂>作为根元素，其下包括<教室布设>、<师生化身>、 <教学器材>等子元素，每个元件还拥有<位置>、<方向>、<材质>等属性，例如：{<师生化身>：张老师，学生张三，学生李四}、{<教学器材>：电流表，小灯泡}；而对<电线>元件则包括圆柱体的位置、姿态、缩放等几何属性，以及高亮色材质属性；所有元素之间的逻辑关系可用XML中可嵌套的父子关系来描述，构成树形结构。下面使用Map描述学生座椅绑定课桌的XML语法片段：

(1-3-3)执行虚拟课堂脚本。使用访问者模式遍历XML文件中的各个元素，从语法树结构中抽取设计意图、元件模型和组件函数，依次执行函数匹配、端口映射以及其对应的几何模型、材质纹理、动画特效的动态加载，经过格式、语义和组合规则的验证，如依据电路连接规则，验证电流表、电压表、开关、小灯泡等各元件之间连接线组合关系的正确性；然后执行脚本命令，创建如图4所示的虚拟课堂。

(2)虚拟同步课堂教学

(2-1)同步课堂服务端子模块。按照图5所示流程图，应用RPC 框架，采用总、分结构架设同步课堂服务器，负责处理不同的数据和信息转发；利用Protobuf协议将活动、操作、交互等封装成数据包，实现云—端、端—端之间的传输；采用基于时间戳的一致性排序策略同步控制虚拟课堂的教学活动。

(2-1-1)总分服务器架构搭建。应用RPC框架，在C/S架构的基础上采用分布式设计方式，将虚拟课堂的模型、素材、资源等内容分发与交互信息的处理等服务抽离出来，交由分服务器负责，总服务器仅负责师生登录和信息维护，并管理分服务器。

(2-1-2)数据传输设计。利用Protobuf协议高压缩、序列化的特征，将逻辑数据封装成数据包，例如，化身移动位置信息可表示为： {Name:"张老师"}；{Position:{X:28.335；Y:35.891；Z:1.235}}； {Scale:{X:0.8；Y:0.8；Y:0.8}}；{Rotation:{X:95；Y:0；Z:0}}；化身观察角度信息可表示为：{Name:"张老师"}；{Rotation:{X:90；Y:0；Z:45}}；化身与虚拟场景中对象的绑定关系表示为：{Name:"张老师"}bind{Name:" 讲台"}。使用通信模块实现师生终端与云端服务器之间活动、操作、交互等数据的接收、分发，实时更新虚拟课堂中师生化身的位置移动、观察角度，与其它对象的绑定关系等。

(2-1-3)虚拟课堂教学场景的同步。在云、端分别建立数据同步器，如图6所示，在客户端将时间戳字段绑定到更新的数据串中，然后发送给云端服务器；若因网络延迟或新成员加入导致不同终端虚拟场景画面或交互状态的不一致时，数据同步器接收、识别数据串，根据传输数据包中的时间戳信息，基于时间戳一致性排序策略执行虚拟课堂的操作；若发生冲突，由服务器端协调形成解决方案，并将执行指令发送给各客户端。

(2-2)同步课堂客户端子模块。根据解析的虚拟课堂脚本命令，从云端服务器下载教学资源，在本地客户端生成虚拟教室；师生以虚拟化身的形式进入虚拟课堂，与其他师生开展异地远程同步教学；教学过程中实现云—端、端—端之间数据、消息、状态的同步，应用云锚点技术，确保各客户端画面内容、视场角度和显示重点一致。

(2-2-1)虚拟教室的生成。根据解析的虚拟课堂脚本命令，从云端服务器下载相应的师生化身、场景模型、教学资源等，在本地客户端重建虚拟教室，完成虚拟场景、模型、师生化身等的布设和重建，以及状态、消息、行为等同步。

(2-2-2)虚拟课堂的创建。根据课程表和上课学生名单，教师使用消息推送功能通知学生加入教学活动，师生通过本地客户端进入虚拟课堂，以虚拟化身的形式进入到其他参与者的虚拟教室中，开展异地远程同步虚拟教学。

(2-2-3)虚拟教学活动的开展。采用固定或随机方式，分配教学活动中师生虚拟化身的位置、视角、物品等；应用云锚点技术，记录虚拟教室中墙壁、桌椅、讲台等对象的位置、旋转、缩放、层级等内容，通过与云端服务器的通信，同步各客户端之间的数据、消息和状态，确保各客户端画面内容、视场角度和显示重点一致。

(2-3)同步课堂管理子模块。图7展示同步课堂管理子模块的互动过程，教师可根据教学计划，邀请班级同学加入虚拟课堂，依据教学活动的需要分组，并指定组长；退出或切换虚拟课堂时，将解除、清空与当前课堂的绑定关系；使用并发锁与冲突避免机制处理多用户并发操作。

(2-3-1)师生用户管理。通过注册、批量导入学校或班级的花名册信息到师生用户表中，创建不同类别的师生访问权限；教师可根据教学计划将学生分组，图8展示了一组6人的实验桌、椅子、实验元件等形态，并指定组长协助教师开展教学活动，通过网络侦测技术，监听虚拟课堂中师生的在/离线状态。

(2-3-2)教学活动管理。支持教师基于课表创建不同的虚拟课堂，根据课堂选课人员信息，使用消息推送功能邀请相关学生加入到虚拟课堂的教学活动中；师生退出或切换虚拟课堂时，解除与当前虚拟课堂的绑定关系，清空虚拟教室中的化身。

(2-3-3)权限管理。根据超级管理员、管理员、教师、学生的角色，授予其在虚拟同步课堂教学系统的权限；师生在虚拟教学活动中执行创建、编辑、删除等操作时，如图9所示，将这些操作信息加入到处理队列中，根据各参与者的权限，使用并发锁与冲突避免机制处理并发操作。

(3)虚拟同步课堂的教学互动

(3-1)教学互动子模块。支持师生、生生之间通过文字、语音、视频形式，开展多对多、一对多、一对一教学；通过直联功能发起、开展一对一教学，并锁定他们的化身状态；采用广播模式实现参与者之间教学内容的同步，运用特殊方式展示教学过程信息。

(3-1-1)教学互动机制。在虚拟同步课堂教学活动中，支持师生、生生之间通过文字、语音、视频等形式，开展多对多、一对多、一对一等教学；支持采用声音、特效、震动等反馈形式为教师讲解、提问，学生举手、发言等互动点赞与鼓掌。

(3-1-2)一对一教学。虚拟课堂中，师生或生生之间通过点击虚拟化身或成员列表发起一对一直联请求，接受后，通过文字、语音、视频等互动形式开展一对一讲解、提问、答疑等教学活动；此时将他们的虚拟化身标注为锁定状态，不再参与教学活动中其它互动。

(3-1-3)一对多教学。开展大班或分组教学过程中，可采用广播模式实现虚拟课堂中各参与者之间消息、文本、语音、视频等教学内容的同步，运用透明叠加、高亮显示、特殊颜色等方式展示教学过程信息。

(3-2)内容显示子模块。师生可根据控制权限，将同步控制器屏幕上的内容显示到放置在虚拟教室前部的电子屏幕上，为进入虚拟教室的师生化身头部上方添加文字或照片标识，并能支持正面观看。

(3-2-1)显示教学内容。采用动态纹理技术将教学内容(如ppt 页面)显示到放置在虚拟教室前端的电子屏幕上，效果如图11所示；通过透明图层的方式将教师的板书与批注、学生的评论和回答等教学过程信息叠加显示在电子屏幕的教学内容上。

(3-2-2)配置同步控制器。为进入虚拟课堂的师生化身配置同步控制器，同步控制器屏幕可显示教学内容或教学过程信息，教学过程中可以在同步控制器屏幕上书写、绘制教学重难点的讲解信息，并将这些信息同步显示到电子屏幕上。

(3-2-3)标注虚拟化身信息。在本地虚拟教室中，其他参与者虚拟化身的头部上方，使用Billboard平面创建标识，可添加姓名、性别、班级等文字或图片信息，根据观察者与虚拟化身的位置、视线方向，绕Z轴旋转，确保其正面朝向观察者，图12展示了查看虚拟教室中教师化身的相关信息。

(3-3)信息浏览子模块。使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果，运用画笔渲染算法在同步控制器屏幕上绘制教学信息，并在电子屏幕上展示；支持师生选中、查看虚拟课堂中的模型、资源以及化身的信息。

(3-3-1)更新教学互动。在虚拟课堂中，师生、生生之间通过虚拟化身开展教学活动，采用移动、缩放、点击等方式与虚拟教室中模型、场景、资源互动，使用云增量技术在云—端、端—端同步更新交互操作结果。

Ⅰ.在客户端部署本地数据库，分别构建模型、场景、化身的交互信息表；

Ⅱ.将登录、退出、创建、删除、修改等操作信息，移动、缩放、点击等交互信息，参与者之间的消息等分别存储在对应表中，将这些记录添加时间戳后上传至云端服务器；

Ⅲ.上传成功后云服务器端返回最新的版本号给客户端，判断对象是否处于锁定状态，验证其更新的有效性；

Ⅳ.采用上述增量传输技术同步虚拟课堂中操作、交互和消息等信息。

(3-3-2)呈现教学过程信息。通过追踪参与者的动作，采用实时绘图的画笔渲染算法，在同步控制器屏幕上绘制批注、标示等过程信息；当前拥有电子屏幕控制权限的师生，可将教学过程信息叠加显示在电子屏幕的对应教学内容上。

(3-3-3)查看虚拟环境信息。教学过程中，师生通过手势、视线、语音等交互方式，选中本地虚拟课堂中的模型、化身、资源等对象，浏览教学过程信息，查看其他师生虚拟化身附带的信息，如头部上方显示的文字或图片信息。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。