CN115090349A - 一种化学实验教学实训平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学实验教学实训平台；涉及教学设备技术领域；解决现有技术中中学生化学实验危险性高且易造成污染的问题；所述化学实验教学实训平台包括实验台、试剂瓶和实验器具，其中，所述试剂瓶和实验器具上设置有RF I D标签，所述实验台台面上设置有VR设备、RF I D读写器、语音识别设备、监控摄像头、监控终端，所述监控终端与远程终端连接，所述监控终端上安装有实验实训软件，所述实验实训软件包括虚拟教学单元、虚拟演练单元和实验效果评价单元；所述化学实验教学实训平台能用于模拟中学生化学实验，且避免了化学污染没有危险性。
Description
技术领域
本发明涉及教学设备技术领域，更具体的是涉及一种化学实验教学实训平台。
背景技术
目前，初高中化学实验采用传统实训模式，即学生分批分组进实验室动手操作。但化学实验具有一定的危险性，也是化学实验教学过程中一大难题，而且化学实验过程中需要用到大量药品试剂，随之会带来相应的化学污染。因此，迫切需要开发一种化学实验教学实训平台，用以模拟化学实验，让学生真实体验实验过程，且不会产生污染又能保证安全。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决以上技术问题，提供一种化学实验教学实训平台。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种化学实验教学实训平台。所述教学实训平台包括实验台，所述实验台台面后侧设置有用于放置试剂瓶的架体，所述实验台台面下设置有用于放置实验器具的柜体，其中，
所述试剂瓶和实验器具上设置有RFID标签，所述实验台台面上设置有VR 设备、RFID读写器、语音识别设备、监控摄像头、监控终端，所述监控终端与远程终端连接，所述监控终端上安装有实验实训软件，所述实验实训软件包括虚拟教学单元、虚拟演练单元和实验效果评价单元；
所述虚拟教学单元内存储有多种实验教学场景，所述VR设备与所述虚拟教学单元连接，用于实现所述实验教学场景的巡游；
所述虚拟演练单元，所述虚拟演练单元内预存有多个虚拟实验场景，不同虚拟实验场景对应不同的实验条件，所述虚拟演练单元与所述RFID读写器、所述语音识别设备、所述监控摄像头连接，用于调用对应的虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上，同时用于记录学生的操作过程；
所述实验效果评价单元内预存有多条评价指标，用于判断学生实验操作是否标准并将评分显示在所述监控终端的屏幕上。
进一步，所述实验台台面左前方和左后方均设置有所述监控摄像头，所述实验台台面左侧中间位置设置有所述监控终端，所述试验台台面右前方设置有所述语音识别设备，所述实验台台面右后方设置有所述RFID读写器。
进一步，所述实验台为倒置的U型结构。
进一步，所述评价指标包括：实验器具搭建完整度、操作手势标准度、操作顺序合理度、药品试剂添加量、实验条件完成度。
进一步，所述虚拟实验场景具有对应的唯一的编号，所述虚拟演练单元根据相应的所述编号调用对应的所述虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上。
进一步，所述虚拟实验场景具有对应的实验名称，所述虚拟演练单元根据相应的所述实验名称调用对应的所述虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上。
进一步，所述虚拟实验场景包括实验问题、实验方法、实验条件、实验现象。
另外，本发明还提供了一种化学实验教学实训方法。所述教学实训方法包括以下步骤：
(1)老师通过所述远程终端控制所述监控终端，调用所述虚拟教学单元内存储的某一所述实验教学场景，开展教学工作，相应的，学生通过所述VR设备实现所述实验教学场景的巡游；
(2)老师通过所述远程终端控制所述监控终端，调用所述虚拟演练单元内预存的某个所述虚拟实验场景，并显示在所述监控终端的屏幕上，相应的，学生开展实验操作，所述虚拟演练单元记录学生的实验操作过程，所述实验操作过程包括录像信息、关键实验条件语音信息、实验器具选用信息；
(3)所述实验效果评价单元自动判断学生实验操作是否标准，并将评分显示在所述监控终端的屏幕上，可选的，老师也能人为判断学生实验操作是否标准，并将修正后的评分显示在所述监控终端的屏幕上。
进一步，步骤(2)中，学生开展实验操作包括以下步骤：
a.取出需要使用的所述实验器具和所述试剂瓶，并在所述RFID读写器区域扫描所述实验器具和所述试剂瓶上的所述RFID标签；
b.搭建所述实验器具，并称量所需要量的药品试剂；
c.开始实验，每操作一个实验步骤，对着所述语音识别设备报出关键实验信息；
d.实验结束，将所述实验器具和所述试剂瓶在所述RFID读写器区域扫描所述RFID标签后再放归原位。
进一步，所述步骤c中，所述关键实验信息包括：实验温度、实验时间、药品试剂名称和用量。
本发明的有益效果如下：
(1)所述虚拟教学单元和所述VR设备配合，能提升虚拟实验的仿真度和用户的体验感，使得每一个学生都能近距离观看到真实的实验过程和逼真的细节，便于学生掌握实验要领；
(2)所述虚拟演练单元与所述RFID读写器、所述语音识别设备、所述监控摄像头连接，用于调用对应的虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上，同时用于记录学生的操作过程，整个实验过程无需使用真实的化学试剂，无污染无危险；
(3)所述实验效果评价单元内预存有多条评价指标，用于判断学生实验操作是否标准并将评分显示在所述监控终端的屏幕上；
(4)所述远程终端与所述监控终端连接，用于控制所述监控终端，也用于调用所述监控终端记录的信息并显示在所述远程终端上或其他监控终端上，便于老师给学生的操作评分或将某一个学生的操作过程分享给全班同学共同借鉴。
附图说明
图1是本发明的一种化学实验教学实训平台的正视结构示意图；
图2是本发明的一种化学实验教学实训平台的俯视结构示意图；
图3是本发明的一种化学实验教学实训平台的电连接关系示意图；
附图标记：
1-实验台，2-试剂瓶，3-架体，4-实验器具，5-柜体，6-RFID标签，7-VR 设备，8-RFID读写器、9-语音识别设备，10-监控摄像头，11-监控终端，12- 远程终端，13-实验实训软件，1301-虚拟教学单元，1302-虚拟演练单元，1303- 实验效果评价单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例提供一种化学实验教学实训平台。该教学实训平台包括实验台1，实验台1台面后侧设置有用于放置试剂瓶2的架体3，实验台1台面下设置有用于放置实验器具4的柜体5，其中，试剂瓶2和实验器具4上设置有RFID标签6，实验台1台面上设置有VR设备7、RFID读写器8、语音识别设备9、监控摄像头10、监控终端11，监控终端11与远程终端12连接，监控终端11上安装有实验实训软件13，所述实验实训软件包括虚拟教学单元1301、虚拟演练单元1302和实验效果评价单元1303；虚拟教学单元1301 内存储有多种实验教学场景，VR设备7与虚拟教学单元1301连接，用于实现实验教学场景的巡游；虚拟演练单元1302，虚拟演练单元1302内预存有多个虚拟实验场景，不同虚拟实验场景对应不同的实验条件，虚拟演练单元1302 与RFID读写器8、语音识别设备9、监控摄像头10连接，用于调用对应的虚拟实验场景并显示在监控终端11的屏幕上，同时用于记录学生的操作过程；实验效果评价单元1303内预存有多条评价指标，用于判断学生实验操作是否标准并将评分显示在监控终端13的屏幕上。
工作原理：本发明所提供的教学实训平台能够进行实验教学、虚拟实验演练以及实验结果评价。安装的实验实训软件13能够借助虚拟技术对3D场景模拟逼真度高且便于交互的特性，通过视觉与听觉相结合，提升虚拟实验的仿真度和用户的体验感，使得每一个学生都能近距离观看到真实的实验过程和逼真的细节，便于学生掌握实验要领。实验实训软件13还能定向或自由选择虚拟实验场景，学生根据虚拟实验场景开始虚拟实验，同时实验实训软件13全称记录实验过程，便于后续交由系统评判或老师评判实验效果。以上实验教学、虚拟实验演练过程均无需使用真实的化学试剂，无污染无危险。远程终端12用于控制监控终端11，也用于调用监控终端11记录的信息并显示在远程终端12上或其他监控终端11上，便于老师给学生的操作评分或将某一个学生的操作过程分享给全班同学共同借鉴。
虚拟教学单元1301通过声音、文字、图片、视频的方式展现不同化学实验过程。进行实验教学时，通过远程终端12向实验实训软件13发送实验教学指令，再由虚拟教学单元1301将已存储的实验教学知识投放显示在VR设备7中，完成实验教学演示。其中，实验教学知识包含实验器具用途讲解、实验器具操作说明、实验问题分析、实验原理讲解、实验现象展示、实验故障排除方法。需要说明的是，试剂瓶2仅为空瓶，里面并没有填装化学试剂或者可以填装水、沙子、石子等道具用以模拟液体试剂、粉体或块状药品。
虚拟实验演练包含多个虚拟实验场景，不同虚拟实验场景要求使用不同实验器具4和试剂瓶2中的药品试剂，通过RFID标签6判断实验器具4和药品试剂选用是否正确，通过语音识别设备6判断实验条件控制是否适当，通过监控摄像头9拍摄的红外图案判断实验操作是否标准。
虚拟实验演练开始时，远程终端12向实验实训软件13发送实验指令，用户通过监控终端11观看到虚拟实验场景，拿起第一个实验器具4或试剂瓶2 扫描RFID标签即可进行虚拟实验。当归还全部实验器具4和试剂瓶2后，实验结束。
实验结束后，实验效果评价单元1303自动根据虚拟演练单元1302内记录的信息与评价指标对比，判断评价指标的完成程度，进而给出总的评分。其中，评价指标包括：实验器具搭建完整度、操作手势标准度、操作顺序合理度、药品试剂添加量、实验条件完成度。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例对试验台1的结构进行优化。
如图1所示，实验台1台面左前方和左后方均设置有监控摄像头10，方便从学生侧前方和侧后方同时监控实验过程，避免遗漏实验操作导致实验效果误判。实验台1台面左侧中间位置设置有监控终端11，试验台1台面右前方设置有语音识别设备9，实验台1台面右后方设置有RFID读写器7，监控终端11、语音识别设备9和RFID读写器7位置安排合理，符合大多数人的使用习惯。
进一步，如图2所示，实验台1为倒置的U型结构，U型结构的实验台1 对学生形成包围状态，学生身前正前方的台面可以全部作为实验台面，而学生左侧和右侧的台面上可以设置监控摄像头10、监控终端11、语音识别设备9 和RFID读写器7，扩大了实验台面的面积，也避免这些设备妨碍取用药品试剂。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例对虚拟实验场景作进一步说明。
虚拟实验场景具有对应的唯一的编号，虚拟演练单元1302根据相应的编号调用对应的虚拟实验场景并显示在监控终端11的屏幕上。
虚拟实验场景具有对应的实验名称，虚拟演练单元1302根据相应的实验名称调用对应的虚拟实验场景并显示在监控终端11的屏幕上。
虚拟实验场景具体包括实验问题、实验方法、实验条件、实验现象等。当语音识别设备6抓取到规定的某个或某几个关键词后，监控终端11的屏幕上显示相应的化学实验现象，便于学生更真实的观察到反应现象，从而体验到化学实验的乐趣。
实施例4
在实施例1-3的基础上，本发明还提供了一种化学实验教学实训方法。
该教学实训方法包括以下步骤：
(1)老师通过远程终端12控制监控终端11，调用虚拟教学单元1301内存储的某一实验教学场景，开展教学工作，相应的，学生通过VR设备7实现实验教学场景的巡游；
(2)老师通过远程终端12控制监控终端11，调用虚拟演练单元1302内预存的某个虚拟实验场景，并显示在监控终端11的屏幕上，相应的，学生开展实验操作，虚拟演练单元1302记录学生的实验操作过程，实验操作过程包括录像信息、关键实验条件语音信息、实验器具选用信息等；
(3)实验效果评价单元自动判断学生实验操作是否标准，并将评分显示在监控终端11的屏幕上，可选的，老师也能人为判断学生实验操作是否标准，并将修正后的评分显示在监控终端11的屏幕上。
进一步，步骤(2)中，学生开展实验操作包括以下步骤：
a.取出需要使用的实验器具4和试剂瓶2，并在RFID读写器8区域扫描实验器具4和试剂瓶2上的RFID标签6；
b.搭建实验器具4，并称量需要量的药品试剂；
c.开始实验，每操作一个实验步骤，对着语音识别设备9报出关键实验信息；
d.实验结束，将实验器具4和试剂瓶2在RFID读写器8区域扫描RFID标签6后再放归原位。
进一步，步骤c中，关键实验信息包括：实验温度、实验时间、药品试剂名称和用量等。
Claims (10)
1.一种化学实验教学实训平台，包括实验台，所述实验台台面后侧设置有用于放置试剂瓶的架体，所述实验台台面下设置有用于放置实验器具的柜体，其特征在于，
所述试剂瓶和实验器具上设置有RFID标签，所述实验台台面上设置有VR设备、RFID读写器、语音识别设备、监控摄像头、监控终端，所述监控终端与远程终端连接，所述监控终端上安装有实验实训软件，所述实验实训软件包括虚拟教学单元、虚拟演练单元和实验效果评价单元；
所述虚拟教学单元内存储有多种实验教学场景，所述VR设备与所述虚拟教学单元连接，用于实现所述实验教学场景的巡游；
所述虚拟演练单元，所述虚拟演练单元内预存有多个虚拟实验场景，不同虚拟实验场景对应不同的实验条件，所述虚拟演练单元与所述RFID读写器、所述语音识别设备、所述监控摄像头连接，用于调用对应的虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上，同时用于记录学生的操作过程；
所述实验效果评价单元内预存有多条评价指标，用于判断学生实验操作是否标准并将评分显示在所述监控终端的屏幕上。
2.根据权利要求1所述的一种化学实验教学实训平台，其特征在于，所述实验台台面左前方和左后方均设置有所述监控摄像头，所述实验台台面左侧中间位置设置有所述监控终端，所述试验台台面右前方设置有所述语音识别设备，所述实验台台面右后方设置有所述RFID读写器。
3.根据权利要求1所述的一种化学实验教学实训平台，其特征在于，所述实验台为倒置的U型结构。
4.根据权利要求1所述的一种化学实验教学实训平台，其特征在于，所述评价指标包括：实验器具搭建完整度、操作手势标准度、操作顺序合理度、药品试剂添加量、实验条件完成度。
5.根据权利要求1所述的一种化学实验教学实训平台，其特征在于，所述虚拟实验场景具有对应的唯一的编号，所述虚拟演练单元根据相应的所述编号调用对应的所述虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上。
6.根据权利要求1所述的一种化学实验教学实训平台，其特征在于，所述虚拟实验场景具有对应的实验名称，所述虚拟演练单元根据相应的所述实验名称调用对应的所述虚拟实验场景并显示在所述监控终端的屏幕上。
7.根据权利要求1所述的一种化学实验教学实训平台，其特征在于，所述虚拟实验场景包括实验问题、实验方法、实验条件、实验现象。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种化学实验教学实训方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)老师通过所述远程终端控制所述监控终端，调用所述虚拟教学单元内存储的某一所述实验教学场景，开展教学工作，相应的，学生通过所述VR设备实现所述实验教学场景的巡游；
(2)老师通过所述远程终端控制所述监控终端，调用所述虚拟演练单元内预存的某个所述虚拟实验场景，并显示在所述监控终端的屏幕上，相应的，学生开展实验操作，所述虚拟演练单元记录学生的实验操作过程，所述实验操作过程包括录像信息、关键实验条件语音信息、实验器具选用信息；
(3)所述实验效果评价单元自动判断学生实验操作是否标准，并将评分显示在所述监控终端的屏幕上，可选的，老师也能人为判断学生实验操作是否标准，并将修正后的评分显示在所述监控终端的屏幕上。
9.根据权利要求8所述的一种化学实验教学实训方法，其特征在于，步骤(2)中，学生开展实验操作包括以下步骤：
a.取出需要使用的所述实验器具和所述试剂瓶，并在所述RFID读写器区域扫描所述实验器具和所述试剂瓶上的所述RFID标签；
b.搭建所述实验器具，并称量所需要量的药品试剂；
c.开始实验，每操作一个实验步骤，对着所述语音识别设备报出关键实验信息；
d.实验结束，将所述实验器具和所述试剂瓶在所述RFID读写器区域扫描所述RFID标签后再放归原位。
10.根据权利要求9所述的一种化学实验教学实训方法，其特征在于，所述步骤c中，所述关键实验信息包括：实验温度、实验时间、药品试剂名称和用量。
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