CN114282837A - 一种物理化学实验教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物理化学实验教学系统，包括，采集模块，虚拟模块，课程模块，显示模块；采集模块、课程模块及显示模块分别与虚拟模块连接；采集模块用于采集动作信息及操作指令；课程模块用于采集物理化学实验课程，并对物理化学实验课程进行存储；虚拟模块用于根据操作指令，提取物理化学实验课程，并基于物理化学实验课程构建虚拟实验场景，根据动作信息对虚拟实验场景进行实时调整；显示模块用于对调整后的虚拟实验场景进行实时显示。通过上述技术方案，能够提供一种方便智能的实验教学系统，具有很强的实用性。

Description

一种物理化学实验教学系统

技术领域

本发明涉及教学管理技术领域，特别涉及一种物理化学实验教学系统。

背景技术

虚拟仿真是随着计算机技术发展而至的新兴技术。是多媒体技术结合仿真技术创造出一个集视觉、听觉、触觉及嗅觉为一体的虚拟现实世界，让使用者有身临其境的感觉，可以自然而然地感受到虚拟空间的一切客体，于此同时也可以和虚拟空间的客体们进行互动的技术。随着虚拟仿真技术的发展，不同的实验教学系统应允而生。对于不同的实验教学系统来说，其不同的实验课程需要配备不同的实验教学系统，物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象，大量采纳物理学的理论成就与实验技术，探索、归纳和研究化学的基本规律和理论，构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。物理化学学科的深入学习需要大量实验进行教学，但是现有系统中并没有一个单独适用于物理化学实验教学的系统。同时现有技术中，单个实验的课程需要配备单独一系列的仿真程序去进行实现，一个实验教学系统中一般只配备一个实验，在不同实验连续进行实验过程中，需要频繁调动程序，在实验系统的课程选择上不够方便，同时对于仿真实验的操作大多数通过输入设备进行指令的输入，操作用户无法进行动作上的模拟，实验教学系统不够智能化。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的实验教学系统不够智能化等问题，本发明提供一种物理化学实验教学系统，能够提供一种方便智能的实验教学系统。

为实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：

一种物理化学实验教学系统，包括：

采集模块，虚拟模块，课程模块，显示模块，

所述采集模块、所述课程模块及所述显示模块分别与所述虚拟模块连接；

所述采集模块用于采集所述动作信息及操作指令；

所述课程模块用于采集所述物理化学实验课程，并对所述物理化学实验课程进行存储；

所述虚拟模块用于根据操作指令，提取所述物理化学实验课程，并基于物理化学实验课程构建所述虚拟实验场景，根据动作信息对所述虚拟实验场景进行实时调整；

所述显示模块用于对调整后的虚拟实验场景进行实时显示。

可选的，所述采集模块包括信息采集模块及指令采集模块；

所述信息采集模块及所述指令采集模块分别与所述虚拟模块连接；

所述信息采集模块用于对所述动作信息进行采集，其中动作信息包括肢体动作、手部动作及头部动作；

所述指令采集模块用于对所述操作指令进行采集，其中操作指令包括课程选取、开始指令、结束指令及暂停指令。

可选的，所述课程模块包括课程收集模块及课程存储模块；

所述课程收集模块、课程存储模块、虚拟模块依次连接；

所述课程收集模块用于采集所述物理化学实验课程；

所述课程存储模块用于对所述物理化学实验课程进行分布式存储。

可选的，所述虚拟模块包括所述提取模块、构建模块及更新模块；

所述提取模块、构建模块及更新模块依次连接；

所述提取模块用于根据操作指令，对所述物理化学实验课程进行提取；

所述构建模块用于根据所述物理化学实验课程进行三维虚拟场景构建，获取虚拟实验场景，其中，所述虚拟实验场景中包括所述物理化学实验课程下的实验仪器、实验设备、实验材料及所述外部环境；

所述更新模块用于提取虚拟实验场景，并根据动作信息对所述虚拟实验场景中的实验仪器、实验设备、实验材料进行实时调整，并将实时调整后的虚拟实验场景进行图像截取，其中截取的图像包括，左眼图像及右眼图像。

可选的，所述虚拟模块还包括记录模块；

所述记录模块与所述更新模块连接；

所述记录模块用于对所述实时调整后的虚拟实验场景进行存储，对所述存储后的虚拟实验场景进行人体识别，并根据人体识别结果进行错误姿态估计及评分。

可选的，所述系统还包括登录模块；

所述登录模块包括用户登录模块及管理登录模块，

所述用户登录模块用于采集用户登录信息，并对用户登录信息进行验证，基于用户登录验证结果，开启所述采集模块及所述显示模块功能；

所述管理登录模块用于输入管理登录信息，并对管理登录信息进行验证，基于管理登录验证结果，对所述用户登录信息的验证信息进行调整；所述管理登录模块还基于管理登录验证结果对所述课程模块中的所述物理化学实验课程进行调整。

可选的，所述虚拟模块还包括展示模块；

所述展示模块分别与所述采集模块、所述显示模块、所述课程模块连接；

所述课程模块还用于采集所述物理化学实验课程的教学展示；

所述采集模块还用于采集教学展示相关的操作指令；

所述展示模块用于根据教学展示相关的操作指令，提取所述教学展示；

所述显示模块用于显示教学展示。

可选的，所述课程模块还包括提示模块；

所述提示模块与所述虚拟模块连接；

所述提示模块用于采集所述物理化学实验课程的实验提示；

所述虚拟模块用于基于所述实验提示及所述物理化学实验课程构建所述虚拟实验场景。

本发明具有如下技术效果：

本发明通过采集模块采集动作信息及操作指令，并通过操作指令调用课程模块中的课程信息，将课程信息传输给虚拟模块，在虚拟模块中根据课程信息构建虚拟实验场景，并根据动作信息对实验场景进行调整，将调整后的虚拟实验场景通过显示模块进行显示，学生可以根据显示结果生成对应的动作信息对虚拟实验场景进行调整。本发明通过上述技术方案，能够根据需要去调用相关的物理化学课程，不需要使用其他程序进行实验操作，同时在操作通过中，本发明通过采集动作信息进行虚拟场景的更新，能够使学生亲手去进行实验的操作，同时在操作之前可以进行实验教学操作的展示和操作过程中的提示，其智能化程度更高，具有很强的实用性。

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为本发明实施例提供的系统示意图。

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。

为了解决在现有技术中存在实验教学系统不够智能化等问题，本发明提供了如下方案：

如图1所述，本发明提供了一种物理化学实验教学系统，包括：

采集模块，虚拟模块，课程模块，显示模块，所述采集模块、所述课程模块及所述显示模块分别与所述虚拟模块连接；

所述采集模块用于采集所述动作信息及操作指令；所述采集模块包括信息采集模块及指令采集模块；所述信息采集模块及所述指令采集模块分别与所述虚拟模块连接；

所述信息采集模块用于对所述动作信息进行采集，其中动作信息包括肢体动作、手部动作及头部动作；所述信息采集模块采用Kinect外设来采集上述动作信息，同时作为优选的可以选择在肢体、手部及头部不同的位置安装定位装置，实时检测不同部位在空间中的位置关系将所述位置关系进行三维坐标下的转换，并根据转换结果实时计算三维坐标下的不同部位的运动姿态，将上述运动姿态作为动作信息进行输入，需要说明的是，使用定位装置之前，需要对定位的数据进行初始化校对，保证后续的模拟精度。

所述指令采集模块用于对所述操作指令进行采集，其中操作指令包括课程选取、开始指令、结束指令及暂停指令。操作指令可以选择相关输入外设进行使用，可选择键盘鼠标、语音装置等设备进行输入，通过输入外设输入课程选择及课程使用等相关的操作指令。

所述课程模块用于采集所述物理化学实验课程，并对所述物理化学实验课程进行存储；所述课程模块包括课程收集模块及课程存储模块；所述课程收集模块、课程存储模块、虚拟模块依次连接；

所述课程收集模块用于采集所述物理化学实验课程；所述物理化学实验课程中，需要对实验仪器、实验设备、实验材料及所述外部环境进行相关的设置，同时对于实验仪器、实验设备、实验材料的数量及位置进行确定，确定之后将数量及位置参数进行调整，调整为该实验相关的数据，作为优选的，可以将物理化学实验课程中的外部环境之间转换为三维虚拟场景，将实验相关仪器设备材料等通过三维虚拟场景构建软件进行调整，最后存储为虚拟场景，除了上述的虚拟场景的摆放之外，物理化学实验课程中还包括不同物质的反应原理，将上述反应原理转换为编程文件输入到虚拟场景中，通过不同的材料或者不同材料与设备之间的位置结合触发虚拟场景中的反应原理的编程文件，并通过改变虚拟场景中所显示的图像来对反应进行显示，虚拟场景中不同仪器、设备的显示、操作也需要后台的编程文件来创造联系。

所述课程存储模块用于对所述物理化学实验课程进行分布式存储。分布式存储通过多个存储设备构建的区块链进行存储，防止物理化学实验课程的存储丢失和损坏，保证存储的安全性。

所述课程模块还包括提示模块；所述提示模块与所述虚拟模块连接；所述提示模块用于采集所述物理化学实验课程的实验提示；所述虚拟模块用于基于所述实验提示及所述物理化学实验课程构建所述虚拟实验场景。提示模块在所述物理化学实验课程中扮演提示板的功能，提示模块中的实验提示与不同所述物理化学实验课程具有联系，当调用所述物理化学实验课程时，实验提示同时进行调用，来进行虚拟场景的构建。在虚拟场景构建中，实验提示可为固定的提示框或者文字提示展示在虚拟场景中。

所述虚拟模块用于根据操作指令，提取所述物理化学实验课程，并基于物理化学实验课程构建所述虚拟实验场景，根据动作信息对所述虚拟实验场景进行实时调整；所述虚拟模块包括所述提取模块、构建模块及更新模块；所述提取模块、构建模块及更新模块依次连接；

所述提取模块用于根据操作指令，对所述物理化学实验课程进行提取；提取模块根据操作指令的信息，对物理化学实验课程进行选择和提取，同时操作指令的相关指令会传输给更新模块，控制更新模块中的虚拟实验场景随时进行暂停和开启。

所述构建模块用于根据所述物理化学实验课程进行三维虚拟场景构建，获取虚拟实验场景，其中，所述虚拟实验场景中包括所述物理化学实验课程下的实验仪器、实验设备、实验材料及所述外部环境；虚拟试验场景的构建中，提取相关课程，并根据相关课程的参数进行虚拟场景的构建，若相关课程已通过虚拟场景的格式，并将所述不同仪器设备、材料等联系进行了相关的编程文件构建之后，可直接使用相关课程的虚拟场景，并对上述虚拟场景进行物理模型的联系构建，如相互力、碰撞、重力等物理参数进行构建，并对其他因素进行考虑，构建与实际操作相近的物理化学虚拟实验模型。

所述更新模块用于提取虚拟实验场景，并根据动作信息对所述虚拟实验场景中的实验仪器、实验设备、实验材料进行实时调整，并将实时调整后的虚拟实验场景进行图像截取，其中截取的图像包括，左眼图像及右眼图像。更新模块提取虚拟实验场景，构建实验人员模型，并将实验人员模型放置在虚拟场景中的特定的位置，在构建实验人员模型时，实时计算动作信息中的位置，速度，加速度，等信息，将动作信息与实验人员模型进行相关联系，保证实际人员能够操作实验人员进行相关的动作，同时将实验人员模型在后台编写相关文件，确保实验人员模型能够对虚拟实验场景中的仪器、设备、材料等进行拿取和放下等操作，上述技术内容可通过预先的文件设置进更新模块中，不需要实验人员模型的实时构建。用户通过控制实验人员模型进行实验操作，在操作过程中，用户控制的实验人员模型位置及动作进行实时更新，同时用户对虚拟场景中的材料、仪器及设备进行位置、变量、参数调整时，通过不同材料后台之间的联系实时对虚拟实验场景中的化学反应进行更新，在调整仪器及设备时，将仪器与设备的变化同时进行更新。

在虚拟实验场景中，不对虚拟实验人员的各项步骤进行提示，保证虚拟实验人员能够独自完成任务，当虚拟实验场景中实验人员进行错误的实验步骤或者操作时，调用课程中相关的反应原理，对虚拟实验场景继续进行更新，当反应原理中有温度高或者爆炸等信息时，在实验场景中显示相关的提示，并将相关的材料、设备或者仪器进行消除或者破碎显示，并提前结束实验。更新模块中对于催化，电化学，热量测试等过程中，通过实验配比的关系式对调整不同的物质信息进行统计，来生成不同实验结果，危险可通过各种形式进行展示，通过上述过程本发明通过虚拟实验场景能够对实际情况进行仿真，同时不对实验的步骤进行严格的设定，对用户的错误操作不进行提示，只显示危险的结果，使用户在虚拟场景中了解错误操作的危害，减少实际操作的危险。催化，电化学，热量测试等，过程中，通过实验配比的关系式对，添加不同的物质信息进行统计，来生成不同实验结果，危险可通过各种形式进行展示。

当开启提示模块后，将虚拟实验场景中会出现相关的提示，辅助用户完成任务。

更新模型还用于表图的构建，将实验中的数据进行统计，通过用户或者相关程序进行计算，并根据计算结果生成相关关系图，拟合直线或者其他图形，图形的构建中可将实验虚拟场景添加黑板、纸张或者显示屏等设备，进行计算结果图形的显示。

所述虚拟模块还包括记录模块；所述记录模块与所述更新模块连接；所述记录模块用于对所述实时调整后的虚拟实验场景进行存储，对所述存储后的虚拟实验场景进行人体识别，并根据人体识别结果进行错误姿态估计及评分,记录模块中提取正确实验的虚拟实验场景，将正确的虚拟实验场景与存储后的虚拟实验场景进行对应帧截取，截取过程中选择等时间截取，截取对应帧后，识别对应帧中的实验人员模型，并对对应帧中的人员进行姿态旋转对其及大小归一化，并识别四肢、头部、手部位置，对上述位置进行对比，计算误差，误差超出一定阈值时，判定为错误姿态，并根据误差进行相对应的评分。

所述虚拟模块还包括展示模块；所述展示模块分别与所述采集模块、所述显示模块、所述课程模块连接；所述课程模块还用于采集所述物理化学实验课程的教学展示；所述采集模块还用于采集教学展示相关的操作指令；所述展示模块用于根据教学展示相关的操作指令，提取所述教学展示；所述显示模块用于显示教学展示。教学展示为正确的虚拟实验场景操作过程，可通过教师进行虚拟场景中的实验进行视频录制，展示模块中提取正确的虚拟实验场景操作过程，通过对正确的虚拟实验场景进行教学展示，教学展示能够让学生看到正确的操作步骤。

所述显示模块用于对调整后的虚拟实验场景进行实时显示。显示模块才有VR眼镜，实时对虚拟实验场景进行显示，在穿戴过程中，学生通过显示模块观察虚拟实验场景中的环境，材料、仪器及设备，做出相对应的动作，通过动作信息进行控制虚拟人体进行实验。

所述系统还包括登录模块；所述登录模块包括用户登录模块及管理登录模块，所述用户登录模块用于采集用户登录信息，并对用户登录信息进行验证，基于用户登录验证结果，开启所述采集模块及所述显示模块功能；所述管理登录模块用于输入管理登录信息，并对管理登录信息进行验证，基于管理登录验证结果，对所述用户登录信息的验证信息进行调整；所述管理登录模块还基于管理登录验证结果对所述课程模块中的所述物理化学实验课程进行调整。用户登录模块在用户登录之后进行实验操作及教学展示的查看。管理登录模型在管理人员登录之后调整用户登录账户等登录信息，还有对课程进行调整，必要时，设置超级管理登录模块，用于超级管理人员登录，在登录验证后，控制管理人员登录信息及后台编程文件的修改。

本发明通过采集模块采集动作信息及操作指令，并通过操作指令调用课程模块中的课程信息，将课程信息传输给虚拟模块，在虚拟模块中根据课程信息构建虚拟实验场景，并根据动作信息对实验场景进行调整，将调整后的虚拟实验场景通过显示模块进行显示，学生可以根据显示结果生成对应的动作信息对虚拟实验场景进行调整。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种物理化学实验教学系统，其特征在于，包括：

采集模块，虚拟模块，课程模块，显示模块，

所述采集模块、所述课程模块及所述显示模块分别与所述虚拟模块连接；

所述采集模块用于采集动作信息及操作指令；

所述课程模块用于采集所述物理化学实验课程，并对所述物理化学实验课程进行存储；

所述虚拟模块用于根据操作指令，提取所述物理化学实验课程，并基于物理化学实验课程构建所述虚拟实验场景，根据动作信息对所述虚拟实验场景进行实时调整；

所述显示模块用于对调整后的虚拟实验场景进行实时显示。

2.根据权利要求1所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述采集模块包括信息采集模块及指令采集模块；

所述信息采集模块及所述指令采集模块分别与所述虚拟模块连接；

所述信息采集模块用于对所述动作信息进行采集，其中动作信息包括肢体动作、手部动作及头部动作；

所述指令采集模块用于对所述操作指令进行采集，其中操作指令包括课程选取、开始指令、结束指令及暂停指令。

3.根据权利要求1所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述课程模块包括课程收集模块及课程存储模块；

所述课程收集模块、课程存储模块、虚拟模块依次连接；

所述课程收集模块用于采集所述物理化学实验课程；

所述课程存储模块用于对所述物理化学实验课程进行分布式存储。

4.根据权利要求2所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述虚拟模块包括所述提取模块、构建模块及更新模块；

所述提取模块、构建模块及更新模块依次连接；

所述提取模块用于根据操作指令，对所述物理化学实验课程进行提取；

所述构建模块用于根据所述物理化学实验课程进行三维虚拟场景构建，获取虚拟实验场景，其中，所述虚拟实验场景中包括所述物理化学实验课程下的实验仪器、实验设备、实验材料及外部环境；

所述更新模块用于提取虚拟实验场景，并根据动作信息对所述虚拟实验场景中的实验仪器、实验设备、实验材料进行实时调整，并将实时调整后的虚拟实验场景进行图像截取，其中截取的图像包括，左眼图像及右眼图像。

5.根据权利要求4所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述虚拟模块还包括记录模块；

所述记录模块与所述更新模块连接；

所述记录模块用于对所述实时调整后的虚拟实验场景进行存储，对所述存储后的虚拟实验场景进行人体识别，并根据人体识别结果进行错误姿态估计及评分。

6.根据权利要求1所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述系统还包括登录模块；

所述登录模块包括用户登录模块及管理登录模块，

所述用户登录模块用于采集用户登录信息，并对用户登录信息进行验证，基于用户登录验证结果，开启所述采集模块及所述显示模块功能；

所述管理登录模块用于输入管理登录信息，并对管理登录信息进行验证，基于管理登录验证结果，对所述用户登录信息的验证信息进行调整；所述管理登录模块还基于管理登录验证结果对所述课程模块中的所述物理化学实验课程进行调整。

7.根据权利要求4所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述虚拟模块还包括展示模块；

所述展示模块分别与所述采集模块、所述显示模块、所述课程模块连接；

所述课程模块还用于采集所述物理化学实验课程的教学展示；

所述采集模块还用于采集教学展示相关的操作指令；

所述展示模块用于根据教学展示相关的操作指令，提取所述教学展示；

所述显示模块用于显示教学展示。

8.根据权利要求1所述物理化学实验教学系统，其特征在于：

所述课程模块还包括提示模块；

所述提示模块与所述虚拟模块连接；

所述提示模块用于采集所述物理化学实验课程的实验提示；

所述虚拟模块用于基于所述实验提示及所述物理化学实验课程构建所述虚拟实验场景。

Images