CN112396875B - 一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统。该系统包括用户界面模块、数据识别模块、物理运动计算模块、动画和图表模块。本发明基于笔式交互的交互方式进行设计，保留了传统课堂教学的讲解方式，使用物理引擎对教师在黑板上绘制的物块进行运动仿真，有利于学生直观观察物块运动；结合运动图像的展示，使学生可以在观察现象的同时总结物理运动的特征，便于其理解各物理量之间的关系；使用自然笔式手势设计，便于在不同输入模式之间进行切换，减轻使用者交互的负担。

Description

一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统
技术领域
本发明涉及物理教学技术领域，特别是涉及一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统。
背景技术
国内外对现代信息技术辅助教学系统有广泛而深入地研究，在物理教学领域有很多让人耳目一新的想法和成熟的应用。JensWeppner等设计了一种基于谷歌眼镜平台的应用，该原型用于声学领域的物理实验，最初的使用场景是帮助学生找出玻璃棒撞击水杯产生的声音音调与水杯中水的高度之间的关系。Oleg Yavoruk展示了如何将增强/虚拟现实、等距投影等技术用于物理课堂中，给老师和学生提供更丰富的物理现象，并给出了如何使用这些技术的建议。
以上两种新技术的应用都会极大地提高学生的课堂专注度，让学生在快乐中学习。但不可避免的，新技术的应用改变了中学教师的授课习惯，无论是谷歌眼镜还是增强/虚拟现实技术，其硬件成本非常高昂。而且不适合于有晕动症的人群。
国内的NOBOOK平台，中国科学院大学、浙江大学等大学的虚拟实验平台，让学生通过鼠标与键盘模拟双手在虚拟仿真实验平台上进行实验。这些实验平台在实验操作的模拟、实验现象的仿真等方面做到了相当不错的程度。虽然改进了上述两种新技术的缺点，但是其仍然采用传统的WIMP界面交互方式，与传统的“黑板加粉笔”形式的授课方式不符。对于需要改变参数和自由度较大的实验，这些平台的支持度并不理想。
发明内容
本发明的目的是为物理运动实验教学提供一种新的教学途径，为学生创造便捷、安全的实验环境。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统，包括：
用户界面模块：用于接收用户输入和演示物理运动实验；
数据识别模块：用于识别输入的字符或者图形；
物理运动计算模块：用于计算在当前运动条件下物块运动的数据；
动画和图表模块：用于将物理引擎计算的结果以动画的形式展示到所述用户界面模块上，并将运动参数以图表的形式展示；
所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的。
优选地，所述用户界面模块将手写内容识别为图形数据或者字符数据；当手写内容被识别为图形数据，系统会调用物理运动计算模块，将图形进行修正并重新展示；当手写内容被识别为字符数据时，且这些字符组成的命令合法的情况下，系统会执行命令，更改图形的物理参数。
优选地，所述数据识别模块需要识别的数据分为两种：图形数据、字符数据，使用$Q分类器对所述图形数据进行识别，使用机器学习的方法训练模型对所述字符数据进行识别。
优选地，所述物理计算模块包括：图形修正子模块、命令执行子模块、物理引擎子模块。
优选地，所述图形修正子模块用于对识别到的物理图形进行修正后重新展示，所述修正功能包括自动规整物理图形，贴合图形。
优选地，所述命令执行子模块用于将输入的物理参数施加到物理模型上，在命令执行之前，所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统会对命令进行语法分析，防止执行非法的命令。
优选地，所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的，所述用户界面模块需要将获取的笔迹点集交给所述数据识别模块来识别，所述数据识别模块识别后需要给所述用户界面返回信息，更改所述用户界面的显示状态或识别模式。
优选地，当物理世界准备完毕时，在所述用户界面模块通过开始实验按钮、暂停实验按钮、重置实验按钮控制物理世界的行为。
优选地，所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统还包括命令推荐功能，在指定的物理实验环境中，将教师输入的字符与命令库中的命令进行比对，选择最相似的命令以列表的形式在所述用户界面模块展示，只需点击命令即可触发命令的执行。
本发明的有益效果为：
本发明设计并实现了一种物理运动实验演示系统PhyBoard。该系统通过记录教师的笔迹，对教师绘制的物理模型、手写的物理参数进行识别处理，通过物理引擎进行实验仿真，从而为中学物理课堂提供了一面“智慧黑板”。该系统摒弃了现有物理虚拟实验室WIMP的传统交互方式，基于笔式交互的交互方式进行设计，摆脱了键盘与鼠标的束缚，保留了传统课堂教学的讲解方式。
结合运动图像绘制功能，在观察现象的同时总结物理运动的特征，便于学生理解各物理量之间的关系。采用自然笔式手势设计，便于在不同输入模式之间的切换，减轻使用者的交互负担。因此，教师可以很快学习使用该系统，并用于教学中。该系统简化了教师的物理建模操作，节省了宝贵的课堂时间，达到了实验演示的教学目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明体系结构通信图；
图2为本发明“斜坡实验”仿真演示流程图；
图3为本发明“斜坡实验”演示实例图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统，包括：
用户界面模块：用于接收用户输入和演示物理运动实验；
数据识别模块：用于识别输入的字符或者图形；
物理运动计算模块：用于计算在当前运动条件下物块运动的数据；
动画和图表模块：用于将物理引擎计算的结果以动画的形式展示到所述用户界面模块上，并将运动参数以图表的形式展示；
所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的。
优选地，所述用户界面模块将手写内容识别为图形数据或者字符数据；当手写内容被识别为图形数据，系统会调用物理运动计算模块，将图形进行修正并重新展示；当手写内容被识别为字符数据时，且这些字符组成的命令合法的情况下，系统会执行命令，更改图形的物理参数。
优选地，所述数据识别模块需要识别的数据分为两种：图形数据、字符数据，使用$Q分类器对所述图形数据进行识别，使用机器学习的方法训练模型对所述字符数据进行识别。
优选地，所述物理计算模块包括：图形修正子模块、命令执行子模块、物理引擎子模块。
优选地，所述图形修正子模块用于对识别到的物理图形进行修正后重新展示，所述修正功能包括自动规整物理图形，贴合图形。
优选地，所述命令执行子模块用于将输入的物理参数施加到物理模型上，在命令执行之前，所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统会对命令进行语法分析，防止执行非法的命令。
优选地，所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的，所述用户界面模块需要将获取的笔迹点集交给所述数据识别模块来识别，所述数据识别模块识别后需要给所述用户界面返回信息，更改所述用户界面的显示状态或识别模式。
优选地，当物理世界准备完毕时，在所述用户界面模块通过开始实验按钮、暂停实验按钮、重置实验按钮控制物理世界的行为。
优选地，所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统还包括命令推荐功能，在指定的物理实验环境中，将教师输入的字符与命令库中的命令进行比对，选择最相似的命令以列表的形式在所述用户界面模块展示，只需点击命令即可触发命令的执行。
以中学阶段的“斜坡实验”为例，展示基于笔式交互的物理运动实验演示系统(如图1所示)的使用步骤：教师在用户界面上做出三角形图像，系统识别出三角形物块并重新绘制，使用字符手势切换到字符输入模式，如图2(a)(b)所示。教师通过手写命令将斜坡的坡度改为30°，使用对号手势触发命令的执行，如图2(c)所示。使用图形手势切换到图形输入模式，继续在斜坡的上端绘制矩形小物块，系统识别出矩形小物块，修正后重绘，并且将矩形小物块贴合到斜坡上，如图2(d)(e)(f)所示。教师点击用户界面右上角的“开始”按钮，系统进行“斜坡实验”仿真，默认的摩擦系数为0.5，小物块缓慢地从斜坡顶部滑落下来，到底部时，点击“暂停”按钮，停止仿真。系统在进行仿真演示时，实时给出矩形小物块的“速度-时间”图像，如图2(g)所示。
教师为了让学生直观感受到摩擦系数对矩形小物块运动的影响，再次切换到字符输入模式，通过手写命令更改斜坡与矩形小物块之间的摩擦系数为0.1。点击用户界面右上角的“重置”、“开始”按钮，系统将重新仿真在新摩擦系数下的“斜坡实验”，如图2(h)(i)所示。系统在进行仿真实验时，实时给出矩形小物块的“速度-时间”图像，并且与第一次实验曲线进行对比，如图3所示。在教师引导下，学生经过思考后得出实验结论：其他条件保持不变时，摩擦系数越小，物块下滑时“速度-时间”图像斜率越大，加速度越大。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统，其特征在于，包括：
用户界面模块：用于接收用户输入的命令和演示物理运动实验；
数据识别模块：用于识别输入的字符或者图形；
物理运动计算模块：用于计算在当前运动条件下物块运动的数据；
动画和图表模块：用于将物理引擎计算的结果以动画的形式展示到所述用户界面模块上，并将运动参数以图表的形式展示；
所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的；
所述物理运动计算模块包括：图形修正子模块、命令执行子模块、物理引擎子模块；其中，所述图形修正子模块用于对识别到的物理图形进行修正后重新展示，所述修正功能包括自动规整物理图形，贴合图形；所述命令执行子模块用于将输入的物理参数施加到物理模型上，在命令执行之前，所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统会对命令进行语法分析，防止执行非法的命令；
所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统还包括命令推荐功能，在指定的物理实验环境中，将教师输入的字符与命令库中的命令进行比对，选择最相似的命令以列表的形式在所述用户界面模块展示，只需点击命令即可触发命令的执行；
所述物理运动实验演示系统基于PhyBoard开发。
2.根据权利要求1所述的基于笔式交互的物理运动实验演示系统，其特征在于，所述用户界面模块将手写内容识别为图形数据或者字符数据；当手写内容被识别为图形数据，系统会调用物理运动计算模块，将图形进行修正并重新展示；当手写内容被识别为字符数据时，且这些字符组成的命令合法的情况下，系统会执行命令，更改图形的物理参数。
3.根据权利要求1所述的基于笔式交互的物理运动实验演示系统，其特征在于，所述数据识别模块需要识别的数据分为两种：图形数据、字符数据，使用＄Q分类器对所述图形数据进行识别，使用机器学习的方法训练模型对所述字符数据进行识别。
4.根据权利要求1所述的基于笔式交互的物理运动实验演示系统，其特征在于，所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的，所述用户界面模块需要将获取的笔迹点集交给所述数据识别模块来识别，所述数据识别模块识别后需要给所述用户界面返回信息，更改所述用户界面的显示状态或识别模式。
5.根据权利要求1所述的基于笔式交互的物理运动实验演示系统，其特征在于，当物理世界准备完毕时，在所述用户界面模块通过开始实验按钮、暂停实验按钮、重置实验按钮控制物理世界的行为。
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