EP4658384A1 - Lernsystemset und lernverfahren - Google Patents

Lernsystemset und lernverfahren

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Publication number
EP4658384A1
EP4658384A1 EP25720511.2A EP25720511A EP4658384A1 EP 4658384 A1 EP4658384 A1 EP 4658384A1 EP 25720511 A EP25720511 A EP 25720511A EP 4658384 A1 EP4658384 A1 EP 4658384A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dice
tray
image
user
box
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25720511.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Elisha Benner
Justyna Zubrycka
Andreas Häring
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
A2zebra GmbH
Original Assignee
A2zebra GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Application filed by A2zebra GmbH filed Critical A2zebra GmbH
Publication of EP4658384A1 publication Critical patent/EP4658384A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A63F—CARD, BOARD, OR ROULETTE GAMES; INDOOR GAMES USING SMALL MOVING PLAYING BODIES; VIDEO GAMES; GAMES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • A63F9/04—Dice; Dice-boxes; Mechanical dice-throwing devices
    • A63F9/0468—Electronic dice; electronic dice simulators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63F—CARD, BOARD, OR ROULETTE GAMES; INDOOR GAMES USING SMALL MOVING PLAYING BODIES; VIDEO GAMES; GAMES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • A63F9/00—Games not otherwise provided for
    • A63F9/04—Dice; Dice-boxes; Mechanical dice-throwing devices
    • A63F9/0406—Dice-throwing devices, e.g. dice cups
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/02—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for mathematics
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    • A63F2009/0411—Dice cups
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    • A63F2009/2401—Detail of input, input devices
    • A63F2009/243—Detail of input, input devices with other kinds of input
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    • A63F2009/2483—Other characteristics
    • A63F2009/2485—Other characteristics using a general-purpose personal computer

Definitions

  • the invention relates to a learning system set and a learning method for learning and practicing mathematical skills that can be implemented with the learning system set. It is particularly suitable for preschool and elementary school children to learn and practice arithmetic in a playful way.
  • the object of the invention is to provide a learning system set and a learning method using dice, which make it possible to facilitate the learning and training of mathematical skills through a combination of analogue technology including the dice and digital technology.
  • the learning system set comprises a dice box and one or more dice to be placed in the dice box.
  • the learning system set is designed for rolling dice by manually shaking the dice box—performed by a human user—with the dice(s) placed in the dice chamber.
  • the dice(s) each have the shape of a conventional standard dice, i.e., they are each formed in the shape of a regular hexahedron. Each dice has six faces, with a dice image depicted on each face.
  • the classic dice images ⁇ , ⁇ , ⁇ , 0, 0, and 0 are preferably arranged on the dice faces in a known manner.
  • the dice image 0 is replaced by a blank dice image ⁇ , since the number "6" is still too challenging for some children.
  • the dice images can also have other markings instead of the classic dice images, for example, numbers, dots, letters, colors, or geometric shapes. All dice are preferably the same size. In a particularly preferred embodiment, the dice have dimensions of 16 x 16 mm.
  • each dice face can be uniquely assigned to the face on the opposite side of the respective dice. This means that if the face on a specific die is known, the face on the opposite side of that dice can be uniquely determined or assigned. This is always the case with dice with the classic dice faces and the classic dice face arrangement.
  • the dice box comprises a dice cup comprising a cup body to which a preferably hinged lid is attached for opening and closing the dice cup or dice box. Furthermore, the dice box comprises a dice tray that can be inserted into the cup body of the dice cup—preferably a removable one—and which in turn has a tray base with a top and a bottom.
  • At least one sorting element is attached to the bottom of the dice tray, dividing the tray into several compartments for holding and positioning the dice.
  • Each compartment is sized to hold or fit exactly one dice.
  • the number of compartments is always greater than, but preferably equal to, the number of dice in the learning system set.
  • the space within the dice box between the closed lid of the dice box and the dice tray forms the so-called dice chamber, within which the dice are shaken when the dice box is used as intended - for rolling.
  • the dice chamber is designed so that the dice can move freely throughout the entire dice chamber while the lid is closed.
  • One or more impact bars extending partially into the dice chamber can be attached to the lid to randomize the dice movement within the dice chamber.
  • These dice faces visible to the user of the learning system set and located on the top sides, are referred to as visual dice faces. This means that when the dice are at rest after rolling the dice, the dice faces on the top sides of the dice lying individually in the dice compartments on the bottom of the dice tray are visually perceivable by the user as visual dice faces when the lid is open.
  • the space within the cup body separated from the cube chamber by the cube tray is called the cup chamber.
  • the separation between the cube chamber and the cup chamber is essentially formed by the base of the cube tray.
  • the cube box further comprises a camera, a data transmission unit, an electrical energy supply and storage unit, and a microcontroller for controlling the camera and the data transmission unit.
  • the camera is arranged in the cup chamber, directed toward the cup bottom, so that it can capture an image of the underside of the cup bottom.
  • the camera is positioned at a defined distance and with a defined orientation to the cup bottom.
  • the camera's detection angle is preferably in the range of 110° to 170°, particularly preferably 120°, 140°, or 160°.
  • the data transmission unit, the electrical energy supply and storage unit, and the microcontroller are usually also located in the cup chamber.
  • the bottom of the cube shell is translucent, i.e., partially transparent.
  • the remaining parts of the cube shell for example the shell walls, can also be translucent.
  • the camera directed at the underside of the translucent shell bottom is designed to capture the image of the underside of the translucent shell bottom in the form of image data that represent the cube images of the cubes contacting the top side of the translucent shell bottom. to record the dice faces of the dice and their position on the bottom of the bowl.
  • the material of the bowl base is selected in terms of translucency or light transmittance - for example, by selecting a frosted glass-like material - or its surface is designed in such a way - for example, by structuring or roughening the bowl base surface - that the camera can capture the dice images of the dice faces resting on the bowl base with sufficient contrast for recognition.
  • Objects located above it i.e., in the space above the bowl base, are optically filtered out or masked out by the translucent bowl base, i.e., they can no longer be captured clearly by the camera.
  • the bowl base is therefore designed or constructed in such a way that only objects resting directly on it are recognized. This can be achieved, for example, by using a matte bowl base surface, which minimizes unwanted reflections and light scattering.
  • the data transmission unit is configured to wirelessly or wiredly transmit at least the captured image data of the underside of the translucent tray base to a data processing device, which may be part of the learning system set.
  • the data transmission unit is also typically configured to exchange additional data, such as control signals or position data of the cube box, with the data processing device.
  • the preferably wireless communication via the data transmission unit between the cube box and the data transmission device takes place, for example, via a wireless local area network (WLAN), via Bluetooth, or via near-field communication (NFC).
  • WLAN wireless local area network
  • NFC near-field communication
  • the learning system set may further comprise the data processing device that can be connected wirelessly or wired to the data transmission unit, as well as a software application installed on the data processing device.
  • the software application is configured to use image recognition to generate the dice image of the dice resting on the bottom of the tray from the image data of the underside of the translucent tray captured by the camera. To recognize the dice face and to determine the dice face opposite the dice face of the recognized dice face on the respective dice as the identification dice face of the respective dice.
  • the data processing device is preferably a mobile device, such as a tablet or smartphone, but can also be a conventional computer (PC).
  • the data processing device or software application is designed or configured specifically for visualizing the learning process, for image analysis, for recording learning progress, and for data synchronization with a backend.
  • the microcontroller which is used to control the camera and the data transmission unit, can also be designed to process the image data captured by the camera in preparation for image recognition of the cube images.
  • the data processing device and the software application installed thereon can further be configured to compare a user-generated dice value entered by the user on the data processing device and a dice value software-generated by the software application, and to indicate to the user the agreement or disagreement between the user-generated dice value and the software-generated dice value in the form of a feedback signal.
  • the user-generated dice value is generated by the user according to predefined generation rules based on the visual dice images visually captured by the user.
  • the software-generated dice value is generated accordingly by the software application based on the identification dice images, using the same generation rules used by the user.
  • the generation rule is usually a mathematical operation, for example, addition.
  • the calculation of the dice value usually includes, as an intermediate step, the assignment of a dice face value to the dice face.
  • the dice faces are ⁇ , ⁇ , ⁇ , > , 0, and 0, and the assigned dice face value is the respective number, i.e., 1, 2, 3, 4, 5, and 6.
  • the data transmission unit sends the image data captured by the camera to the data processing device, where it is further processed using the software application.
  • the software application is specifically designed to use the captured image data to determine the dice image or dice value (e.g., the number of dots) that the user sees after opening the lid, i.e., the visible dice image or its dice value.
  • the software application preferably includes an artificial neural network trained using a machine learning process to recognize the dice images.
  • the number of dots on the identification dice image can be most easily determined by subtracting the number of dots on the dice face resting on the bottom of the tray, identified via the camera and software application, from "7.”
  • the learning process for learning and training mathematical skills which is carried out by the human user by means of the described learning system set, which includes the dice box, the dice(s), the data processing device and the software application installed on the data processing device, comprises the process steps listed below.
  • the user places the dice or dice into the dice tray of the dice box and closes the lid of the dice box.
  • the user then manually shakes the closed dice box containing the dice in the dice chamber.
  • the dice box is then placed down, preferably on a flat surface, and the lid of the dice box is opened.
  • the user now visually perceives the visible dice images of the dice in the dice tray.
  • the microcontroller can activate automatic image capture and recognition simply by setting it down. After this activation, the camera captures the image of the underside of the translucent bowl base in the form of image data, which is then transmitted from the camera to the data processing device via the data transmission unit.
  • the identification dice images of the game dice are determined from the transmitted image data. Based on the identification dice images, the software application calculates the software-generated dice value according to a predefined formation rule.
  • the user creates the user-generated dice value based on the dice images he has visually captured according to the specified formation rule, i.e. the same formation rule that is used in the software application, which is then entered by the user on the data processing device.
  • the specified formation rule i.e. the same formation rule that is used in the software application
  • the software application then automatically compares the user-generated dice value with the software-generated dice value and provides the user with a matching result in the form of a feedback signal. If there is a match, i.e., the match result is positive, the feedback signal is output, for example, "correct.” If, however, there is no match, i.e., the match result is negative, the feedback signal is output, for example, "false.”
  • the user- and software-generated dice value can, for example, be the sum of the dice face values, i.e., the sum of the dot numbers, the visual dice faces, or the identification dice faces.
  • the feedback signal indicates whether the dice faces were correctly recognized and correctly added. In this way, the recognition and addition of numbers can be learned and practiced in a playful way.
  • the learning system set and the learning method support the playful learning of mathematical skills using all the senses through the described combination of analogue and digital technology. This promotes learning motivation. With the help of the learning system set and the learning method, children can Preschool and primary school children learn and practice mathematical skills in a playful, tactile and yet systematic way.
  • the cube shell is preferably made of a translucent, i.e., partially translucent or semi-transparent, plastic with a texture to blur objects not directly resting on the top of the shell base for the camera located beneath the shell base. This also prevents, among other things, personal images of the user from being taken while looking into the cube box. Furthermore, pre-filtering the captured image data simplifies image analysis within the software application, i.e., in particular, machine learning routines.
  • the learning system set comprises a dice box with four dice compartments in the dice tray and preferably four dice.
  • the dice compartments are arranged in four quadrants, with the top of the tray base being divided into four separate dice compartments by the sorting element.
  • the quadrant arrangement of the dice compartments enables precise assignment and recognition of the dice. Since each dice compartment can only hold one dice, the software application can assign the respective dice to the dice compartments or quadrants based on the captured image data of the underside of the tray base and analyze each dice separately with regard to the dice image.
  • the camera captures high-resolution images of the underside of the translucent (matte) tray base, on which the dice are arranged in the four-quadrant dice compartments.
  • the software application divides the captured image into the four quadrants and evaluates them, for example, using the machine learning method, i.e., using the trained artificial neural network. This enables precise and fast recognition of the dice images.
  • the bottom of the bowl - especially when the dice compartments are designed in the four-quadrant arrangement - slopes towards the sides, ie from the centre of the dice bowl to the edges, preferably with an inclination of 5° - 10° (relative to the horizontal when the dice cup is vertical).
  • the sorting element can, for example, be a central pin with four ribs or fins. The pin is attached to the bottom of the dice tray in the center; the ribs of the sorting element divide the dice tray into four identical dice compartments, which are arranged in fourfold rotational symmetry around the pin of the sorting element. The sorting element helps the dice find their place in the respective dice compartment.
  • the cube box can contain additional components, which are preferably arranged within the cup chamber, for example, a position sensor and/or a playback unit for generating optical, acoustic, and/or haptic feedback signals that are output to the cube box.
  • Optical feedback signals can be generated, for example, using integrated lighting devices, such as light-emitting diodes; a loudspeaker can be built into the cube box to output acoustic feedback signals; haptic feedback signals can be generated using a vibration unit, such as a vibration motor.
  • the playback unit serves to provide feedback on the success of the learning process as an alternative to the display on the data processing device.
  • the position sensor can be configured—in conjunction with and in cooperation with the microcontroller and/or the data transmission unit—to switch the dice box on through movement, to define the start and end of a dice rolling process, and/or to stream position data to the data processing device.
  • the position sensor connected to the microcontroller can, for example, be configured for time-resolved acquisition of position data of the dice box.
  • the microcontroller is configured to determine the start and end of a dice rolling process based on the time-resolved position data acquired by the position sensor. After the dice rolling process has ended, the microcontroller activates image capture by the camera and the data transmission of the image data by the data transmission unit.
  • the learning system can further comprise a wireless charging unit coupled to the electrical power supply and storage unit integrated into the cube box for charging the cube box.
  • the cube box preferably has neither a power socket nor a switch.
  • a metal ring for example, can be integrated into the cube cup as part of the wireless charging unit.
  • the other part of the charging unit is a charging pad, for example, with integrated magnets, on which the cube box is placed for charging.
  • Fig. 1 the opened cube box in perspective view
  • Fig. 2 the closed cube box in perspective view
  • Fig. 3 the disassembled cube box in side view
  • Fig. 4 the opened cube box in perspective view
  • Fig. 5 the opened dice box without cup cover in perspective view
  • Fig. 6 the dice box with dice in longitudinal section
  • Fig. 7 the dice bowl in perspective view
  • Fig. 8 the dice tray, filled with four dice, in top view
  • Fig. 9 the lid of the dice box in perspective inside view
  • Fig. 10 a version of the dice in perspective view
  • Fig. 11 the learning system and its functionality in perspective view.
  • the dice box according to the embodiment shown in Fig. 1 comprises the dice cup 1, into whose cup body 1.1 the dice tray 2 is inserted.
  • the dome-shaped lid 1.2 of the dice cup 1 is hingedly attached to the cup body 1.1 for opening and closing.
  • the cup body 1.1 is covered with the cup cover 9 for protection and better handling.
  • the dice cup 1 stands on a flat, horizontally aligned surface.
  • the cup body 1.1 has a substantially rotationally symmetrical barrel shape. with a circular cross-sectional geometry.
  • the rotation axis of the cup body 1.1 is aligned vertically in Fig. 1.
  • the cube tray 2 has a translucent tray base 2.1, on which four identical cube compartments 5 are formed symmetrically around the rotation axis of the cup body 1.1 or around the central sorting element 2.2 arranged at this position, i.e., the cube compartments 5 are arranged with fourfold rotational symmetry around the pin of the central sorting element 2.2 (four-quadrant arrangement).
  • the sorting element 2.2 has a corresponding, fourfold rotational symmetrical design with the central, vertically aligned pin and four sorting ribs extending from it and sloping outwards.
  • the tray base 2.1 slopes slightly from the central position to the sides (in the embodiment according to Fig. 1 at an angle of 7° to the horizontal).
  • Fig. 2 shows the cube box according to the design of Fig. 1 with the lid 1 .2 closed.
  • the illustration of the disassembled dice box according to Fig. 3 shows the separate cup cover 9 (top), the lid 1.2 detached from the cup body 1.1 (center), and the cup body 1.1 (bottom).
  • the elements located inside the cup body 1.1 are shown with dashed lines.
  • the dice tray 2 inserted into the cup body 1.1 closes the underlying, internal space of the dice cup 1; this internal, closed space of the dice cup 1 is the cup chamber 7.
  • Located in the cup chamber 7 is the camera 8, which is directed towards the underside of the translucent, i.e., partially light-permeable, tray base 2.1 for image capture.
  • the material of the tray base 2.1 is selected, or its surface is designed, so that the camera 8 can capture the dice images of the dice faces of the dice 3 resting on the tray base 2.1 with sufficient contrast for their recognition.
  • Objects located above the support plane of the dice 3 on the tray base 2.1 are optically filtered out by the tray base 2.1, meaning they can no longer be captured sharply by the camera 8.
  • Fig. 4 and Fig. 5 show - similar to Fig. 1 - the dice box in the opened state, whereby Fig. 4 shows the dice box with the cup cover 9 and Fig. 5 shows the dice box without the same.
  • Fig. 6 is a longitudinal sectional view of the dice box with two dice 3 visible in the dice tray 2.
  • the dice 3 are located in the dice chamber 6, i.e., the space within the dice box defined by the dice tray 2 and the closed lid 1.2. When the dice box is shaken, the dice 3 move within the dice chamber 6.
  • Fig. 6 illustrates the arrangement of the camera 8 within the cup chamber 7; the field of view of the camera 8 is directed toward the tray bottom 2.1 of the dice tray 2.
  • Fig. 6 also clearly shows the bevel of the tray bottom 2.1—from the center to the edges.
  • Fig. 7 illustrates the formation of the four dice compartments 5 within the dice tray 2 by the sorting element 2.2 attached to the tray bottom 2.1.
  • Fig. 8 shows the dice tray 2 filled with four dice 3; the dice faces on the top, visible in Fig. 8, are the visible dice faces of the dice.
  • the lid 1.2 shown in Fig. 9 has four impact ribs 1.2.1 that support the uneven movement or uneven fall of the dice 3 when the dice box is shaken.
  • the dice 3 collide with the impact ribs 1.2.1 and are thereby deflected. This reduces the probability that the dice 3 will fall into the same or a similar position again into the dice compartments 5 with only slight or even shaking of the dice box, i.e., the dice movement is randomized.
  • the version of the dice 3 shown in Fig. 10 has the conventional arrangement of the dice faces of a standard dice, ie the dice face 0 (number of eyes “5”) is opposite the dice face > (number of eyes “2”) and the dice face 0 (number of eyes “3”) is opposite the dice face 0 (number of eyes “4”).
  • the dice face EI number "6”
  • the dice 3 shown in Fig. 7 has an empty dice face with the dice face ⁇ , with the empty dice face opposite the dice face > (number "1").
  • the dice face ⁇ is assigned the number "0".
  • Fig. 11 shows the learning system set, which includes the dice box, one of the dice 3, and the data processing device 4 (here a tablet).
  • the dice 3 lies in the dice tray 2 in one of the dice compartments 5 (not shown here).
  • the camera 8 photographically captures the image of the underside of the tray base 2.1 in the form of image data.
  • the captured image data of the tray base 2.1 are wirelessly sent to the data processing device 4.
  • the software application installed on the data processing device 4 analyzes the image data of the underside of the tray base 2.1, i.e., the dice image of the dice 3 visible on the underside of the tray base 2.1 is determined. Furthermore, the software application now calculates the dice image opposite the dice 3 based on the captured image data of the
  • the identification dice image of the game dice 3 is determined - according to the process described above - by detecting the underside of the tray base 2.1 of the dice tray 2, subsequent wireless transmission of the image data to the data processing device 4 (preferably via Bluetooth Low Energy) and the subsequent evaluation of the image data using the software application installed on the data processing device 4.
  • the visual dice image EI i.e., on the underside of the tray base 2.1 of the
  • Image data containing the dice image > is captured in dice tray 2.
  • the dice image > extracted from the image data is again determined into the identification dice image I corresponding to the visual dice image, ie,
  • the visual dice image in the form of the identification dice image or its number of dots, "5,” is now known in the software application.
  • the user 10 who sees the visual dice image of the game die 3 lying in the dice tray 2, can select between the number of dots "0,”"1,""2,””3,””4,” or "5" on the data processing device 4, i.e., press the corresponding button.
  • the software application compares the number of dots selected by the user 10 with the number of dots of the identification dice image determined by the image capture and gives the user 10 a feedback signal indicating whether the selection was correct or incorrect.
  • the learning system set is used with four dice, where the dice value is the sum of the dots on all four dice.
  • the software application compares the software-generated dice value (i.e., the software-generated sum) with the user-generated dice value (i.e., the user-generated sum).
  • the user receives feedback indicating whether they have correctly identified and added the dice images. In this way, addition can be learned and practiced in a playful way.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lernsystemset sowie ein mit dem Lernsystemset durchführbares Lernverfahren zum Erlernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten. Das Lernsystemset umfasst eine mit Spielwürfeln (3) füllbare Würfelbox, die mit einem Datenverarbeitungsgerät (4) und einer darauf installierten Softwareapplikation interagieren kann, um nach einem Würfelvorgang einen Vergleich eines anwendergenerierten Würfelwerts mit einem softwaregenerierten Würfelwert vorzunehmen. Das Lernsystemset und das Lernverfahren eignen sich insbesondere für Vor- und Grundschulkinder, um spielerisch mathematische Fähigkeiten zu lernen und zu üben.

Description

Lernsystemset und Lernverfahren
Die Erfindung betrifft ein Lernsystemset sowie ein mit dem Lernsystemset durchführbares Lernverfahren zum Erlernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten. Es eignet sich insbesondere für Vor- und Grundschulkinder, um spielerisch Rechnen zu lernen und zu üben.
Traditionelle Lernformen werden von Kindern zuweilen als anstrengend empfunden und daher regelmäßig mit nur begrenztem Energieeinsatz verfolgt. Spielerische Tätigkeiten dagegen können - sofern Unterhaltung und Spaß im Vordergrund stehen - von Kindern mit überraschender Ausdauer ausgeübt werden. Es ist daher geläufig, das Erlernen und Trainieren von üblicherweise klassisch in Grund- oder Vorschule vermittelten Lerninhalten durch spielerische Elemente aufzulockern. Dieses Konzept der Verbindung von Bildung und Unterhaltung ist unter dem Schlagwort „Edutainment“ bekannt und findet selbstredend auch außerhalb der schulischen Ausbildung Anwendung. Ziel des Edutainments ist es stets, die Lernmotivation zu steigern und das Lernen effizienter und erfolgreicher zu gestalten. Motivationssteigemd wird von vielen Kindern in diesem Zusammenhang insbesondere die Interaktion mit technischen Geräten, vor allem mit Computern, Mobilgeräten oder Multimediageräten, empfunden. Edutainment kann außerdem genutzt werden, um den Fokus auf bestimmte Lerninhalte zu lenken.
Zu den im Rahmen der traditionellen Lernformen als anstrengend geltenden Lerninhalten zählen auch mathematische Fähigkeiten. Diese werden in gewissem Umfang seit jeher spielerisch erlernt. So sind zum Beispiel Spielwürfel Bestandteil einer Vielzahl von Brettspielen, in deren Rahmen Kinder - durch die Verwendung der Spielwürfel - Zahlen und Zählen erlernen. Werden mehrere Spielwürfel verwendet, sind darüber hinaus regelmäßig Additionsaufgaben zu lösen.
Um Elemente aus klassischen Spielen, wie das Würfeln mit Spielwürfeln bei einem Würfelspiel, in eine technische Umgebung zu integrieren, wurden, zum Beispiel für den automatisierten Spielbetrieb in Spielcasinos, eine Vielzahl von Spielautomaten entwickelt. So sind zum Beispiel mit klassischen Spielwürfeln arbeitende Würfelautomaten bekannt, die automatisch Würfeln und ggf. auch das Würfelergebnis ermitteln können. Bekannt sind solche Würfelautomaten unter anderem aus EP 0 615 775 A2, DE 20 2006 003 804 U1 , US 2007/0060301 A1 , US 2011/0111833 A1 oder DE 10 2021 118 401 A1. Diese Würfelautomaten sind regelmäßig für das Unterhaltungsspiel oder die Unterstützung eines Unterhaltsspiels konzipiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit Spielwürfeln arbeitendes Lernsystemset und ein Lernverfahren bereitzustellen, die es durch eine Kombination aus analoger, die Spielwürfel umfassender Technologie und digitaler Technologie ermöglichen, das Lernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird durch ein Lernsystemset zum Erlernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch ein Lernverfahren nach Anspruch 10 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen des Lernsystemsets sind in den Ansprüchen 2 bis 9 aufgeführt.
Nach Maßgabe der Erfindung umfasst das Lernsystemset eine Würfelbox sowie einen oder mehrere in die Würfelbox einzulegende Spielwürfel. Das Lernsystemset ist zum Würfeln durch manuelles Schütteln der Würfelbox - ausgeführt von einem menschlichen Anwender - mit dem oder den in der Würfelkammer eingelegten Spielwürfeln ausgebildet.
Der oder die Spielwürfel besitzen jeweils die Form eines konventionellen Standardspielwürfels, d. h., sie sind jeweils in Form eines regelmäßigen Hexaeders ausgebildet. Jeder der Spielwürfel besitzt mithin sechs Würfelflächen, wobei auf jeder Würfelfläche ein Würfelbild abgebildet ist. Auf den Würfelflächen sind vorzugsweise - in ebenfalls bekannter Weise - die klassischen Würfelbilder □, □, □, 0, 0 und 0 angeordnet. In einer besonders bevorzugten, pädagogisch vorteilhaften Ausführung des Lernsystemsets ist hierbei das Würfelbild 0 durch ein leeres Würfelbild □ ersetzt, da für einige Kinder die Zahl „6“ noch zu herausfordernd ist. Die Würfelbilder können statt der klassischen Würfelbilder aber auch andere Kennzeichnungen tragen, zum Beispiel Ziffern, Zahlen, Punkte, Buchstaben, Farben oder geometrische Formen. Alle Spielwürfel sind vorzugsweise gleich groß. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besitzen die Spielwürfel eine Abmessung von 16 x 16 mm.
In der Gesamtheit aller Spielwürfel ist jedem Würfelbild das Würfelbild auf der gegenüberliegenden Würfelfläche des jeweiligen Spielwürfels eineindeutig zuordenbar. D. h., bei Kenntnis des Würfelbildes einer Würfelfläche eines spezifischen Würfels ist das Würfelbild auf der gegenüberliegenden Würfelfläche dieses Spielwürfels eindeutig bestimmbar bzw. zuordenbar. Dies ist bei Spielwürfeln mit den klassischen Würfelbildern und der klassischen Würfelbildanordnung stets der Fall.
Die Würfelbox weist einen Würfelbecher auf, der einen Becherkorpus umfasst, an dem ein vorzugsweise klappbarer Deckel zum Öffnen und Schließen des Würfelbechers bzw. der Würfelbox angebracht ist. Ferner umfasst die Würfelbox eine in den Becherkorpus des Würfelbechers einsetzbare - vorzugsweise herausnehmbare - Würfelschale, die ihrerseits einen Schalenboden mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist.
Am Schalenboden der Würfelschale ist mindestens ein Sortierelement angebracht, das die Würfelschale in mehrere Würfelfächer zur Aufnahme und Positionierung der Spielwürfel unterteilt, wobei jedes Würfelfach so dimensioniert ist, dass genau einer der Spielwürfel darin aufnehmbar ist bzw. hineinpasst. Die Anzahl der Würfelfächer ist stets größer, vorzugsweise aber gleich, der Anzahl der Spielwürfel des Lernsystemsets.
Der Raumbereich der Würfelbox innerhalb des Würfelbechers zwischen dem geschlossenen Deckel des Würfelbechers und der Würfelschale bildet die sogenannte Würfelkammer, innerhalb der die Spielwürfel bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Würfelbox - zum Würfeln - geschüttelt werden. Die Würfelkammer ist hierbei so ausgebildet, dass die Spielwürfel während des bei geschlossenem Deckel ausgeführten Würfelns in der gesamten Würfelkammer frei beweglich sind. Am Deckel können ein oder mehrere partiell in die Würfelkammer ragende Prallstege zur Randomisierung der Würfelbewegung in der Würfelkammer angebracht sein. Nach dem Würfeln kommen der oder die Spielwürfel in der Würfelschale zum Liegen. Der oder die Spielwürfel liegen nach dem Würfeln bei bestimmungsgemäß stehender, unbewegter Würfelbox mit ihren Würfelflächen kontaktierend auf der Oberseite des Schalenbodens der Würfelschale auf. Die Würfelbilder können nach Abschluss des Würfelns und nach Öffnen des Deckels durch Blick auf die in der Würfelschale liegenden Spielwürfel abgelesen werden. Diese für den Anwender des Lernsystemsets sichtbaren, auf den obenliegenden Würfelflächen vorhandenen Würfelbilder werden als Sicht-Würfelbilder bezeichnet. D. h., im Ruhezustand nach dem Würfeln sind die Würfelbilder auf den oben angeordneten Würfelflächen der auf dem Schalenboden der Würfelschale einzeln in den Würfelfächern liegenden Spielwürfel bei geöffnetem Deckel durch den Anwender als Sicht-Würfelbilder optisch erfassbar.
Der durch die Würfelschale von der Würfelkammer abgetrennte Raumbereich innerhalb des Becherkorpus wird als Becherkammer bezeichnet. Die Trennung zwischen der Würfelkammer und der Becherkammer erfolgt im Wesentlichen durch den Schalenboden der Würfelschale.
Die Würfelbox umfasst ferner eine Kamera, eine Datenübertragungseinheit, eine elektrische Energieversorgungs- und -Speichereinheit sowie einen Mikrocontroller zur Steuerung der Kamera und der Datenübertragungseinheit. Die Kamera ist auf den Schalenboden gerichtet in der Becherkammer angeordnet, sodass sie ein Bild der Unterseite des Schalenbodens erfasst bzw. erfassen kann. Die Kamera ist hierzu in definiertem Abstand und definierter Ausrichtung zum Schalenboden positioniert. Der Erfassungswinkel der Kamera liegt vorzugsweise im Bereich von 110° bis 170°, besonders bevorzugt bei 120°, 140° oder 160°. Die Datenübertragungseinheit, die elektrische Energieversorgungs- und -Speichereinheit sowie der Mikrocontroller befinden sich regelmäßig ebenfalls in der Becherkammer.
Der Schalenboden der Würfelschale ist erfindungsgemäß transluzent ausgebildet, d. h. partiell lichtdurchlässig. Die restlichen Teile der Würfelschale, zum Beispiel die Schalenwände, können ebenfalls transluzent ausgebildet sein. Die auf die Unterseite des transluzenten Schalenbodens gerichtete Kamera ist dazu ausgebildet, das Bild der Unterseite des transluzenten Schalenbodens in Form von Bilddaten, die die Würfelbilder der auf der Oberseite des transluzenten Schalenbodens kontaktierend aufliegenden Würfelflächen der Spielwürfel sowie deren Lage auf dem Schalenboden beinhalten, zu erfassen.
Das Material des Schalenbodens ist in Bezug auf die Transluzenz bzw. Lichtdurchlässigkeit so gewählt - zum Beispiel durch Auswahl von milchglasähnlichem Material - bzw. dessen Oberfläche ist so beschaffen - zum Beispiel durch eine Strukturierung oder Aufrauhung der Schalenboden-Oberfläche dass die Kamera die Würfelbilder der auf dem Schalenboden aufliegenden Würfelflächen der Spielwürfel zu deren Erkennung mit ausreichendem Kontrast erfassen kann. Darüber, d. h. im Raumbereich über dem Schalenboden, befindliche Objekte werden durch den transluzenten Schalenboden optisch ausgefiltert bzw. ausgeblendet, d. h., sie können durch die Kamera nicht mehr scharf erfasst werden. Der Schalenboden ist also so beschaffen oder gestaltet, dass nur Objekte erkannt werden, die direkt darauf aufliegen. Dies kann zum Beispiel durch die Verwendung einer matten Schalenboden-Oberfläche erreicht werden, die unerwünschte Reflexionen und Lichtstreuungen minimiert.
Die Datenübertragungseinheit ist eingerichtet, zumindest die erfassten Bilddaten der Unterseite des transluzenten Schalenbodens drahtlos oder drahtgebunden an ein Datenverarbeitungsgerät, das Teil des Lernsystemsets sein kann, zu übertragen. Die Datenübertragungseinheit ist regelmäßig außerdem dazu eingerichtet, weitere Daten, zum Beispiel Steuerungssignale oder Lagedaten der Würfelbox, mit dem Datenverarbeitungsgerät auszutauschen. Die vorzugsweise drahtlose Kommunikation mittels der Datenübertragungseinheit zwischen der Würfelbox und dem Datenübertragungsgerät erfolgt beispielsweise über ein drahtloses lokales Netzwerk (WLAN), via Bluetooth oder via Nahfeldkommunikation (NFC).
Das Lernsystemset kann neben der beschriebenen Würfelbox und dem oder den Spielwürfeln ferner das mit der Datenübertragungseinheit drahtlos oder drahtgebunden verbindbare Datenverarbeitungsgerät sowie eine auf dem Datenverarbeitungsgerät installierte Softwareapplikation umfassen. Die Softwareapplikation ist eingerichtet, aus den mittels der Kamera erfassten Bilddaten des Bildes der Unterseite des transluzenten Schalenbodens mittels Bilderkennung für jeden der Spielwürfel das Würfelbild der auf dem Schalenboden aufliegenden Würfelfläche zu erkennen und das Würfelbild der Würfelfläche, die der Würfelfläche des erkannten Würfelbildes am jeweiligen Spielwürfel gegenüberliegt, als Identifikations-Würfelbild des jeweiligen Spielwürfels zu bestimmen. Das Datenverarbeitungsgerät ist vorzugsweise ein mobiles Endgerät, zum Beispiel ein Tablet oder Smartphone, kann aber auch ein konventioneller Computer (PC) sein. Das Datenverarbeitungsgerät bzw. die Softwareapplikation sind insbesondere für die Visualisierung des Lernverfahrens, für die Bildauswertung, zur Erfassung von Lernfortschritten sowie zur Datensynchronisierung mit einem Backend konzipiert bzw. eingerichtet.
Der Mikrocontroller, der zur Steuerung der Kamera und der Datenübertragungseinheit dient, kann zudem dazu ausgebildet sein, die von der Kamera erfassten Bilddaten zur Vorbereitung einer Bilderkennung der Würfelbilder aufzubereiten.
Das Datenverarbeitungsgerät und die darauf installierte Softwareapplikation können ferner dazu eingerichtet sein, einen am Datenverarbeitungsgerät durch den Anwender eingegebenen anwendergenerierten Würfelwert und einen durch die Softwareapplikation softwaregenerierten Würfelwert miteinander zu vergleichen und dem Anwender die Übereinstimmung oder die Nicht-Übereinstimmung des anwendergenerierten Würfelwerts mit dem softwaregenerierten Würfelwert in Form eines Rückmeldesignals anzuzeigen. Der anwendergenerierte Würfelwert ist vom Anwender nach vorgegebenen Bildungsregeln anhand der durch den Anwender optisch erfassten Sicht-Würfelbilder gebildet. Der softwaregenerierte Würfelwert ist entsprechend nach den gleichen, vom Anwender genutzten Bildungsregeln durch die Softwareapplikation anhand der Identifikations-Würfelbilder gebildet. Die Bildungsregel ist regelmäßig eine mathematische Operation, zum Beispiel die Addition.
Die Bildung des Würfelwertes umfasst regelmäßig als Zwischenschritt die Zuordnung eines Würfelbild-Wertes zum Würfelbild. Bei einem Standardwürfel sind die Würfelbilder □, □, □, > , 0 und 0 und der zugeordnete Würfelbild-Wert die jeweilige Augenzahl, d. h. 1 , 2, 3, 4, 5 und 6. Mittels der Datenübertragungseinheit werden die von der Kamera erfassten Bilddaten an das Datenverarbeitungsgerät gesendet und im Datenverarbeitungsgerät mittels der Softwareapplikation weiterverarbeitet. Die Softwareapplikation ist insbesondere dazu eingerichtet, aus den erfassten Bilddaten auf das Würfelbild bzw. den Würfelbild-Wert (zum Beispiel die Augenzahl) zu schließen, welches der Anwender nach dem Öffnen des Deckels sieht, d. h. auf das Sicht-Würfelbild bzw. dessen Würfelbild-Wert.
Die Softwareapplikation beinhaltet zur Erkennung der Würfelbilder vorzugsweise ein künstliches neuronales Netz, das durch ein maschinelles Lernverfahren trainiert wurde. Bei konventionellen Standardwürfeln kann die Augenzahl des Identifikations- Würfelbildes am einfachsten ermittelt werden, indem die via Kamera und Softwareapplikation identifizierte Augenzahl der am Schalenboden aufliegenden Würfelfläche von „7“ subtrahiert wird.
Das Lernverfahren zum Erlernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten, das durch den menschlichen Anwender mittels des beschriebenen Lernsystemsets, das die Würfelbox, den oder die Spielwürfel, das Datenverarbeitungsgerät und die auf dem Datenverarbeitungsgerät installierte Softwareapplikation beinhaltet, durchgeführt wird, umfasst die nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritte.
Zunächst werden durch den Anwender der Spielwürfel oder die Spielwürfel in die Würfelschale der Würfelbox eingelegt und der Deckel der Würfelbox geschlossen. Anschließend wird die geschlossene Würfelbox mit den Spielwürfeln in der Würfelkammer durch den Anwender manuell geschüttelt. Danach wird die Würfelbox abgesetzt, vorzugsweise auf einer geraden Unterlage, und der Deckel der Würfelbox wird geöffnet. Der Anwender erfasst nun - optisch - die Sicht-Würfelbilder der in der Würfelschale liegenden Spielwürfel. Diese Schritte stellen im engeren Sinn den Vorgang des Würfelns bzw. den Würfelvorgang dar.
Bereits durch das Absetzen kann durch den Mikrocontroller die automatische Bilderfassung und -erkennung aktiviert werden. Nach dieser Aktivierung erfasst die Kamera das Bild der Unterseite des transluzenten Schalenbodens in Form der Bilddaten, die danach durch die Datenübertragungseinheit von der Kamera an das Datenverarbeitungsgerät übertragen werden. Mittels der auf dem Datenverarbeitungsgerät installierten Softwareapplikation werden nun aus den übertragenen Bilddaten die Identifikations- Würfelbilder der Spielwürfel bestimmt. Anhand der Identifikations-Würfelbilder bildet die Softwareapplikation nach einer vorgegebenen Bildungsregel den softwaregenerierten Würfelwert.
Der Anwender bildet entsprechend anhand der optisch von ihm erfassten Sicht- Würfelbilder nach der vorgegebenen Bildungsregel, d. h. der gleichen Bildungsregel, die in der Softwareapplikation angewandt wird, den anwendergenerierten Würfelwert, der vom Anwender anschließend am Datenverarbeitungsgerät eingegeben wird.
Die Softwareapplikation vergleicht nun automatisch den anwendergenerierten Würfelwert mit dem softwaregenerierten Würfelwert und gibt dem Anwender ein Übereinstimmungsergebnis dieses Vergleichs in Form eines Rückmeldesignals aus. Liegt eine Übereinstimmung vor, d. h. das Übereinstimmungsergebnis ist positiv, wird als Rückmeldesignal zum Beispiel „richtig“ ausgeben; liegt dagegen keine Übereinstimmung vor, d. h. das Übereinstimmungsergebnis ist negativ, ergeht als Rückmeldesignal zum Beispiel „falsch“.
Werden Standardwürfel als Spielwürfel verwendet, kann der anwender- und softwaregenerierte Würfelwert zum Beispiel die Summe der Würfelbild-Werte, d. h. Summe der Augenzahlen, der Sicht-Würfelbilder bzw. der Identifikations-Würfelbilder sein. Das Rückmeldesignal beinhaltet, ob die Würfelbilder einerseits richtig erkannt und andererseits richtig addiert wurden. So kann spielerisch das Erkennen und Addieren von Zahlen erlernt und trainiert werden.
Das Lernsystemset und das Lernverfahren unterstützen durch die beschriebene Kombination aus analoger und digitaler Technologie das spielerische Erlernen mathematischer Fähigkeiten mit allen Sinnen. Hierdurch wird die Lernmotivation gefördert. Mithilfe des Lernsystemsets bzw. des Lernverfahrens können Kinder im Vor- und Grundschulalter - spielerisch, haptisch und doch mit System - mathematische Fähigkeiten erlernen und trainieren.
Die Würfelschale, insbesondere der Schalenboden, besteht vorzugsweise aus einem transluzenten, d. h. partiell lichtdurchlässigen bzw. halbdurchsichtigen, Kunststoff, der eine Textur hat, um Objekte, die nicht direkt auf der Oberseite des Schalenbodens aufliegen, unscharf für die unter dem Schalenboden angeordnete Kamera zu machen. Dadurch wird unter anderem auch verhindert, dass persönliche Bilder des Anwenders - beim Blick in die Würfelbox - gemacht werden können. Zudem vereinfacht die Vorfilterung der erfassten Bilddaten die Bildauswertung innerhalb der Softwareapplikation, d. h. insbesondere die Routinen des maschinellen Lernens.
Gemäß einer Ausgestaltung besitzt das Lernsystemset eine Würfelbox mit vier Würfelfächern in der Würfelschale und vorzugsweise vier Spielwürfeln. Die Würfelfächer sind in vier Quadranten angeordnet, indem die Oberseite des Schalenbodens durch das Sortierelement in vier separate Würfelfächer unterteilt ist. Durch die Quadranten-Anordnung der Würfelfächer sind eine präzise Zuordnung und Erkennung der Spielwürfel möglich. Da jedes Würfelfach jeweils nur einen Spielwürfel aufnehmen kann, kann die Softwareapplikation die jeweiligen Spielwürfel den Würfelfächern bzw. Quadranten anhand der erfassten Bilddaten des Bildes der Unterseite des Schalenbodens zuordnen und jeden Spielwürfel separat hinsichtlich des Würfelbildes analysieren. Die Kamera nimmt hierbei hochauflösende Bilder der Unterseite des transluzenten (matten) Schalenbodens auf, auf dem die Spielwürfel in den Vier-Quadranten-Würfelfächern angeordnet sind. Die Softwareapplikation teilt das erfasste Bild in die vier Quadranten auf und wertet sie beispielsweise mithilfe des maschinellen Lernverfahrens, d. h. mittels des trainierten künstlichen neuronalen Netzes, aus. Dies ermöglicht eine präzise und schnelle Erkennung der Würfelbilder.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Schalenboden - insbesondere bei Ausbildung der Würfelfächer in der Vier-Quadranten-Anordnung - zu den Seiten hin, d. h. von der Mitte der Würfelschale zu den Rändern hin, abfällt, vorzugsweise mit einer Neigung von 5° - 10° (gegenüber der Horizontalen, wenn der Würfelbecher lotrecht steht). Das Sortierelement kann bei der Vier-Quadranten-Anordnung der Würfelfächer zum Beispiel ein mittiger Stift mit vier Rippen oder Finnen sein. Der Stift ist hierbei in der Mitte der Würfelschale am Schalenboden angebracht; die Rippen des Sortierelements teilen die Würfelschale in die vier gleichartigen Würfelfächer, die in vierzähliger Drehsymmetrie um den Stift des Sortierelements angeordnet sind. Das Sortierelement unterstützt, dass die Spielwürfel ihren Platz im jeweiligen Würfelfach finden.
Die Würfelbox kann noch weitere Komponenten beinhalten, die vorzugsweise innerhalb der Becherkammer angeordnet sind, zum Beispiel einen Lagesensor und/oder eine Wiedergabeeinheit zur Erzeugung von optischen, akustischen und/oder haptischen Rückmeldesignalen, die an der Würfelbox ausgegeben werden. Optische Rückmeldesignale können beispielsweise mittels integrierten Leuchtmitteln, wie zum Beispiel Leuchtdioden, erzeugt werden; zur Ausgabe von akustischen Rückmeldesignalen kann ein Lautsprecher in die Würfelbox eingebaut sein; haptische Rückmeldesignale können mittels einer Vibrationseinheit, zum Beispiel einem Vibrationsmotor, erzeugt werden. Die Wiedergabeeinheit dient zur Rückmeldung über den Erfolg beim Lernverfahren als Alternative zur Anzeige am Datenverarbeitungsgerät.
Der Lagesensor kann - in Verbindung und im Zusammenwirken mit dem Mikrocontroller und/oder der Datenübertragungseinheit - dazu ausgebildet sein, die Würfelbox durch Bewegung einzuschalten, den Beginn und das Ende eines Würfelvorganges zu definieren und/oder Lagedaten an das Datenverarbeitungsgerät zu streamen. Der mit dem Mikrocontroller verbundene Lagesensor kann beispielsweise zur zeitaufgelösten Erfassung von Lagedaten der Würfelbox eingerichtet sein, wobei der Mikrocontroller eingerichtet ist, anhand der vom Lagesensor erfassten zeitaufgelösten Lagedaten den Beginn und das Ende eines Würfelvorgangs zu bestimmen und nach Beendigung des Würfelvorgangs die Bilderfassung durch die Kamera und die Datenübertragung der Bilddaten durch die Datenübertragungseinheit zu aktivieren. Das Lernsystem kann ferner eine drahtlose Ladeeinheit umfassen, die mit der in der Würfelbox integrierten elektrischen Energieversorgungs- und -Speichereinheit zum Laden derselben gekoppelt ist. Vorzugsweise weist die Würfelbox zur möglichst einfachen Bedienung weder eine Anschlussbuchse noch einen Schalter auf. Zum drahtlosen Laden kann als Teil der drahtlosen Ladeeinheit zum Beispiel ein Metallring in den Würfelbecher integriert sein. Den anderen Teil der Ladeeinheit bildet ein Ladepad, zum Beispiel mit integrierten Magneten, auf das die Würfelbox zum Laden gestellt wird. Durch vollständige Integration aller elektronischen Bauteile innerhalb der Würfelbox wird das Produktdesign schlichter und die Würfelbox ist auf einfache Art und Weise vor Staub und Spritzwasser geschützt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; dazu zeigen
Fig. 1 : die geöffnete Würfelbox in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2: die geschlossene Würfelbox in perspektivischer Ansicht,
Fig. 3: die zerlegte Würfelbox in der Seitenansicht,
Fig. 4: die geöffnete Würfelbox in perspektivischer Ansicht,
Fig. 5: die geöffnete Würfelbox ohne Becherüberzug in perspektivischer Ansicht, Fig. 6: die Würfelbox mit Spielwürfeln im Längsschnitt, Fig. 7: die Würfelschale in perspektivischer Ansicht,
Fig. 8: die Würfelschale, gefüllt mit vier Spielwürfeln, in der Draufsicht, Fig. 9: den Deckel der Würfelbox in perspektivischer Innenansicht, Fig. 10: eine Ausführung des Spielwürfels in perspektivischer Ansicht, und Fig. 11 : das Lernsystem und dessen Funktionsweise in perspektivischer Ansicht.
Die Würfelbox gemäß der Ausführung nach Fig. 1 umfasst den Würfelbecher 1 , in dessen Becherkorpus 1.1 die Würfelschale 2 eingesetzt ist. Der kuppelartig ausgebildete Deckel 1 .2 des Würfelbechers 1 ist zum Öffnen und Schließen klappbar am Becherkorpus 1.1 angebracht. Der Becherkorpus 1.1 ist zum Schutz und zur besseren Handhabung mit dem Becherüberzug 9 ummantelt. In Fig. 1 steht der Würfelbecher 1 auf einer ebenen, horizontal ausgerichteten Unterlage. Der Becherkorpus 1.1 besitzt eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Tonnenform mit kreisförmiger Querschnittsgeometrie. Die Rotationsachse des Becherkorpus 1.1 ist in Fig. 1 lotrecht ausgerichtet.
Die Würfelschale 2 besitzt einen transluzenten Schalenboden 2.1 , auf dem symmetrisch um die Rotationsachse des Becherkorpus 1.1 bzw. um das an dieser Position angeordnete zentrale Sortierelement 2.2 vier gleichartige Würfelfächer 5 ausgebildet sind, d. h., die Würfelfächer 5 sind mit vierzähliger Drehsymmetrie um den Stift des zentralen Sortierelements 2.2 angeordnet (Vier-Quadranten- Anordnung). Das Sortierelement 2.2 besitzt eine entsprechende, vierzählig drehsymmetrische Ausbildung mit dem zentralen, lotrecht ausgerichteten Stift und vier davon ausgehenden, nach außen abfallenden Sortierrippen. Der Schalenboden 2.1 fällt von der zentralen Position zu den Seiten hin leicht ab (im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 unter einem Winkel von 7° zur Horizontalen).
Die Fig. 2 gibt die Würfelbox gemäß der Ausbildung nach Fig. 1 bei geschlossenem Deckel 1 .2 wieder.
Die Darstellung der zerlegten Würfelbox nach Fig. 3 zeigt den separaten Becherüberzug 9 (oben), den vom Becherkorpus 1.1 abgelösten Deckel 1.2 (mittig) und den Becherkorpus 1.1 (unten). Die im Inneren des Becherkorpus 1.1 befindlichen Elemente sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Die in dem Becherkorpus 1.1 eingesetzte Würfelschale 2 verschließt den darunter befindlichen, innenliegenden Raum des Würfelbechers 1 ; dieser innenliegende, geschlossene Raum des Würfelbechers 1 ist die Becherkammer 7. In der Becherkammer 7 befindet sich die Kamera 8, die zur Bilderfassung auf die Unterseite des transluzenten, d. h. partiell lichtdurchlässigen, Schalenbodens 2.1 gerichtet ist. Das Material des Schalenbodens 2.1 ist hierbei so gewählt bzw. dessen Oberfläche ist so beschaffen, dass die Kamera 8 die Würfelbilder der auf dem Schalenboden 2.1 aufliegenden Würfelseiten der Spielwürfel 3 zu deren Erkennung mit ausreichendem Kontrast erfassen kann. Oberhalb der Auflageebene der Spielwürfel 3 auf dem Schalenboden 2.1 befindliche Objekte werden durch den Schalenboden 2.1 optisch ausgefiltert, d. h., sie können durch die Kamera 8 nicht mehr scharf erfasst werden. Die Fig. 4 und die Fig. 5 stellen - ähnlich der Fig. 1 - die Würfelbox im geöffneten Zustand dar, wobei die Fig. 4 die Würfelbox mit dem Becherüberzug 9 zeigt und die Fig. 5 die Würfelbox ohne denselben.
Die Fig. 6 ist eine Längsschnittdarstellung der Würfelbox mit zwei sichtbaren in der Würfelschale 2 befindlichen Spielwürfeln 3. Die Spielwürfel 3 befinden sich in der Würfelkammer 6, d. h. dem Raumbereich innerhalb der Würfelbox, der durch die Würfelschale 2 und den geschlossenen Deckel 1 .2 definiert ist. Beim Schütteln der Würfelbox bewegen sich die Spielwürfel 3 in der Würfelkammer 6. Fig. 6 verdeutlicht die Anordnung der Kamera 8 innerhalb der Becherkammer 7; das Blickfeld der Kamera 8 ist auf den Schalenboden 2.1 der Würfelschale 2 gerichtet. In Fig. 6 ist zudem die Abschrägung des Schalenbodens 2.1 - von der Mitte zu den Rändern hin - gut ersichtlich.
Die Fig. 7 verdeutlicht die Ausbildung der vier Würfelfächer 5 innerhalb der Würfelschale 2 durch das am Schalenboden 2.1 angebrachte Sortierelement 2.2.
Fig. 8 zeigt die mit vier Spielwürfeln 3 gefüllte Würfelschale 2; die Würfelbilder der oben liegenden, in Fig. 8 sichtbaren Würfelflächen sind die Sicht-Würfelbilder der Spielwürfel.
Der in Fig. 9 dargestellte Deckel 1.2 besitzt vier Prallstege 1.2.1 , die beim Schütteln der Würfelbox die ungleichmäßige Bewegung bzw. das ungleichmäßige Fallen der Spielwürfel 3 unterstützen. Beim Schütteln der Würfelbox stoßen die Spielwürfel 3 an die Prallstege 1.2.1 und werden dadurch abgelenkt. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass die Spielwürfel 3 bei nur geringem oder gleichmäßigem Schütteln der Würfelbox wieder in derselben oder in ähnlicher Position in die Würfelfächer 5 fallen, d. h., es erfolgt eine Randomisierung der Würfelbewegung.
Die in Fig. 10 gezeigte Ausführung des Spielwürfels 3 besitzt die konventionelle Anordnung der Würfelbilder eines Standardspielwürfels, d. h., das Würfelbild 0 (Augenzahl „5“) liegt gegenüber vom Würfelbild > (Augenzahl „2“) und das Würfelbild 0 (Augenzahl „3“) liegt gegenüber vom Würfelbild 0 (Augenzahl „4“). Anstelle des Würfelbildes EI (Augenzahl „6“) besitzt der Spielwürfel 3 nach Fig. 7 jedoch eine leere Würfelfläche mit dem Würfelbild □, wobei die leere Würfelfläche gegenüber vom Würfelbild > (Augenzahl „1“) liegt. Dem Würfelbild □ ist die Augenzahl „0“ zugeordnet.
Die Fig. 11 zeigt das Lernsystemset, welches die Würfelbox, einen der Spielwürfel 3 und das Datenverarbeitungsgerät 4 (hier ein Tablet) umfasst. Der Spielwürfel 3 liegt in der Würfelschale 2 in einem der (hier nicht bezeichneten) Würfelfächern 5. Mittels der Kamera 8 wird fotografisch das Bild der Unterseite des Schalenbodens 2.1 in Form von Bilddaten erfasst. Die erfassten Bilddaten des Schalenbodens 2.1 werden drahtlos an das Datenverarbeitungsgerät 4 gesendet. Mittels der auf dem Datenverarbeitungsgerät 4 installierten Softwareapplikation werden die Bilddaten des Bildes der Unterseite des Schalenbodens 2.1 analysiert, d. h. das an der Unterseite des Schalenbodens 2.1 sichtbare Würfelbild des Spielwürfel 3 bestimmt. Des Weiteren wird mittels der Softwareapplikation nun das am Spielwürfel 3 gegenüberliegende Würfelbild anhand der erfassten Bilddaten des
Schalenbodens 2.1 bestimmt. Hierdurch ist in der Softwareapplikation nun das für den Anwender 10 bei Blick in die Würfelschale 2 oben liegende Sicht-Würfelbild als Identifikations-Würfelbild hinterlegt und steht für Anwenderinteraktionen innerhalb der Softwareapplikation zur Verfügung.
Diese Interaktionen bei Anwendung des Lernsystemsets mit dem Anwender 10 sind anhand der vereinfachten Funktionsdarstellung in Fig. 11 verdeutlicht. Nach dem Schütteln der Würfelbox wird - nach dem vorstehend beschriebenen Ablauf - das Identifikations-Würfelbild des Spielwürfels 3 durch Erfassung der Unterseite des Schalenbodens 2.1 der Würfelschale 2, anschließende drahtlose Übertragung der Bilddaten an das Datenverarbeitungsgerät 4 (vorzugsweise via Bluetooth Low Energy) und die folgende Auswertung der Bilddaten mittels der auf dem Datenverarbeitungsgerät 4 installierten Softwareapplikation bestimmt. Vorliegend ist das Sicht-Würfelbild EI, d. h., an der Unterseite des Schalenbodens 2.1 der
Würfelschale 2 werden Bilddaten, die das Würfelbild > beinhalten, erfasst. In der Softwareapplikation wird das aus den Bilddaten extrahierte Würfelbild > wieder in das dem Sicht-Würfelbild entsprechende Identifikations-Würfelbild I bestimmt, d. h., in der Softwareapplikation ist nun das Sicht-Würfelbild in Form des Identifikations- Würfelbildes bzw. dessen Augenzahl „5" bekannt. Der Anwender 10, der das Sicht- Würfelbild des in der Würfelschale 2 liegenden Spielwürfels 3 sieht, kann am Datenverarbeitungsgerät 4 zwischen den Augenzahloptionen „0“, „1“, „2“, „3“, „4“ oder „5“ wählen, d. h., die entsprechende Schaltfläche betätigen. Die Softwareapplikation gleicht im Anschluss die vom Anwender 10 ausgewählte Augenzahl mit der durch die Bilderfassung ermittelten Augenzahl des Identifikations- Würfelbildes ab und gibt dem Anwender 10 ein Rückmeldesignal aus, ob richtig oder falsch gewählt wurde.
Üblicherweise erfolgt die Anwendung des Lernsystem sets mit vier Spielwürfeln 3, wobei der Würfelwert die Summe der Augenzahlen aller vier Spielwürfel 3 ist. Die Softwareapplikation nimmt den Vergleich zwischen dem softwaregenerierten Würfelwert (d. h. der softwaregenerierten Augensumme) und dem anwendergenerierten Würfelwert (d. h. der anwendergenerierten Augensumme) vor. Der Anwender 10 erhält ein Rückmeldesignal, ob er die Würfelbilder richtig erfasst und richtig addiert hat. Auf diese Weise kann das Addieren spielerisch erlernt und trainiert werden.
Zu weiteren Details wird Bezug auf die deutsche Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10 2024 112 020.7 genommen, deren Inhalt hiermit in dieser Patentanmeldung aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 Würfelbecher
1.1 Becherkorpus 1.2 Deckel
1.2.1 Prallsteg
2 Würfelschale
2.1 Schalenboden
2.2 Sortierelement 3 Spielwürfel
4 Datenverarbeitungsgerät
5 Würfelfach
6 Würfelkammer
7 Becherkammer 8 Kamera
9 Becherüberzug
10 Anwender

Claims

Patentansprüche
1. Lernsystemset zum Erlernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten, umfassend eine Würfelbox sowie einen oder mehrere in die Würfelbox einzulegende, jeweils in Form eines regelmäßigen Hexaeders ausgebildete Spielwürfel (3) mit jeweils sechs Würfelflächen, wobei jede der Würfelflächen ein vorgegebenes Würfelbild aufweist, und wobei in der Gesamtheit aller Spielwürfel (3) jedem Würfelbild das Würfelbild auf der gegenüberliegenden Würfelfläche des jeweiligen Spielwürfels (3) eineindeutig zuordenbar ist, wobei
- die Würfelbox einen Würfelbecher (1 ), aufweisend einen Becherkorpus (1.1 ) sowie einen am Becherkorpus (1.1 ) angebrachten schließ- und öffenbaren Deckel (1.2), sowie eine in den Becherkorpus (1.1) einsetzbare Würfelschale (2) umfasst, wobei die Würfelschale (2) einen Schalenboden (2.1) mit einer Oberseite und einer Unterseite aufweist,
- die Würfelbox ferner eine Kamera (8), eine Datenübertragungseinheit, eine elektrische Energieversorgungs- und -Speichereinheit sowie einen Mikrocontroller zur Steuerung der Kamera (8) und der Datenübertragungseinheit umfasst,
- der bei geschlossenem Deckel (1 .2) innerhalb des Becherkorpus (1.1 ) zwischen dem Deckel (1 .2) und der Würfelschale (2) befindliche Raumbereich des Becherkorpus (1.1 ) eine Würfelkammer (6) definiert, in der der oder die Spielwürfel (3) bei bestimmungsgemäß stehender, unbewegter Würfelbox mit ihren Würfelflächen kontaktierend auf der Oberseite des Schalenbodens (2.1 ) der Würfelschale (2) aufliegen, und
- der durch die Würfelschale (2) von der Würfelkammer (6) abgetrennte Raumbereich innerhalb des Becherkorpus (1.1 ) eine Becherkammer (7) definiert, in der die Kamera (8) so angeordnet ist, dass sie auf die Unterseite des Schalenbodens (2.1) zur Bilderfassung desselben gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- am Schalenboden (2.1 ) der Würfelschale (2) mindestens ein Sortierelement (2.2) angebracht ist, das die Würfelschale (2) in mehrere Würfelfächer (5) zur Aufnahme und Positionierung der Spielwürfel (3) unterteilt, wobei jedes Würfelfach (5) so dimensioniert ist, dass genau einer der Spielwürfel (3) darin aufnehmbar ist, - das Lernsystemset zum Würfeln durch manuelles Schütteln der Würfelbox mit dem oder den in der Würfelkammer (6) eingelegten Spielwürfeln (3) ausgebildet ist, wobei die Würfelkammer (6) hierbei so ausgebildet ist, dass die Spielwürfel (3) während des bei geschlossenem Deckel (1.2) ausgeführten Würfelns in der gesamten Würfelkammer (6) frei beweglich sind und im Ruhezustand nach dem Würfeln die Würfelbilder auf den oben angeordneten Würfelflächen der auf dem Schalenboden (2.1) der Würfelschale (2) einzeln in den Würfelfächern (5) liegenden Spielwürfel (3) bei geöffnetem Deckel (1.2) durch einen Anwender (10) als Sicht-Würfelbilder optisch erfassbar sind,
- der Schalenboden (2.1 ) der Würfelschale (2) transluzent ausgebildet ist, wobei die auf die Unterseite des Schalenbodens (2.1 ) gerichtete Kamera (8) dazu ausgebildet ist, das Bild der Unterseite des transluzenten Schalenbodens (2.1 ) in Form von Bilddaten, die die Würfelbilder der auf der Oberseite des transluzenten Schalenbodens (2.1) kontaktierend aufliegenden Würfelflächen der Spielwürfel (3) sowie deren Lage auf dem Schalenboden (2.1) beinhalten, zu erfassen, und
- die Datenübertragungseinheit eingerichtet ist, zumindest die erfassten Bilddaten der Unterseite des transluzenten Schalenbodens (2.1) drahtlos oder drahtgebunden an ein Datenverarbeitungsgerät (4) zu übertragen.
2. Lernsystemset nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es ferner das mit der Datenübertragungseinheit drahtlos oder drahtgebunden verbindbare Datenverarbeitungsgerät (4) sowie eine auf dem Datenverarbeitungsgerät (4) installierte Softwareapplikation umfasst, wobei die Softwareapplikation eingerichtet ist, aus den mittels der Kamera (8) erfassten Bilddaten des Bildes der Unterseite des transluzenten Schalenbodens (2.1) mittels Bilderkennung für jeden der Spielwürfel (3) das Würfelbild der auf dem Schalenboden (2.1 ) aufliegenden Würfelfläche zu erkennen und das Würfelbild der Würfelfläche, die der Würfelfläche des erkannten Würfelbildes am jeweiligen Spielwürfel (3) gegenüberliegt, als Identifikations-Würfelbild des jeweiligen Spielwürfels (3) zu bestimmen.
3. Lernsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungsgerät (4) und die darauf installierte Softwareapplikation eingerichtet sind, einen am Datenverarbeitungsgerät (4) durch den Anwender (10) eingegebenen anwendergenerierten Würfelwert, der vom Anwender (10) anhand der durch den Anwender (10) optisch erfassten Sicht-Würfelbilder nach vorgegebenen Bildungsregeln gebildet ist, und einen softwaregenerierten Würfelwert, der anhand der Identifikations-Würfelbilder nach den zur Bildung des anwendergenerierten Würfelwerts vorgegebenen Bildungsregeln gebildet ist, miteinander zu vergleichen und dem Anwender (10) die Übereinstimmung oder die Nicht-Übereinstimmung des anwendergenerierten Würfelwerts mit dem softwaregenerierten Würfelwert in Form eines Rückmeldesignals anzuzeigen.
4. Lernsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sortierelement (2.2) einen Stift und vier vom Stift ausgehende, jeweils senkrecht zueinander stehende Rippen umfasst, wobei der Stift in der Mitte der Würfelschale (2) am Schalenboden (2.1 ) angebracht ist, und die Rippen des Sortierelements (2.2) die Würfelschale (2) in vier gleichartige Würfelfächer teilen, die in vierzähliger Drehsymmetrie um den Stift des Sortierelements (2.2) angeordnet sind, und wobei der Schalenboden (2.1 ) von der Mitte der Würfelschale (2) zu den Rändern des Schalenbodens (2.1 ) hin mit einer Neigung im Bereich von 5° - 10° abfällt.
5. Lernsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Deckel (1.2) des Würfelbechers (1 ) ein oder mehrere partiell in die Würfelkammer (6) ragende Prallstege (1.2.1 ) zur Randomisierung der Würfelbewegung in der Würfelkammer (6) angebracht sind.
6. Lernsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Würfelbox einen zur zeitaufgelösten Erfassung von Lagedaten der Würfelbox eingerichteten, mit dem Mikrocontroller verbundenen Lagesensor aufweist, wobei der Mikrocontroller eingerichtet ist, anhand der vom Lagesensor erfassten zeitaufgelösten Lagedaten den Beginn und das Ende eines Würfelvorgangs zu bestimmen und nach Beendigung des Würfelvorgangs die Bilderfassung durch die Kamera (8) und die Datenübertragung der Bilddaten durch die Datenübertragungseinheit zu aktivieren.
7. Lernsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Würfelbox eine mit dem Mikrocontroller verbundene Wiedergabeeinheit zur Erzeugung und Ausgabe von optischen, akustischen und/oder haptischen Rückmeldesignalen aufweist.
8. Lernsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lernsystem eine drahtlose Ladeeinheit umfasst, die mit der in die Würfelbox integrierten elektrischen Energieversorgungs- und -Speichereinheit zum Laden derselben gekoppelt ist.
9. Lernsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spielwürfel (3) jeweils Standardspielwürfel sind, wobei jeder der Spielwürfel (3) auf seinen sechs Würfelflächen die Würfelbilder 0, □, □, □, > und □ aufweist, und wobei der Würfelfläche mit dem Würfelbild 0 die Würfelfläche mit dem Würfelbild > gegenüberliegt, der Würfelfläche mit dem Würfelbild 0 die Würfelfläche mit dem Würfelbild 0 gegenüberliegt und der Würfelfläche mit dem Würfelbild > die Würfelfläche mit dem Würfelbild □ gegenüberliegt.
10. Lernverfahren zum Erlernen und Trainieren mathematischer Fähigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Lernverfahren durch einen menschlichen Anwender (10) mittels des Lernsystemsets nach Anspruch 3 durchgeführt wird, wobei das Lernverfahren folgende Schritte umfasst:
- Einlegen des Spielwürfels (3) oder der Spielwürfel (3) in die Würfelschale (2) der Würfelbox und Schließen des Deckels (1 .2) der Würfelbox durch den Anwender (10);
- manuelles Schütteln der geschlossenen Würfelbox mit den Spielwürfeln (3) in der Würfelkammer (6) durch den Anwender (10);
- Absetzen der Würfelbox und Öffnen des Deckels (1 .2) der Würfelbox durch den Anwender (10);
- Automatische Erfassung des Bildes der Unterseite des transluzenten Schalenbodens (2.1) mittels der Kamera (8) in Form der Bilddaten, automatische Datenübertragung der Bilddaten durch die Datenübertragungseinheit von der Kamera (8) an das Datenverarbeitungsgerät (4), automatische Bestimmung der Identifikations-Würfelbilder der Spielwürfel (3) aus den übertragenen Bilddaten mittels der auf dem Datenverarbeitungsgerät (4) installierten Softwareapplikation sowie Bildung des softwaregenerierten Würfelwerts nach einer vorgegebenen Bildungsregel anhand der Identifikations-Würfelbilder mittels der Softwareapplikation;
- Optisches Erfassen der Sicht-Würfelbilder durch den Anwender (10), Bilden des anwendergenerierten Würfelwertes nach der vorgegebenen Bildungsregel anhand der Sicht-Würfelbilder und Eingeben des anwendergenerierten Würfelwertes am
Datenverarbeitungsgerät (4);
- Automatischer Vergleich des anwendergenerierten Würfelwertes und des softwaregenerierten Würfelwertes durch die auf dem Datenverarbeitungsgerät (4) installierte Softwareapplikation und Ausgabe eines Übereinstimmungsergebnisses dieses Vergleichs in Form eines Rückmeldesignals an den Anwender (10).
- Es folgen 4 Seiten Zeichnungen -
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