CN104064088A - 具有动态响应的仿真实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有动态响应的仿真实验系统，包括通讯连接的中控模块和仿真实验器材模块，所述中控模块用来实时检测仿真实验器材模块的连接状态，根据其连接状态为仿真实验器材模块赋予物理参数值和物理状态；所述仿真实验器材模块用于显示物理现象和响应使用者的操作。本发明的仿真实验系统在用户进行仿真实验对仿真实验器材进行操作时可实时产生对应的物理现象以及物理参数属性，能够使得实验者低成本、零消耗的进行物理实验并了解实验对应产生的物理变化。

Description

具有动态响应的仿真实验系统

技术领域

本发明涉及一种实验系统，尤其涉及用在中小学教学领域的仿真实验系统，属于教学器材领域。

背景技术

在传统的实验教学中，通常是根据学生的人数准备足够量的实验器材，以足够每组或每个学生进行相应的物理化学实验，这就要求学校耗费巨额资金购买相应的实验器材，大大增加了学校的运营成本；同时，在实验器材使用过程中，会出现损坏、学生人数扩招等情形，实验器材并无法始终和及时满足学生使用。

针对上述问题，结合计算机技术的发展，本领域尝试将仿真实验技术引入了实验教学领域，但是已有的仿真实验系统仅仅是类似于视频播放式的系统，学生无法进行自主实验设计，只能按规定好的流程使用，也就是说这些系统是针对课本记载的实验去订做的；同时，传统的仿真系统是基于鼠标的交互模式开发的，使用不便，适用性不好。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明公开了一种具有动态响应的仿真实验系统，该系统在实验中引入了基于计算机计算和判断的步骤，从而使得仿真出的实验器材可以实时产生对应的物理现象和物理属性变化，实验数据随实验条件变化而动态变化，从而使学生理解和掌握真实的物理现象和物理原理；并且该仿真系统依旧能解决传统实验器材缺乏的问题，具有零消耗、无风险、无需预先准备实验器材、无需后续维护等优势。

具体的说，本发明是通过下述技术方案实现的：

具有动态响应的仿真实验系统，包括通讯连接的中控模块和仿真实验器材模块，所述中控模块用来实时检测仿真实验器材模块的连接状态，根据其连接状态为仿真实验器材模块赋予物理参数值和物理状态；所述仿真实验器材模块用于生成仿真实验器材、显示物理现象和响应使用者的操作。

在上述中，为了便于操作，整个系统是运行在具有触摸屏的计算机上，由计算机的处理器执行相关的逻辑判断，由触摸屏响应使用者(学生)摆放、连接仿真物理器材的操作。

其中，中控模块通过碰撞检测的方法检测仿真实验器材模块的连接状态。

碰撞检测方法是在计算机游戏设计中常用的算法，包括离散点的碰撞检测和连续碰撞检测。其中，离散点的碰撞检测是指定某一时刻T的两个静态碰撞体，看它们之间是否交迭，如果没有交迭则返回它们最近点的距离，如果交迭则返回交迭深度，交迭方向等。连续碰撞检测则是分别指定在T1、T2两个时刻两个碰撞体的位置，看它们在由T1运动到T2时刻的过程中是否发生碰撞，如果碰撞则返回第一碰撞点的位置和法线。

上述两种检测算法在计算机领域可由编程人员实现，具体采用的碰撞检测方法可以是四叉树、包装盒等多种方法。

具体到本发明的实现，既可以采用计算机游戏设计领域已有的碰撞检测方法实现，也可以针对本发明所针对的仿真实验的有限性，采用针对每个仿真实验器材执行循环遍历，将周围的所有其它仿真实验器材取出逐个判断与这个仿真实验器材的反应操作的碰撞检测方法。

通过循环遍历，得到仿真实验器材之间的连接状态，从而由中控模块计算产生相应的物理现象、属性的值将其赋予给对应的仿真实验器材从而在显示屏上显示出对应的物理现象。

针对不同的物理实验类型，上述的实现方法表现为不同的判断步骤，对于常见的diy实验，只要通过判断器材间的连接，然后由对应的器材产生发光、发声等现象即可。

对于电学仿真实验，由于要赋予实验器材对应的电压、电流、电阻等值，所用的碰撞检测方法具体包括如下步骤：

1通过遍历所有电学仿真实验器材获取电路节点数据，并记录仿真实验器材的可接点；

2根据步骤①的数据，筛选有效节点并且计算相应电学路径；

3遍历基于步骤②形成的电路图数据，获得电路图数据中的所有串联和并联，并根据路径分析串并联结构；

4根据串并联结构计算并分配给仿真实验器材相应的电学参数。

通过上述改进，本发明的仿真实验系统实现了下述目的：

1.不受安全性等限制，学生可直接做教材中所有实验，并且可以自行设计实验内容，产生真实对应的物理现象；

2.老师可以在学生做实验之前进行串讲，并且学生在做实验之前进行预习，实验后进行复习、探索；

3.可模拟实验室没有相关仪器的实验，或可根据学生兴趣需求进行其它相应的实验。

附图说明

图1为本发明的仿真实验系统框架结构图；

图2为本发明实施例1滑动变阻器结构示意图；

图3为本发明实施例2电路通路示意图；

图4为本发明实施例2局部电路串并联结构示意图。

具体实施方式

参考图1，本发明的仿真实验系统，包括中控模块和仿真实验器材模块，通过该仿真实验器材模块产生多个实验器材：实验器材1、实验器材2、实验器材3、实验器材4.。。。。。实验器材n等，仿真实验器材模块用来对用户的操作相关实验器材的操作产生响应，中控模块用来实时检测仿真实验器材模块中的实验器材的连接状态，根据其连接状态为仿真实验器材模块赋予物理参数值和物理状态，从而使得对应的实验器材产生相应的现象。

下面申请人给出两个具体的实验情景对本发明的仿真实验系统的工作过程进行介绍。

实施例1:单独实验器材的内部通路变化

参考图2，为滑动变阻器，内部有6条通路：A-B、A-C、A-D、B-C、B-D、C-D，每条内部通路有不同阻值，如CD表示底部两个接线柱，电阻值是滑动变阻器的最大电阻值，AB的电阻值为0，AC/BD/AD/BC根据当前滑片的位置和滑动变阻器最大阻值进行计算。

用户可以操作该仿真器材，达到状态改变的目的。如将导线接到某个接线柱上、闭合开关、调整滑动变阻器、调整电源电压等，中控模块检测到这些调整操作，实验器材会根据从中控模块接受到的相关信息产生相应的现象，这些信息可以是：每个内部通路的工作电压、每个内部通路的工作电流、每个内部通路的电流方向、每个内部通路的工作发电电压。

同样的原理，灯泡接受到了“每个内部通路的工作电压”的信息，计算并显示该电压应有的发光、光亮或烧毁等现象。

实施例2:电路的连接状态判断

具体的过程如下：

1、获取电路节点数据(每一个器材之间的连接点)；

2、筛选有效节点并且计算相应路径(每一个电源的正极到达相应负极的路径)；

3、根据路径分析串并联结构；

4、根据串并联结构计算并分配给器材相应的电压、电流、电阻等。①关于 获取电路节点数据(每一个器材之间的连接点)

遍历舞台上所有电学实验器材，将实验器材的可接点统一记录起来。

②关于筛选有效节点并且计算相应路径(每一个电源的正极到达相应负极 的路径)

根据①里的数据，计算所有从电源正极到达负极的可行路径，X表示某电源的正极，Y表示相应的负极，如图3的电路通路，可得到如下电路图数据矩阵：{X、1、2、7、8、Y}

{X、3、6、7、8、Y}

{X、4、6、7、8、Y}

{X、5、6、7、8、Y}

如果有多个不相连的电路，那么会储存多个“电路图数据”，每个“电路图数据”将有自己的完整有效节点路径(即正极到负极的所有可行路径)，他们是各自独立的。如

电路A：

{X、1、2、7、8、Y}

{X、3、6、7、8、Y}

..........

电路B：

{X、1、3、5、7、Y}

{X、2、4、6、8、Y}

..........

③关于根据路径分析串并联结构

A：遍历每个“电路图数据”，开始分解根据它下面的所有路径，将整个电路图数据中的所有串联和并联的情况都获取出来，如图4所示的路径是

路径1：{X、1、3、Y}

路径2：{X、2、3、Y}

从而得知存在两个串并联关系，

1、①和②并联

2、③和①②串联

中控模块根据路径中的相同与不同来分析出串联还是并联关系，如路径1所示，他们共同点都是通过3，而不同点在于①和②，从而判断出③与①②串联，而①与②是并联。

④关于根据串并联结构计算并分配给器材相应的电压、电流、电阻等

1、根据“电路图数据”的节点信息以及相关器材信息和路径，优先计

2、算电路总电压；

2、计算电阻，根据串并联的关系计算出每个路段的总电阻，从最里往外开始计算，比如图4，根据单一用电器①、②、③的电阻，然后串并联组1(①和②并联)，那么串并联组1的总电阻①②＝1/(1/②的电阻+1/③的电阻)。而串并联组2(③和①②串联)，基于此过程中控模块计算出串并联组2的总电阻①②③＝③+①②

3、根据计算出所有串并联组的总电阻，层层求出用电器应有的电压，电流：

如③上的电压：U③＝(③的电阻/①②③的电阻)xU总

(串联电路中电压和电阻成正比)

如②上的电压：U②＝U总-U③

(并联电路电压都一样)4、中控模块将相应的电压、电流数据等通讯给仿真实验器材模块，由仿真实验器材模块使仿真实验器材产生相应的反应。

基于同样的过程，中控模块将电流方向传输过去，如电流表接反了，电流表示数往左偏转，并且通知内核该段电路视为断路。

Claims (4)

1.具有动态响应的仿真实验系统，包括通讯连接的中控模块和仿真实验器材模块，所述中控模块用来实时检测仿真实验器材模块的连接状态，根据其连接状态为仿真实验器材模块赋予物理参数值和物理状态；所述仿真实验器材模块用于生成仿真实验器材、显示物理现象和响应使用者的操作。

2.根据权利要求1的仿真实验系统，其特征在于中控模块通过碰撞检测的方法检测仿真实验器材模块的连接状态。

3.根据权利要求2的仿真实验系统，其特征在于所用的碰撞检测方法为针对每个仿真实验器材执行循环遍历，将周围的所有其它仿真实验器材取出逐个判断与这个仿真实验器材的反应操作。

4.根据权利要求3的仿真实验系统，其特征在于对于电学仿真实验，所用的碰撞检测方法具体包括如下步骤：①通过遍历所有电学仿真实验器材获取电路节点数据，并记录仿真实验器材的可接点；②根据步骤①的数据，筛选有效节点并且计算相应电学路径；③遍历基于步骤②形成的电路图数据，获得电路图数据中的所有串联和并联，并根据路径分析串并联结构；④根据串并联结构计算并分配给仿真实验器材相应的电学参数。