CN102945313A - 一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，包括：步骤一、用户采集或制作虚拟实验构件数据，所述数据中包括显示数据和参数数据，并利用这些数据对虚拟实验构件建模；步骤二、将所有虚拟实验构件模型保存到虚拟构件库中；步骤三、根据用户的需要，从虚拟构件库中挑选出所需的虚拟实验构件模型，并利用这些虚拟实验构件模型进行实验场景搭建；步骤四、设置实验场景的运行参数，并运行实验场景，将运行实验场景产生的逻辑信息发送至计算模块，并动态展示计算结果。本发明所述的方法提高了虚拟教学实验的开放性，用户可根据需求增加虚拟实验构件，设置实验场景的运行参数进行虚拟实验。

Description

一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法

技术领域

本发明涉及图像处理、计算机图形学、虚拟现实和计算机辅助教学领域，尤其涉及一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法。

背景技术

虚拟现实以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等感官方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。近年来，虚拟现实技术越来越多的应用在教育领域，其中，虚拟实验教学环境是一个典型代表。虚拟实验教学环境可以为广大的学生和其他兴趣者提供一个进行虚拟实验的环境。与传统实验教学相比，虚拟实验教学具有三大优势：无地点约束、安全、低成本。无地点约束，即进行虚拟实验不需要实验室等固定场所，不受地点的限制，任何有计算机和网络的地方都可以进行虚拟实验。安全，即进行虚拟实验过程中实验人员不接触高压、有毒化学物质等危险环境。低成本，即进行虚拟实验不需要购买昂贵的实验设备。

虚拟实验教学环境作为传统实验教学的一种有效的补充，已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，不仅能很好地解决传统实验教学存在的诸多问题、远程教育中实验教学无法实施的问题，有效地改善实验教学资源严重短缺和分布不均的现状，而且能充分考虑新世纪人才培养模式的需要，有利于提高学生的创新能力、动手能力和综合素质，具有良好的社会效益。虚拟实验教学环境能够满足广大高校教学工作对实验资源的迫切需求，为国家、社会和学校节省大量教育资金投入，产生良好的经济效益。并且，我国目前共有普通高等学校和成人高等学校1000多所，大部分学校教育资源十分短缺，虚拟实验教学环境及其可视化设计在大中小学各级各类学校、成人教育、远程教育及职业培训中的广泛应用，不但可以节省大量的教育资金投入，而且具有巨大的潜在市场。

目前国内外在虚拟实验教学环境的研究和应用方面已经取得了一些进展，但是除NI公司的虚拟仪器开发软件外，成熟的商业平台并不多，基本上没有通用的开发平台。2001年台湾师范大学的曾焕雯等人设计并实现了一套基于专家系统的交互式虚拟实验室，但该系统只适用于电机实验。2009年福建师范大学的江辉仙等人整合各类地理学中地形资源构建了一个地理地形学虚拟实验教学环境。2010年郑州大学的张艳丽等人开发了一套化学实验的虚拟实验教学平台。2011年上海交通大学的范秀芳等人设计并实现了一套方便学生理解机械运动的虚拟实验教学系统。

当前的虚拟实验教学环境大都是针对某一特殊学科甚至某些特殊实验设计并开发的，暂无一个多学科通用的虚拟实验平台和相应的标准规范。每开发一个虚拟实验都要重新设计并编码实现，导致虚拟实验的开发成本很大，虚拟实验的可重用性。2002年英国诺丁汉大学的Joanna K.Crosier等人研究了整合中学实验教学中虚拟环境需要解决的若干关键问题。然而，他们的目标只是整合中学课程中的虚拟实验，与大学课程中的实验相比，这些实验相对简单，没有复杂的实验原理和精细的实验仪器。

当前的虚拟实验教学环境大都以单个实验为最小单位进行设计和开发，不能进行实验构件的重用，限制了虚拟实验教学场景的开发效率。为了能够统一整合现有虚拟实验，提高虚拟实验开发效率，我国已经对虚拟实验教学环境标准制定了相应的国家标准和规范。该套标准描述了虚拟实验教学环境中的实验构件、实验场景、实验结果等的具体概念，并制定了相应的数据格式规范。

但现有虚拟实验都是封闭式的，开发者设计的虚拟实验构件是有限的，用户只能在现有的虚拟实验构件库中选择虚拟实验构件进行实验，若想要增加其他实验构件只能等待软件开发者的设计，增大了虚拟实验构件的开发成本。且现有虚拟实验只针对某一特定实验，虚拟实验构件的参数数据和实验场景的运行参数都是特定的，不能进行不同参数状态的虚拟实验。

发明内容

针对上述技术问题，本发明设计开发了一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，目的在于改变现有虚拟实验教学的局限性，使用户可根据需求增加虚拟实验构件，并进行相关参数的设置，提高虚拟实验教学的开放性，降低虚拟实验的开发成本。

本发明提供的技术方案为：

一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，包括以下步骤：

步骤一、用户采集或制作虚拟实验构件数据，所述数据中包括显示数据和参数数据，并利用这些数据对虚拟实验构件建模；

步骤二、将所有虚拟实验构件模型保存到虚拟构件库中；

步骤三、根据用户的需要，从虚拟构件库中挑选出所需的虚拟实验构件模型，并利用这些虚拟实验构件模型进行实验场景搭建；

步骤四、设置实验场景的运行参数，并运行实验场景，将运行实验场景产生的逻辑信息发送至计算模块，并动态展示计算结果。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述虚拟实验构件数据包括图像数据和图形数据，其中图像数据为显示数据为照片的数据，而图形数据为显示数据为制图的数据。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述每一虚拟实验构件数据均包括相应的显示数据和参数数据。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述图像数据和图形数据通过虚实融合方法，并结合其中的显示数据和参数数据，对虚拟实验构件进行建模。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述步骤三中的实验场景搭建包括：虚拟实验构件模型位置调整、大小缩放、角度旋转、虚拟实验构件模型属性设置和虚拟实验构件模型之间的连接关系设置。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述步骤三中，虚拟实验构件模型位置调整包括：从所需的虚拟实验构件模型的列表中将虚拟实验构件模型拖放到实验场景中，若发生虚拟实验构件模型之间的重叠，则通过将刚刚移来的虚拟实验构件模型向周边自动移位或退回到移出位的方式自动消除重叠现象。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，判断移来的虚拟实验构件模型与实验场景中其它虚拟实验构件模型发生重叠的步骤为：

(1)从虚拟实验构件模型的显示数据信息中提取出虚拟实验构件模型的包围盒，先求出每个图形和图像元素的包围盒，然后通过对这些包围盒求并得到虚拟实验构件模型的包围盒；

(2)判断所增加或编辑虚拟实验构件模型的包围盒是否与场景中已有虚拟实验构件模型的包围盒相交，如果相交发生重叠，否则未发生重叠。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，虚拟实验构件模型的包围盒是包围虚拟实验构件模型的最小矩形，它可以根据构成虚拟实验构件模型的图像和图形元素计算出来。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，建立虚拟实验构件模型之间的连接关系的步骤为：

(1)先后点击虚拟实验构件模型的两个接口；

(2)判断是否满足约束关系，如果所选接口类型不匹配，则输出接口类型不匹配信息并退出，否则执行步骤(3)；

(3)建立虚拟实验构件模型之间的连接关系，并可视化为连线，输出建立连接关系成功。

优选的是，所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，当用户在实验构件属性列表中设置或修改属性值时，先判断输入的属性值是否合法，如果合法则接受新属性值，否则拒绝接受输入，并输出错误提示信息。

本发明所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法具有以下有益效果：用户可以根据自己的需求增加虚拟实验构件模型，进行虚拟实验，而不需要通过软件升级得到所需的虚拟实验构件模型，提高了虚拟教学实验的开放性，同时降低了虚拟教学实验的开发成本。所述虚拟实验构件模型使用可扩展标记语言格式存储，包括各种属性、属性值及虚拟实验构件模型的接口信息等参数数据，用户可根据需要设置所选择的虚拟实验构件的参数。用户还可以自行设置实验场景的运行参数，并通过显示读数、摆动指针、绘制波形、改变颜色显示方式动态展示计算结果，在接收到第一个计算结果数据包时分别建立结果数据解析线程和计算结果渲染线程，提高了动态展示计算结果的效率。所述虚拟实验构件库中存储的虚拟实验构件模型可适用于物理、化学、电工电子、自动控制、计算机等多学科的虚拟实验，增强了虚拟实验构件的重用性，提高了虚拟实验开发的效率。

附图说明

图1是本发明的总体流程图；

图2是本发明设计的基于图像和图形数据建模的虚拟实验构件示例；

图3是本发明搭建的虚拟实验场景示例；

图4是本发明示波器构件计算结果的动态展示效果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，包括以下步骤：

步骤一、用户采集或制作虚拟实验构件数据，所述数据中包括显示数据和参数数据，并利用这些数据对虚拟实验构件建模；

步骤二、将所有虚拟实验构件模型保存到虚拟构件库中；

步骤三、根据用户的需要，从虚拟构件库中挑选出所需的虚拟实验构件模型，并利用这些虚拟实验构件模型进行实验场景搭建；

步骤四、设置实验场景的运行参数，并运行实验场景，将运行实验场景产生的逻辑信息发送至计算模块，并动态展示计算结果。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述虚拟实验构件数据包括图像数据和图形数据，其中图像数据为显示数据为照片的数据，而图形数据为显示数据为制图的数据。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述每一虚拟实验构件数据均包括相应的显示数据和参数数据。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述图像数据和图形数据通过虚实融合方法，并结合其中的显示数据和参数数据，对虚拟实验构件进行建模。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述步骤三中的实验场景搭建包括：虚拟实验构件模型位置调整、大小缩放、角度旋转、虚拟实验构件模型属性设置和虚拟实验构件模型之间的连接关系设置。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，所述步骤三中，虚拟实验构件模型位置调整包括：从所需的虚拟实验构件模型的列表中将虚拟实验构件模型拖放到实验场景中，若发生虚拟实验构件模型之间的重叠，则通过将刚刚移来的虚拟实验构件模型向周边自动移位或退回到移出位的方式自动消除重叠现象。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，判断移来的虚拟实验构件模型与实验场景中其它虚拟实验构件模型发生重叠的步骤为：

(1)从虚拟实验构件模型的显示数据信息中提取出虚拟实验构件模型的包围盒，先求出每个图形和图像元素的包围盒，然后通过对这些包围盒求并得到虚拟实验构件模型的包围盒；

(2)判断所增加或编辑虚拟实验构件模型的包围盒是否与场景中已有虚拟实验构件模型的包围盒相交，如果相交发生重叠，否则未发生重叠。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，虚拟实验构件模型的包围盒是包围虚拟实验构件模型的最小矩形，它可以根据构成虚拟实验构件模型的图像和图形元素计算出来。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，建立虚拟实验构件模型之间的连接关系的步骤为：

(1)先后点击虚拟实验构件模型的两个接口；

(2)判断是否满足约束关系，如果所选接口类型不匹配，则输出接口类型不匹配信息并退出，否则执行步骤(3)；

(3)建立虚拟实验构件模型之间的连接关系，并可视化为连线，输出建立连接关系成功。

所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法中，当用户在实验构件属性列表中设置或修改属性值时，先判断输入的属性值是否合法，如果合法则接受新属性值，否则拒绝接受输入，并输出错误提示信息。

本发明中对虚拟实验构件进行建模时采用图像数据和图形数据的虚实融合方法，对于比较复杂的实验构件利用图像分割得到描述实验构件的图像信息即照片，对于相对简单的实验构件利用直线、矩形、圆形、多边形、文字等图形元素组合成图形数据即制图，综合使用图像数据和图形数据可完成对复杂实验构件主体部分以及实验构件接口部分的建模。例如，在测定溶液酸碱度的实验中，当用户需要的虚拟实验构件pH酸碱度计在虚拟实验构件库中不存在时，用户可以对真实pH酸碱度计拍摄照片采集图像数据，并设定量程，保存到pH酸碱度计的图像数据中；若实验中需要烧杯时，可使用简单的矩形和椭圆形组合得到图形数据，并设定容积的大小，保存到烧杯的图形数据中。用户可以根据需求随时增加需要的虚拟实验构件模型，不需要软件的升级和再开发，提高了虚拟教学实验的开放性；建模完成的虚拟实验构件存放在虚拟实验构件库中，可在多个实验中重复使用，当同一个虚拟实验构件模型在不同的实验中使用时，不需要重新设计和编码，降低了虚拟实验的开发成本。

图3是本发明搭建的虚拟实验场景示例。虚拟实验场景分为实验区、构件列表栏、导航工具栏和状态栏五个部分。实验区为用户完成虚拟实验构件编辑、场景搭建的主要工作区。虚拟实验构件列表栏存放用户检索添加的虚拟实验构件。导航工具栏提供场景搭建、场景运行等其它功能按钮。状态栏用于给出辅助提示。搭建实验场景时，可通过复制、粘贴命令增加虚拟实验构件模型，若增加的虚拟实验构件模型与实验场景中的其他虚拟实验构件模型发生重叠，则自动将增加的虚拟实验构件模型移动到实验场景右侧消除重叠现象；删除虚拟实验构件模型可通过按下键盘“Delete”键或在弹出菜单中选中删除虚拟实验构件模型菜单项完成。通过鼠标拖拽构件或点击剪切、粘贴菜单项可进行虚拟实验构件模型的调整，将其从原始位置拖放到目标位置，如果该虚拟实验构件模型在目标位置与实验场景中的其它虚拟实验构件模型发生重叠，则自动将该虚拟实验构件模型回退到不发生重叠的位置。使用鼠标拖拽位于虚拟实验构件模型的四个控制点、鼠标操作菜单或按钮命令，比例缩放虚拟实验构件模型；在二维平面内将虚拟实验构件左旋90度或右旋90度实现虚拟实验构件模型的旋转。

本发明中建立虚拟实验构件模型之间的连接关系的步骤为：点击虚拟实验构件模型的两个接口建立虚拟实验构件模型之间的连接关系，并可视化为连线；如果接口类型匹配，则建立连接成功，否则建立连接失败。接口类型包括Boolean(布尔)、P(正极)、N(负极)等，用于反应真实的实验构件接口所具有的类型。如果接口类型不匹配，可能会导致实验出现严重错误，比如将电源构件的正负极结反，可能导致构件烧毁。选中某连线，通过按下键盘“Delete”键或右击该连线在弹出菜单中执行删除命令即可删除虚拟实验构件模型之间的连接关系。

本发明运行实验场景并动态展示计算结果的步骤为：首先，加载并完善实验场景，为了检查用户输入的合法性、有效性以及计算的需要，在设置虚拟实验构件属性时检查属性是否可见、属性是否可修改、属性是否可计算、属性是否为枚举类性、属性是否为常量、属性值类型、以及属性取值范围。属性是否可见决定了是否将该属性显示在属性列表中；属性是否可修改决定了该属性是否可编辑；属性是否可计算决定了后台计算模块是否返回该模块的计算结果；属性是否为枚举类型决定了是否以下拉列表的形式在属性列表中显示该属性值；属性是否为常量决定了是否允许用户修改该属性的可计算性；属性值类型表明了属性值的类型，例如浮点型或布尔型；属性取值范围描述了属性值的最小值和最大值。这些属性检查有些服务于用户，有些服务于后台计算模块；然后，设置仿真参数和定制计算结果，设置仿真参数是对实验场景的参数设置，仿真参数包括仿真持续时间、仿真结果采样频率、仿真结果返回数据包大小、仿真结果回传频率等。图4是本发明双通道示波器构件计算结果的动态展示效果，对于计算结果中的点序列{(t₁，v₁)，(t₂，v₂)，(t₃，v₃)，...，(t_n，v_n)}，其中t_i为仿真时间，v_i为某一实验构件特定属性的仿真值(i＝1，2，3，...，n)，可根据需求进行设置，从而进行虚拟实验；最后，发送实验场景、等待后台计算结果的返回，并将接收到的计算结果动态展示给用户，将实验场景的逻辑信息(去除了与计算无关的可视化信息)发送给后台计算模块，从后台计算模块接收计算结果，并通过显示读数、摆动指针、绘制波形、改变颜色方式动态展示计算结果。在显示读数效果时，根据设计实验构件时指定的文本字体、字形、字号将v_i所表示的读数绘制在实验构件上。在摆动指针效果时，v_i为摆动角度值，先根据该值对需要摆动的指针进行旋转操作，然后再绘制该指针。在绘制波形效果时，t_i为坐标系中的横坐标值，v_i为纵坐标值，在设置完画笔宽度、线形、颜色后，分别在任意相邻两点之间绘制一条直线。在改变颜色效果时，v_i数值表示构件某一部分的颜色，先根据该值设置画笔的颜色，然后再绘制实验构件。提高动态展示计算结果效率的方法为，在接收到第一个计算结果数据包时分别建立结果数据解析线程和计算结果渲染线程，结果数据解析线程负责将计算结果解析为计算结果渲染线程所需的数据格式，计算结果渲染线程使用解析后的数据渲染实验场景。显示读数指通过在虚拟实验构件的表面显示数字来展示结果，例如在万用表构件的表面显示测量的电压值或电流值。摆动指针指通过旋转指针来展示结果，例如在单摆实验中，通过旋转单摆构件的摆线来展示运行结果。双通道示波器构件通过绘制波形来展示结果。数码管构件通过改变每一段的颜色来表示数值。

本发明基于图像数据和图形数据的虚实融合方法实现了虚拟实验教学过程中虚拟实验构件的可视化建模、虚拟实验场景的可视化构建和计算结果的动态展示等，提出了开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法。用户可随时按需求增加虚拟实验构件模型，并设置虚拟实验构件模型的相关参数，提高了虚拟实验教学的开放性；且同一虚拟实验构件模型可在不同的实验中重复使用，降低了虚拟实验教学的开发成本。另外，用户可使用本发明中所述的方法设置虚拟实验场景的不同运行参数，有效地控制虚拟实验的进行，获得所需的实验数据和计算结果，并通过不同的方式动态展示计算结果。虚拟实验构件模型、虚拟实验场景符合国家相关标准，而且所述的建模和可视化方法具有通用性，能够对各种复杂实验构件进行可视化建模、对实验场景进行可视化构建，对计算结果进行动态展示，可适用于物理、化学、电工电子、自动控制、计算机等多学科的虚拟实验。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、用户采集或制作虚拟实验构件数据，所述数据中包括显示数据和参数数据，并利用这些数据对虚拟实验构件建模；

步骤二、将所有虚拟实验构件模型保存到虚拟构件库中；

步骤三、根据用户的需要，从虚拟构件库中挑选出所需的虚拟实验构件模型，并利用这些虚拟实验构件模型进行实验场景搭建；

步骤四、设置实验场景的运行参数，并运行实验场景，将运行实验场景产生的逻辑信息发送至计算模块，并动态展示计算结果。

2.如权利要求1所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，所述虚拟实验构件数据包括图像数据和图形数据，其中图像数据为显示数据为照片的数据，而图形数据为显示数据为制图的数据。

3.如权利要求2所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，所述每一虚拟实验构件数据均包括相应的显示数据和参数数据。

4.如权利要求2所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，所述图像数据和图形数据通过虚实融合方法，并结合其中的显示数据和参数数据，对虚拟实验构件进行建模。

5.如权利要求2所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，所述步骤三中的实验场景搭建包括：虚拟实验构件模型位置调整、大小缩放、角度旋转、虚拟实验构件模型属性设置和虚拟实验构件模型之间的连接关系设置。

6.如权利要求5所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，所述步骤三中，虚拟实验构件模型位置调整包括：从所需的虚拟实验构件模型的列表中将虚拟实验构件模型拖放到实验场景中，若发生虚拟实验构件模型之间的重叠，则通过将刚刚移来的虚拟实验构件模型向周边自动移位或退回到移出位的方式自动消除重叠现象。

7.如权利要求6所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，判断移来的虚拟实验构件模型与实验场景中其它虚拟实验构件模型发生重叠的步骤为：

(1)从虚拟实验构件模型的显示数据信息中提取出虚拟实验构件模型的包围盒，先求出每个图形和图像元素的包围盒，然后通过对这些包围盒求并得到虚拟实验构件模型的包围盒；

(2)判断所增加或编辑虚拟实验构件模型的包围盒是否与场景中已有虚拟实验构件模型的包围盒相交，如果相交发生重叠，否则未发生重叠。

8.如权利要求7所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，虚拟实验构件模型的包围盒是包围虚拟实验构件模型的最小矩形，它可以根据构成虚拟实验构件模型的图像和图形元素计算出来。

9.如权利要求5所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，建立虚拟实验构件模型之间的连接关系的步骤为：

(1)先后点击虚拟实验构件模型的两个接口；

(2)判断是否满足约束关系，如果所选接口类型不匹配，则输出接口类型不匹配信息并退出，否则执行步骤(3)；

(3)建立虚拟实验构件模型之间的连接关系，并可视化为连线，输出建立连接关系成功。

10.如权利要求5所述的开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，其特征在于，当用户在实验构件属性列表中设置或修改属性值时，先判断输入的属性值是否合法，如果合法则接受新属性值，否则拒绝接受输入，并输出错误提示信息。

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