CN111814095A - 一种虚拟实验中的探究式交互算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟实验中的探究式交互算法，设置实验内容

在实验内容

情况下，交互方式采用可探究式交互模式，包括用户意图理解阶段和智能交互阶段，在用户意图理解阶段，用户意图I_k将得到系统反馈r_k，

N表示当前实验内容

下用户可能表达的意图数量并作为决定当前实验内容

是否更新的一个重要依据，当前实验内容会更新为

以满足用户的探究性操作，用户的可执行意图集合会随着实验内容的更新而更新。本发明有利于用户意图的灵活表达以便将更多精力集中在对实验内容的探究和学习上，满足了用户的创新性交互意图，对提升用户创新能力和求知欲有极大帮助。

Description

一种虚拟实验中的探究式交互算法

技术领域

本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种用于虚拟实验的人机交互方法，具体是指一种虚拟实验中的探究式交互算法。

背景技术

交互的在计算机中的概念是“参与活动的对象，可以相互交流”，即当前活动的参与者之间，存在着信息交流和互动。在传统的教学中，老师将自身的知识、经验和学生分享，学生利用接收到的信息向老师进行答疑，这种老师与学生之间的授课行为可以称之为交互。随着科技革新和发展需求，传统教学中的存在的部分缺陷亟待解决，从而产生了虚拟教学方式。虚拟教学在一定程度上弥补了传统教育方式的一些不足，然而交互双方不再是“人-人”而是“人-电脑”，电脑不像人一样具备灵活的思维，不存在感性的认知，这使“人机”之间的交互变得吃力。

虚拟教学通常被用来帮助学生学习一些科学实验课程，例如化学、物理和生物等学科中包含一些无法实践或者难以实践的实验，以及部分实验的实验现象无法被肉眼观察到的情况，通过虚拟教学能给学生提供学习和理解这些知识的机会。学生能够通过先进的交互技术向系统发出指令，以到达学习实验、验证结果、深化理解的目的。在这个过程中，用户作为交互的发起者具有交互的主导性，计算机作为交互的接受者主要满足发起者的交互意图。

然而在当前的虚拟实验教学中，普遍存在以下问题：首先，计算机作为接受者有点“不聪明”，即计算机对用户的一些意图理解情况使用户失望，用户需要改变自身的表达方式来适应计算机的理解能力，而这项工作显然是计算机的；其次，用户在虚拟实验教学上花费的时间随着实验内容的增多而大幅增加，这同时带了用户单位时间内交互负荷的增长；最后，用户的创新性意图得不到理解和反馈，即用户偏离标准实验流程的意图会使计算机感到困惑，用户的一些设想例如改变实验条件，调整实验反应物等无法得到计算机的支持，极大地损害了用户学习和探究的积极性。

这些问题的共性是灵活性不足和计算机交互模式固化，计算机无法灵活的理解用户，仅被动性地按照固有模式与用户进行交互，导致用户反而需要顾及计算机的理解能力，本末倒置的交互模式造成了交互体验差，教学效果差，用户积极性不足等问题的发生。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种解决了当前虚拟实验教学中普遍存在的上述提到的部分缺陷和不足，又赋予了虚拟教学方法更强的智能性，实用性和普及能力的虚拟实验中的探究式交互算法。

本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种虚拟实验中的探究式交互算法，设置实验内容

Cdata表示包含所有虚拟化学内容的数据库，在实验内容

情况下，根据当前信息推测用户当前的操作意图为：

其中

表示在时间段[[t₁，t₂]]内,第i个通道的用户交互信息,

表示当前实验内容下用户能够执行的意图集合，

交互方式采用可探究式交互模式，包括用户意图理解阶段和智能交互阶段，在用户意图理解阶段，用户意图I_k将得到系统反馈r_k，

N表示当前实验内容

下用户可能表达的意图数量并作为决定当前实验内容

是否更新的一个重要依据，当前实验内容会更新为

以满足用户的探究性操作，

用户的可执行意图集合会随着实验内容的更新而更新，

其中，所述的通道数i具有多个，各通道信息之间具有互补关系并在用户主观意图下，存在于当前所有通道信息之间，将用户的一次意图表达过程定义为一个操作单元U_ac＝{I_k，r_k},这个单元描述了用户的操作意图I_k和最终得到的反馈r_k，操作单元U_ac的值表示当前用户操作结果是否满足用户期望，定义以下关系：

ε表示用户评判操作结果是否符合预期的一个阈值，当U_ac＝1，用户在满足预期的情况，不会进行不必要的更多操作；当U_ac＝0时，用户需要更改表达意图的方式来达到实现预期的目的；根据公式(1)中定义的用户操作意图I_k，用户表达意图的信息来自三个通道，如果当前用户仅采用了单个通道的信息得到U_ac＝0的结果，用户可以根据公式(4)选择新增加通道信息来增强表达，或者选择另一种通道信息来表达意图，

其中n表示当前用户意图包含的通道数，

表示用户选择的一种或多种通道信息，在用户重新表达意图之后，操作单元U_ac也会更新，进而重新描述用户的一次意图表达过程；

在智能交互阶段，用户基于当前实验内容对实验过程中的变量进行一般操作或探究式操作(EPAC)，描述的一般操作或探究式操作均针对实验内容中某一个类型的变量，当执行成功时Value(EPAC)＝1,否则Value(EPAC)＝0，根据对关键因素和变量的定义，对交互算法内容进一步定义如下，

在用户意图理解阶段得到用户的意图行为A_i，这个行为在可行性分析阶段可以解析为A_i＝{EPAC，NO_EPAC}，首先判定该行为的类别，

如果A_i＝1，则需要考虑当前的探究式操作的有效性，即Value(EPAC)；

否则A_i＝0，表示标准流程操作，按照实验内容继续执行，不再进入算法的下一步，经过可行性分析后，用户行为的有效性得到确定，此时算法进入即时更新阶段。

作为优选，当给定一个实验内容

进行虚拟化学实验时，用户的所有初始操作意图都将基于当前实验内容发出，这些初始用户意图的操作对象可以表示为Ta＝{Eq_iEr_i，Rc_i}，它包含三个内容：实验器材Eq_i(i＝0，1，2...)，实验试剂Er_i(i＝0，1，2...)，反应条件Rc_i(i＝0，1，2...)，从而用以下反应方程式定义当前的实验内容：

αEr_i+βEr_j＝Rt(Condition：Rc，Eq；Target：Ta；Phenomenon：Ep；) (7)

其中α和β为常系数，表示反应物Er_i和Er_j的反应比例，Rt表示实际化学反应后的生成物，Rc和Eq表示当前实验的反应条件，Ta则表示用户当前意图操作的具体对象，Ep表示实验现象。

作为优选，定义三种典型的探究性操作(EPAC)分别为Aoe(Seq)、Apr(α，β，…)和Atr(Er)，Aoe(Seq)代表调整实验顺序，Apr(α，β，…)代表调整反应物的比例，Atr(Er)代表调整反应物类型，算法进入即时更新阶段时以Aoe(Seq)为例，用户意图调整实验次序，在验证这个操作的有效性之后，算法会更新实验内容：

进一步的，所述的更新实验内容实验内容包含所有被EPAC影响的内容，涵盖公式(7)中的所有相关变量，新的执行顺序将会替代旧实验内容的执行顺序，从而更新得到新的实验内容

这个过程是隐式的，对用户不可见，用户仅在智能反馈阶段得到一段反馈信息r_k，反馈信息包含对用户行为结果的反馈和对用户行为的造成实验内容改变的提示信息两种内容。

采用以上方案后，本发明解决问题的方法分为两步：第一步，用户意图理解，我们首先对当前教学内容下的用户意图进行分类，提出一种利用视觉，听觉，触觉等多通道信息之间的纽带关系确定当前用户意图分类的划分策略，然后根据多通道信息的识别结果最终确定当前用户意图；第二步，智能交互，提出一种探究式实验交互模式，改变一般性虚拟实验教学中存在教学流程固化，不灵活的情况，针对每一次的用户意图(来自第一步)，系统都会给出反馈结果，并检验自己的教学数据库，实时地调整当前实验教学内容。实验结果表明，本发明所提出的方法在虚拟化学实验中的运用得到了用户的普遍认可，用户的积极性和学习效果有了显著提升，探究式交互模式的应用，使用户表现出了更大的学习积极性，由被动学变为主动学，由客观接收知识变为主动获取知识。

综上所述，本发明所提供的技术方案一方面利用多通道融合技术对用户意图进行评估和明确，有利于用户意图的灵活表达，使用户将更多精力集中在对实验内容的探究和学习上，另一方面通过实时更新内容，满足用户的创新性交互意图，对提升用户的创新能力和求知欲有极大帮助。

附图说明

图1为本发明中探究式交互算法流程示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本发明方案的技术特点，下面结合附图，并通过具体实施方式，对本方案进一步阐述。

如图1中所示，一种虚拟实验中的探究式交互算法，设置实验内容

Cdata表示包含所有虚拟化学内容的数据库，在实验内容

情况下，根据当前信息推测用户当前的操作意图为：

其中

表示在时间段[[t₁，t₂]]内,第i个通道的用户交互信息,

表示当前实验内容下用户能够执行的意图集合，其特征在于，

交互方式采用可探究式交互模式，包括用户意图理解阶段和智能交互阶段，在用户意图理解阶段，用户意图I_k将得到系统反馈r_k，

N表示当前实验内容

下用户可能表达的意图数量并作为决定当前实验内容

是否更新的一个重要依据，当前实验内容会更新为

以满足用户的探究性操作，

用户的可执行意图集合会随着实验内容的更新而更新，

其中，所述的通道数i具有多个，各通道信息之间具有互补关系并在用户主观意图下，存在于当前所有通道信息之间，将用户的一次意图表达过程定义为一个操作单元U_ac＝{I_k，r_k},这个单元描述了用户的操作意图I_k和最终得到的反馈r_k，操作单元U_ac的值表示当前用户操作结果是否满足用户期望，定义以下关系：

ε表示用户评判操作结果是否符合预期的一个阈值，当U_ac＝1，用户在满足预期的情况，不会进行不必要的更多操作；当U_ac＝0时，用户需要更改表达意图的方式来达到实现预期的目的；根据公式(1)中定义的用户操作意图I_k，用户表达意图的信息来自三个通道，如果当前用户仅采用了单个通道的信息得到U_ac＝0的结果，用户可以根据公式(4)选择新增加通道信息来增强表达，或者选择另一种通道信息来表达意图，

其中n表示当前用户意图包含的通道数，

表示用户选择的一种或多种通道信息，在用户重新表达意图之后，操作单元U_ac也会更新，进而重新描述用户的一次意图表达过程；

在智能交互阶段，用户基于当前实验内容对实验过程中的变量进行一般操作或探究式操作(EPAC)，描述的一般操作或探究式操作均针对实验内容中某一个类型的变量，当执行成功时Value(EPAC)＝1,否则Value(EPAC)＝0，根据对关键因素和变量的定义，对交互算法内容进一步定义如下，

在用户意图理解阶段得到用户的意图行为A_i，这个行为在可行性分析阶段可以解析为A_i＝{EPAC，NO_EPAC}，首先判定该行为的类别，

如果A_i＝1，则需要考虑当前的探究式操作的有效性，即Value(EPAC)；

否则A_i＝0，表示标准流程操作，按照实验内容继续执行，不再进入算法的下一步，经过可行性分析后，用户行为的有效性得到确定，此时算法进入即时更新阶段。

在本实施例中，当给定一个实验内容

进行虚拟化学实验时，用户的所有初始操作意图都将基于当前实验内容发出，这些初始用户意图的操作对象可以表示为Ta＝{Eq_iEr_i，Rc_i}，它包含三个内容：实验器材Eq_i(i＝0，1，2...)，实验试剂Er_i(i＝0，1，2...)，反应条件Rc_i(i＝0，1，2...)，从而用以下反应方程式定义当前的实验内容：

αEr_i+βEr_j＝Rt(Condition：Rc，Eq；Target：Ta；Phenomenon：Ep；) (7)

其中α和β为常系数，表示反应物Er_i和Er_j的反应比例，Rt表示实际化学反应后的生成物，Rc和Eq表示当前实验的反应条件，Ta则表示用户当前意图操作的具体对象，Ep表示实验现象。

定义三种典型的探究性操作(EPAC)分别为Aoe(Seq)、Apr(α，β，…)和Atr(Seq)，Aoe(Seq)代表调整实验顺序，Apr(α，β，…)代表调整反应物的比例，Atr(Er)代表调整反应物类型，如表1中所示，

表1

当算法进入即时更新阶段时以Aoe(Seq)为例，用户意图调整实验次序，在验证这个操作的有效性之后，算法会更新实验内容：

所述的更新实验内容实验内容包含所有被EPAC影响的内容，涵盖公式(7)中的所有相关变量，新的执行顺序将会替代旧实验内容的执行顺序，从而更新得到新的实验内容

这个过程是隐式的，对用户不可见，用户仅在智能反馈阶段得到一段反馈信息r_k，反馈信息包含对用户行为结果的反馈和对用户行为的造成实验内容改变的提示信息两种内容。

通过以上方式，用户就能对自我行为带来的结果和联动影响有了清楚的认识，便于用户调整后续的实验操作或者重新实验。探究式交互算法的核心就是推测当前用户的操作意图，在判定用户操作意图是否有效后，根据用户行为的类别(EPAC or NO_EPAC)为用户提供实时有效地反馈和实验内容更新，同时为用户提供灵活稳定的实验环境，以满足用户对实验进行创新探究、实验验证和数据分析等一系列的交互需求。

探究式交互算法步骤如下：

最后，还应说明，上述举例和说明也并不仅限于上述实施例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种虚拟实验中的探究式交互算法，设置实验内容

Cdata表示包含所有虚拟化学内容的数据库，在实验内容

情况下，根据当前信息推测用户当前的操作意图为：

其中

表示在时间段[[t₁，t₂]]内,第i个通道的用户交互信息,

表示当前实验内容下用户能够执行的意图集合，其特征在于，

交互方式采用可探究式交互模式，包括用户意图理解阶段和智能交互阶段，

在用户意图理解阶段，用户意图I_k将得到系统反馈r_k，

N表示当前实验内容

下用户可能表达的意图数量并作为决定当前实验内容

是否更新的一个重要依据，当前实验内容会更新为

以满足用户的探究性操作，

用户的可执行意图集合会随着实验内容的更新而更新，

其中，所述的通道数i具有多个，各通道信息之间具有互补关系并在用户主观意图下，存在于当前所有通道信息之间，将用户的一次意图表达过程定义为一个操作单元U_ac＝{I_K，r_k},这个单元描述了用户的操作意图I_k和最终得到的反馈r_k，操作单元U_ac的值表示当前用户操作结果是否满足用户期望，定义以下关系：

ε表示用户评判操作结果是否符合预期的一个阈值，当U_ac＝1，用户在满足预期的情况，不会进行不必要的更多操作；当U_ac＝0时，用户需要更改表达意图的方式来达到实现预期的目的；根据公式(1)中定义的用户操作意图I_k，用户表达意图的信息来自三个通道，如果当前用户仅采用了单个通道的信息得到U_ac＝0的结果，用户可以根据公式(4)选择新增加通道信息来增强表达，或者选择另一种通道信息来表达意图，

其中n表示当前用户意图包含的通道数，

表示用户选择的一种或多种通道信息，在用户重新表达意图之后，操作单元U_ac也会更新，进而重新描述用户的一次意图表达过程；

在智能交互阶段，用户基于当前实验内容对实验过程中的变量进行一般操作或探究式操作(EPAC)，描述的一般操作或探究式操作均针对实验内容中某一个类型的变量，当执行成功时Value(EPAC)＝1,否则Value(EPAC)＝0，根据对关键因素和变量的定义，对交互算法内容进一步定义如下，

在用户意图理解阶段得到用户的意图行为A_i，这个行为在可行性分析阶段可以解析为A_i＝{EPAC，NO_EPAC}，首先判定该行为的类别，

如果A_i＝1，则需要考虑当前的探究式操作的有效性，即Value(EPAC)；

否则A_i＝0，表示标准流程操作，按照实验内容继续执行，不再进入算法的下一步，经过可行性分析后，用户行为的有效性得到确定，此时算法进入即时更新阶段。

2.根据权利要求1所述的，一种虚拟实验中的探究式交互算法，其特征在于，当给定一个实验内容

进行虚拟化学实验时，用户的所有初始操作意图都将基于当前实验内容发出，这些初始用户意图的操作对象可以表示为Ta＝{Eq_iEr_i，Rc_i}，它包含三个内容：实验器材Eq_i(i＝0，1，2...)，实验试剂Er_i(i＝0，1，2...)，反应条件Rc_i(i＝0，1，2...)，从而用以下反应方程式定义当前的实验内容：

αEr_i+βEr_j＝Rt(Condition：Rc，Eq；Target：Ta；Phenomenon：Ep；) (7)

其中α和β为常系数，表示反应物Er_i和Er_j的反应比例，Rt表示实际化学反应后的生成物，Rc和Eq表示当前实验的反应条件，Ta则表示用户当前意图操作的具体对象，Ep表示实验现象。

3.根据权利要求2所述的一种虚拟实验中的探究式交互算法，其特征在于，定义三种典型的探究性操作(EPAC)分别为Aoe(Seq)、Apr(α，β，…)和Atr(Er)，Aoe(Seq)代表调整实验顺序，Apr(α，β，…)代表调整反应物的比例，Atr(Er)代表调整反应物类型，算法进入即时更新阶段时以Aoe(Seq)为例，用户意图调整实验次序，在验证这个操作的有效性之后，算法会更新实验内容：

4.根据权利要求3所述的一种虚拟实验中的探究式交互算法，其特征在于，所述的更新实验内容实验内容包含所有被EPAC影响的内容，涵盖公式(7)中的所有相关变量，新的执行顺序将会替代旧实验内容的执行顺序，从而更新得到新的实验内容

这个过程是隐式的，对用户不可见，用户仅在智能反馈阶段得到一段反馈信息r_k，反馈信息包含对用户行为结果的反馈和对用户行为的造成实验内容改变的提示信息两种内容。

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