CN115331526A - 一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，属于虚拟现实领域，解决了现有技术中实物电路实验有一定的危险性，虚拟仿真的电路实验在构建过程中没有电路状态判断，构建的电路实际使用不便的问题。本申请的技术方案，包括：确定每一个实验器材的tag标签；定义接线点的属性；定义实验器材连通属性；建立实验中的通路集合；点击实验器材的全部接线点并记录接线点为选中状态；遍历全部实验器材直至电源的正极、负极都被点击形成电路回路时，进行电路回路的通路判断；判断实验连入的实验器材是否连通，并判断实验连入的实验器材是否存在串并联。其实现了减少少实物电路实验的危险性，并且可以动态判断电路通路状态的优点，适合大范围推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，属于虚拟现实领域。
背景技术
随着教育改革深化，物理实验教学条件改善，但物理实验教学仍存在弊端：学生单凭理论记忆而对知识的掌握浅薄；实验仪器比较昂贵，实验器材与材料准备繁琐且易损坏或缺失；限制的实验地点、开放时间与实验资源；当实验遇到安全问题时，会采取其他方式，甚至放弃实验等。将虚拟仿真应用于物理实验教学，不仅能实现现实教学所不具备的实验条件，还能提高实验教学效果，实现自主探究的实验目的。
发明内容
本发明提供一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，使用虚拟现实仿真电路实验，减少实物电路实验的危险性，并且可以动态判断电路通路状态。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，包括以下步骤：
S1)确定每一个实验器材模型的tag标签；创建TerinalState类并定义接线点的属性；并定义实验中的通路集合；定义实验器材连通属性；
S2)点击实验器材的全部接线点并记录接线点为选中状态；遍历全部实验器材直至电源的正极、负极都被点击形成电路回路时，进行电路回路的通路判断；
S3)根据步骤S2)中记录存储的内容，判断实验连入的实验器材是否连通，并判断实验连入的实验器材是否存在串并联；
S4)根据确定的实验通路，确定通路中的器材，计算通路中的电流电压电阻。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤S1)中，在Unity中确定每一个实验器材模型的tag标签，实验器材包括电源、开关、电流表、电压表、灯泡、电阻等；创建TerinalState类赋值给实验器材模型的接线点，定义接线点的属性字段类StateInfo；创建LoopConnectEquipState类，定义实验器材连通属性的属性字段；创建ConnectedController类赋值给unity场景中的GameController物体，建立实验中所有通路的集合AllLoop_NumberTerinalList，建立实验中每一条回路通路集合AllLoopList。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的TerinalState类，将该类添加到unity中存在的实验器材的每一个接线点中，在其中定义接线点的属性字段类StateInfo包括字段当前接线点curNode、与当前接线点属于同一个实验器材的另一个接线点otherNode、与当前接线点连接的接线点集合curNodeNextList、另一个接线点otherNode相连接的集合otherNodeNextList。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的LoopConnectEquipState类，包括表示是否短路的字段isShortCircuit、表示是否有开关的字段isHaveSwitch、表示是否有电流表的字段isHaveAmmeter、表示是否有电压表的字段isHaveVolotage、表示是否有灯泡的字段isHaveLight、表示开关所处状态的字段switchState、表示一条电路通路中的所有实验器材集合的字段equips。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的ConnectedController类，定义实验中所有通路的集合AllLoop_NumberTerinalList，用来存放所有的实验回路集合，每一条回路时从电源正极按顺序连接到电源负极，即存储的是每一条回路AllLoopList；建立实验中每一条回路通路集合AllLoopList，该集合是存储器材的连接的每个接线点；创建通路里包含的实验器材集合AllEquiList。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在unity中连接实验器材的两个接线点中，鼠标左键点击第一个接线点时，记录第一个接线点为选中状态，鼠标左键再次点击另一个接线点，分别记录属性字段类StateInfo；记录stateInfo时，第一个点击的接线点是curNode，第二次点击的接线点是otherNode，将当前接线点curNode添加到OtherNodeNextList集合中，第二次点击的另一个接线点otherNode添加到curNodeNextList集合中；每当第二次点击结束，就进行步骤S2)中的判断。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，步骤S2)的具体过程包括：
S201)在ConnectedController类中创建一个空的临时集合curLoop，将已点击、存储到StateInfo中且连接到实验线路中的接线点存储至临时集合curLoop；
S202)首先判断实验连入的实验器材是否存在电源的正极；若存在正极接线点，将正极接线点添加到curLoop集合中；
以电源的正极为起点，继续判断电路是否形成回路；
遍历判断正极接线点的curNodeNextList集合是否存在与正极相连的接线点，判断后的三种情况分别为：
Q1)如果存在与正极相连的接线点并且是电源负极，说明电源的首尾相连形成回路，进行步骤S3)；
Q2)如果存在与正极相连的接线点并且不是电源负极，判断该接线点的otherNodeNextList是否存在与正极相连的接线点；如果存在，则加入到临时集合curLoop中，并进行步骤S203)；
Q3)如果不存在，则判断电路不通；
S203)创建临时的集合CurTemp，将步骤S202)完成后的curLoop集合中的元素全部添加到CurTemp集合中；
循环遍历curNodeNextList集合中的接线点curNode的curNodeNextList，在循环遍历时分两种种情况：
Q4：如果此接线柱curNode的curNodeNextList中的第一个元素存在于CurTemp中，则判断第二个；如果此接线柱curNode的curNodeNextList中的第一个元素不存在于CurTemp中，则进行S203)的Q2)，直至curNodeNextList中所有的元素都遍历；
Q5：如果这个判断的接线点的OtherNode的curNodeNextList数量小于1，则继续判断当前接线点curnode的CurNodeNextList，并将cueNode添加到CurTemp集合中，如果这个接线柱的curNode的CurNodeNext存在电源负极并遍历到电源负极，则进行步骤S3)；如果没有不是电源负极，则继续进行遍历步骤S203)。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤S3)中，将回路集合curLoop赋值给AllLoopList，再将AllLoopList添加到AllLoop_NumberTerinalList中；下一步进行步骤S4)。
优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤S4)中，判断中AllLoop_NumberTerinalList的元素数量，判断得出的数量为回路得条数；循环遍历AllLoop_NumberTerinalList中的AllLoopList，如果同一个实验器材的两个接线柱都在AllLoopList中，说明该器材在当前回路里，然后将器材添加到AllEquipList中，记录LoopConnectEquipState类中的每个属性字段，判断是否短路isShortCircuit,是否有开关isHaveSwitch，是否有电流表isHaveAmmeter，是否有电压表isHaveVolotage，是否有灯泡isHaveLight，并将开关的状态switchState进行记录；最后通过这些状态计算通路中的电流电压电阻并观察实验现象。
本申请的优点在于：本申请的技术方案包括虚拟仿真的电学实验判断方法，物理实验中各个实验器材的属性及实验电路通路判断的过程。使用本申请的技术方案，可以在电路实验过程中对实验电路的通路进行判断，辅助电路实验的有序进行，解决了虚拟现实仿真物理实验动态判断电路通路困难的问题。
附图说明
图1为本申请中步骤S3的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
如图1所示，本发明为一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，使用Unity3D引擎，结合编程工具VisualStudio实现，具体包括步骤S1)至步骤S4)，其步骤S1)至步骤S4)具体如下所述。
步骤S1)：确定每一个实验器材模型的tag标签；创建TerinalState类并定义接线点的属性；并定义实验中的通路集合；定义实验器材连通属性。
在此步骤S1)中，在Unity中确定每一个实验器材模型的tag标签，实验器材包括电源、开关、电流表、电压表、灯泡、电阻等；创建TerinalState类赋值给实验器材模型的接线点，定义接线点的属性字段类StateInfo；创建LoopConnectEquipState类，定义实验器材连通属性的属性字段；创建ConnectedController类赋值给unity场景中的GameController物体，建立实验中所有通路的集合AllLoop_NumberTerinalList，建立实验中每一条回路通路集合AllLoopList。
并且在此步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的TerinalState类，将该类添加到unity中存在的实验器材的每一个接线点中，在其中定义接线点的属性字段类StateInfo包括字段当前接线点curNode、与当前接线点属于同一个实验器材的另一个接线点otherNode、与当前接线点连接的接线点集合curNodeNextList、另一个接线点otherNode相连接的集合otherNodeNextList。
在VisualStudio中编辑创建的LoopConnectEquipState类，包括表示是否短路的字段isShortCircuit、表示是否有开关的字段isHaveSwitch、表示是否有电流表的字段isHaveAmmeter、表示是否有电压表的字段isHaveVolotage、表示是否有灯泡的字段isHaveLight、表示开关所处状态的字段switchState、表示一条电路通路中的所有实验器材集合的字段equips。
在VisualStudio中编辑创建的ConnectedController类，定义实验中所有通路的集合AllLoop_NumberTerinalList，用来存放所有的实验回路集合，每一条回路时从电源正极按顺序连接到电源负极，即存储的是每一条回路AllLoopList；建立实验中每一条回路通路集合AllLoopList，该集合是存储器材的连接的每个接线点；创建通路里包含的实验器材集合AllEquiList。
步骤S2)：点击实验器材的全部接线点并记录接线点为选中状态；遍历全部实验器材直至电源的正极、负极都被点击形成电路回路时，进行电路回路的通路判断。
步骤S3)为：根据步骤S2)中记录存储的内容，判断实验连入的实验器材是否连通，并判断实验连入的实验器材是否存在串并联。
步骤S2)和步骤S3)的具体过程如果下所示：
在unity中连接实验器材的两个接线点中，鼠标左键点击第一个接线点时，记录第一个接线点为选中状态，鼠标左键再次点击另一个接线点，分别记录属性字段类StateInfo；记录stateInfo时，第一个点击的接线点是curNode，第二次点击的接线点是otherNode，将当前接线点curNode添加到OtherNodeNextList集合中，第二次点击的另一个接线点otherNode添加到curNodeNextList集合中；每当第二次点击结束，就进行电路回路的通路判断。
步骤S2)的具体过程还包括下述过程，其具体为：
S201)在ConnectedController类中创建一个空的临时集合curLoop，将已点击、存储到StateInfo中且连接到实验线路中的接线点存储至临时集合curLoop；
S202)首先判断实验连入的实验器材是否存在电源的正极；若存在正极接线点，将正极接线点添加到curLoop集合中；
以电源的正极为起点，继续判断电路是否形成回路；
遍历判断正极接线点的curNodeNextList集合是否存在与正极相连的接线点，判断后的三种情况分别为：
Q1)如果存在与正极相连的接线点并且是电源负极，说明电源的首尾相连形成回路，进行步骤S3)；
Q2)如果存在与正极相连的接线点并且不是电源负极，判断该接线点的otherNodeNextList是否存在与正极相连的接线点；如果存在，则加入到临时集合curLoop中，并进行步骤S203)；
Q3)如果不存在，则判断电路不通；
S203)创建临时的集合CurTemp，将步骤S202)完成后的curLoop集合中的元素全部添加到CurTemp集合中；
循环遍历curNodeNextList集合中的接线点curNode的curNodeNextList，在循环遍历时分两种种情况：
Q4：如果此接线柱curNode的curNodeNextList中的第一个元素存在于CurTemp中，则判断第二个；如果此接线柱curNode的curNodeNextList中的第一个元素不存在于CurTemp中，则进行S203)的Q2)，直至curNodeNextList中所有的元素都遍历；
Q5：如果这个判断的接线点的OtherNode的curNodeNextList数量小于1，则继续判断当前接线点curnode的CurNodeNextList，并将cueNode添加到CurTemp集合中，如果这个接线柱的curNode的CurNodeNext存在电源负极并遍历到电源负极，则进行步骤S3)；如果没有不是电源负极，则继续进行遍历步骤S203)。
在步骤S3)中，将回路集合curLoop赋值给AllLoopList，再将AllLoopList添加到AllLoop_NumberTerinalList中；下一步进行步骤S4)。
S4)根据确定的实验通路，确定通路中的器材，计算通路中的电流电压电阻。其具体过程为：判断中AllLoop_NumberTerinalList的元素数量，判断得出的数量为回路得条数；循环遍历AllLoop_NumberTerinalList中的AllLoopList，如果同一个实验器材的两个接线柱都在AllLoopList中，说明该器材在当前回路里，然后将器材添加到AllEquipList中，记录LoopConnectEquipState类中的每个属性字段，判断是否短路isShortCircuit,是否有开关isHaveSwitch，是否有电流表isHaveAmmeter，是否有电压表isHaveVolotage，是否有灯泡isHaveLight，并将开关的状态switchState进行记录；最后通过这些状态计算通路中的电流电压电阻并观察实验现象。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1)确定每一个实验器材模型的tag标签；创建TerinalState类并定义接线点的属性；并定义实验中的通路集合；定义实验器材连通属性；
S2)点击实验器材的全部接线点并记录接线点为选中状态；遍历全部实验器材直至电源的正极、负极都被点击形成电路回路时，进行电路回路的通路判断；
S3)根据步骤S2)中记录存储的内容，判断实验连入的实验器材是否连通，并判断实验连入的实验器材是否存在串并联；
S4)根据确定的实验通路，确定通路中的器材，计算通路中的电流电压电阻。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：在步骤S1)中，在Unity中确定每一个实验器材模型的tag标签，实验器材包括电源、开关、电流表、电压表、灯泡、电阻等；创建TerinalState类赋值给实验器材模型的接线点，定义接线点的属性字段类StateInfo；创建LoopConnectEquipState类，定义实验器材连通属性的属性字段；创建ConnectedController类赋值给unity场景中的GameController物体，建立实验中所有通路的集合AllLoop_NumberTerinalList，建立实验中每一条回路通路集合AllLoopList。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：在步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的TerinalState类，将该类添加到unity中存在的实验器材的每一个接线点中，在其中定义接线点的属性字段类StateInfo包括字段当前接线点curNode、与当前接线点属于同一个实验器材的另一个接线点otherNode、与当前接线点连接的接线点集合curNodeNextList、另一个接线点otherNode相连接的集合otherNodeNextList。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的LoopConnectEquipState类，包括表示是否短路的字段isShortCircuit、表示是否有开关的字段isHaveSwitch、表示是否有电流表的字段isHaveAmmeter、表示是否有电压表的字段isHaveVolotage、表示是否有灯泡的字段isHaveLight、表示开关所处状态的字段switchState、表示一条电路通路中的所有实验器材集合的字段equips。
5.根据权利要求2所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：步骤S1)中，在VisualStudio中编辑创建的ConnectedController类，定义实验中所有通路的集合AllLoop_NumberTerinalList，用来存放所有的实验回路集合，每一条回路时从电源正极按顺序连接到电源负极，即存储的是每一条回路AllLoopList；建立实验中每一条回路通路集合AllLoopList，该集合是存储器材的连接的每个接线点；创建通路里包含的实验器材集合AllEquiList。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：在unity中连接实验器材的两个接线点中，鼠标左键点击第一个接线点时，记录第一个接线点为选中状态，鼠标左键再次点击另一个接线点，分别记录属性字段类StateInfo；记录stateInfo时，第一个点击的接线点是curNode，第二次点击的接线点是otherNode，将当前接线点curNode添加到OtherNodeNextList集合中，第二次点击的另一个接线点otherNode添加到curNodeNextList集合中；每当第二次点击结束，就进行步骤S2)中的判断。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：步骤S2)的具体过程包括：
S201)在ConnectedController类中创建一个空的临时集合curLoop，将已点击、存储到StateInfo中且连接到实验线路中的接线点存储至临时集合curLoop；
S202)首先判断实验连入的实验器材是否存在电源的正极；若存在正极接线点，将正极接线点添加到curLoop集合中；
以电源的正极为起点，继续判断电路是否形成回路；
遍历判断正极接线点的curNodeNextList集合是否存在与正极相连的接线点，判断后的三种情况分别为：
Q1)如果存在与正极相连的接线点并且是电源负极，说明电源的首尾相连形成回路，进行步骤S3)；
Q2)如果存在与正极相连的接线点并且不是电源负极，判断该接线点的otherNodeNextList是否存在与正极相连的接线点；如果存在，则加入到临时集合curLoop中，并进行步骤S203)；
Q3)如果不存在，则判断电路不通；
S203)创建临时的集合CurTemp，将步骤S202)完成后的curLoop集合中的元素全部添加到CurTemp集合中；
循环遍历curNodeNextList集合中的接线点curNode的curNodeNextList，在循环遍历时分两种种情况：
Q4：如果此接线柱curNode的curNodeNextList中的第一个元素存在于CurTemp中，则判断第二个；如果此接线柱curNode的curNodeNextList中的第一个元素不存在于CurTemp中，则进行S203)的Q2)，直至curNodeNextList中所有的元素都遍历；
Q5：如果这个判断的接线点的OtherNode的curNodeNextList数量小于1，则继续判断当前接线点curnode的CurNodeNextList，并将cueNode添加到CurTemp集合中，如果这个接线柱的curNode的CurNodeNext存在电源负极并遍历到电源负极，则进行步骤S3)；如果没有不是电源负极，则继续进行遍历步骤S203)。
8.根据权利要求5所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：在步骤S3)中，将回路集合curLoop赋值给AllLoopList，再将AllLoopList添加到AllLoop_NumberTerinalList中；下一步进行步骤S4)。
9.根据权利要求5所述的基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，其特征在于：在步骤S4)中，判断中AllLoop_NumberTerinalList的元素数量，判断得出的数量为回路得条数；循环遍历AllLoop_NumberTerinalList中的AllLoopList，如果同一个实验器材的两个接线柱都在AllLoopList中，说明该器材在当前回路里，然后将器材添加到AllEquipList中，记录LoopConnectEquipState类中的每个属性字段，判断是否短路isShortCircuit,是否有开关isHaveSwitch，是否有电流表isHaveAmmeter，是否有电压表isHaveVolotage，是否有灯泡isHaveLight，并将开关的状态switchState进行记录；最后通过这些状态计算通路中的电流电压电阻并观察实验现象。
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