CN220085542U - 一种可视互动的静电场教学实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于教学实验设备技术领域。鉴于现有的静电场描绘仪存在操作麻烦，实验精度低和互动性较弱的问题，本实用新型公开了一种可视互动的静电场教学实验系统，其结构包括实验平台子系统，用于采集模拟静电场中的探测点的电位信息和位置信息；操作控制子系统，用于操作控制静电场的可视化互动实验过程，设置静电场参数，实时分析处理电位和位置采集信息，完成静电场特性图形化处理，达到可视化静电场的实验教学目的。本实用新型通过可视互动的方式，实验表现形式生动、直观，有利于提高学生的参与度，有效缓解理论难以联系实际的困难，且通过进行演示性、示范性教学实验，解释图像显示原因，传授静电场实验的知识点，利于学习者学习知识。

Description

一种可视互动的静电场教学实验系统

技术领域

本实用新型属于教学实验设备技术领域，具体涉及一种可视互动的静电场教学实验系统。

背景技术

静电场描绘实验是高等学校的一项经典实验，常用稳恒电流场模拟静电场的方法来间接测量静电场，通过电场线和等势面来描绘静电场，电场线与等势面处处正交，因此有了等势面的图形就可以大致画出电场线的分布图，反之亦然。此种实验方法叫“模拟法”。

而现有的静电场描绘仪大都是上下结构，下层为静电场，上层为描绘层；在下层找到正确的点位后再在上层逐一描点，最后将所有点连线。

该方式存在需要在下层找到对应点后再到上层画点，比较麻烦；且需要人工找等势点，人工误差较大，导致实验精度较低；同时，在教学过程中，难以同时开展演示性和验证性教学，互动性较弱，难以激起学习者的兴趣，从而影响教学效率。

实用新型内容

鉴于上述现有的静电场描绘仪存在操作麻烦，实验精度低和互动性较弱的问题，本实用新型目的之一在于提供一种可视互动的静电场教学实验系统和控制方法，该教学实验系统以可视互动性入手，表现形式生动形象，可有效提高学习的自主性，有利于培养学习者的学习和创新能力。

为实现上述目的，本实用新型采用下列技术方案：

一种可视互动的静电场教学实验系统，包括实验平台子系统和操作控制子系统。

其中，所述实验平台子系统，用于采集静电场中探测点的电位信息和位置信息，其具有模拟静电场；触摸板，和所述模拟静电场配合设置，并呈上下平行排列；同步探针件，具有和所述模拟静电场配合的第一探针及和所述触摸板配合的第二探针；所述第一探针和所述第二探针位于同一直线上，且保持同步运动。

所述操作控制子系统和触摸板及第一探针信号连接，并能根据所述触摸板的位置信息和第一探针的电位信息完成静电场特性图形化处理。

当第一探针找到待测点后，控制所述第二探针和所述触摸板接触，从而获得待测点的位置信息，所述操作控制系统根据所述触摸板的位置信息和第一探针的电位信息绘制图形，从而实现可视化静电场的实验教学目的。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述操作控制子系统包括下位机，和所述第一探针信号连接，以接收所述模拟静电场的探测点的电位信息并进行处理；上位机，设有可视互动控制应用软件；所述上位机和所述下位机及所述触摸板信号连接，以接收并存贮所述下位机处理后的电位信息和所述触摸板的位置信息，并根据实验教学的内容设计，可视化互动控制应用软件完成静电场特性图形化处理、向下位机下达操作指令和显示实验结果。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述可视互动控制应用软件包括静电场实验教学视频播放模块，具有多个具体实验过程的教学视频，用于传授静电场实验的知识点；静电场实验教学培训素材库，用于演示实验教学培训素材，解释图形显示原因，传授静电场实验的知识点；人机交互界面，以实现设置实验所需的参数、功能选择、知识点讲解和互动式操作。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述静电场实验教学培训素材库具有以下至少一者：静电场实验指导书、标准实验报告、实验大纲和实验教案素材库。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述模拟静电场包括导电介质和电源机构；所述导电介质和所述触摸板上下平行排列。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述电源机构和所述下位机信号连接。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述导电介质为导电微晶板。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述导电微晶板设有若干不同的电极。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述同步探针件具有同步支架；所述同步支架具有两个上下平行排列的探针臂；所述第一探针和所述第二探针分别安装在两个所述探针臂上。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述第二探针包括联接部，穿设于和所述第二探针对应的探针臂上；其具有两端开口的空腔；顶针部，活动设置在所述联接部的空腔中；压簧，设置在所述联接部的空腔中，两端分别与联接部及顶针部连接；调节部，和所述顶针部的上部连接。

当第一探针找到待测点后，通过调节部按压顶针部和触摸板接触，从而获得待测点的位置信息。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述第二探针还包括按压控制机构；所述按压控制机构和所述下位机信号连接。

当第一探针找到待测点后，所述下位机控制所述按压控制机构按压调节部，使所述顶针部和所述触摸板接触，获得待测点的位置信息。

在本实用新型公开的其中一个技术方案中，所述实验平台子系统还包括两块呈上下排列的固定板；所述固定板之间通过设置在四角位置的螺杆连接，并由螺母固定，以形成双层结构。

其中，所述模拟静电场和所述触摸板分别安装在两块固定板上。通过以上说明可知，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.通过第一探针和第二探针分别获得待测点的电位信息和位置信息，可视互动控制应用软件可根据位置信息和下位机处理后的电位信息进行绘图，实验表现形式生动、直观，有利于提高学生的参与度，有效激发学习者的学习乐趣，且有利于提高实验精度。

2.可通过电场实验教学视频播放模块和静电场实验教学培训素材库进行演示性、示范性教学实验，使学习者熟悉静电场描绘操作，并通过实时获得实验结果的图像进行结果分析，有效缓解电磁波教学中普遍存在由于电磁波看不见、摸不着造成的理论难于消化，概念难于理解，理论难以联系实际的诸多困难，从而可有效激发学习的自主性和自觉性，利于知识学习与创新能力培养。

3.当第一探针检测到待测点后，下位机根据接收的的电位信息控制按压控制机构按压调节部，从而使第二探针和触摸板接触，获得待测点的位置信息，并进行绘图，从而可减少人工误差，有利于提高实验精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有关技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意框图。

图2为本实用新型实施例可视互动控制应用软件的的结构框图。

图3为本实用新型实施例实验平台子系统的结构示意图。

图4为本实用新型实施例第二探针的结构示意图。

附图标记：1-实验平台子系统；11-模拟静电场；12-触摸板；13-同步探针件；131-第一探针；132-第二探针；1321-顶针部；1322-联接部；1323-调节部；1324-压簧；1325-按压控制机构；14-固定架；141-固定板；2-操作控制子系统；21-下位机；22-上位机；23-可视互动控制应用软件。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

本实用新型实施例公开了一种可视互动的静电场教学实验系统，其结构如附图1所示，包括实验平台子系统1和操作控制子系统2。

具体地，如附图1和附图3所示，实验平台子系统1用于采集模拟静电场中的探测点的电位信息和位置信息；其具有模拟静电场11、触摸板12和同步探针件13。

其中，模拟静电场11和触摸板12配合设置，并呈上下平行排列；同步探针件13具有和模拟静电场11配合的第一探针131及和触摸板12配合的第二探针132，第一探针131和第二探针132位于同一铅锤线上，并保持同步运动。从而当第一探针131和模拟静电场11接触获得探测点的电位信息，使第二探针132接触触摸板12的接触，从而获得探测点的位置信息。

操作控制子系统2具有下位机21、上位机22和可视互动控制应用软件23，用于操作控制静电场的可视化互动实验过程，设置静电场参数，实时分析处理电位和位置采集信息，完成静电场特性图形化处理，达到可视化静电场的实验教学目的。

下位机21和第一探针131信号连接，以接收所述第一探针131采集的电位信息并进行处理。

上位机22中设有可视互动控制应用软件23；上位机22和下位机21及触摸板12信号连接，以接收并存贮下位机21处理后的电位信息和触摸板12的位置信息，并根据实验教学的内容设计，执行可视化互动控制应用软件23、向下位机21下达操作指令和显示实验结果。

如附图2所示，可视互动控制应用软件23具有通信模块、操作指令模块、静电场实验教学视频播放模块、静电场实验教学培训素材库和人机交互界面。

其中，通信模块分别和所述上位机22及所述下位机21协议通信；操作指令模块通过所述通信模块使所述上位机22和所述下位机21根据接收的指令进行相应的操作；实验功能模块用于选择待测模拟静电场模式并完成实验、描绘并显示结果图像和分析图像显示原因；静电场实验教学视频播放模块具有多个具体实验过程的教学视频，用于传授静电场实验的知识点；静电场实验教学培训素材库，用于演示实验教学培训素材，解释图形显示原因，传授静电场实验的知识点；人机交互界面，以实现设置实验所需的参数、功能选择、知识点讲解和互动式教学操作。

当需要进行教学实验时，先将下位机21初始化，然后通过上位机22的人机交互界面进行模拟静电场实验模式选择和实验参数设置；通过下位机21接收并处理模拟静电场11对应的探针13采集的探测点的电位信息；通过触摸板12采集模拟静电场11探测点的位置信息，并将位置信息上传至上位机22中；可视互动控制应用软件23的实验功能模块根据下位机21处理后的电位信息和触摸板12的位置信息绘制图像并分析原因；然后，可通过人机交互界面进行互动式教学操作，如播放示范性教学实验视频或演示实验教学培训素材，以解释图像显示原因，传授静电场实验的知识点，从而有利于提高教学的互动性和趣味性，可有效提高学习的自主性，有利于培养学习者的学习和创新能力。

更具体地，静电场实验教学培训素材库由静电场实验指导书、标准实验报告、实验大纲和实验教案素材库等组成。

人机交互界面通过触摸屏或电子软键盘实现设置实验所需的参数、功能选择、知识点讲解和互动式教学等操作。

在一些实施例中，模拟静电场11包括导电介质111和电源机构（附图未示出）。

其中，导电介质111为导电微晶板，和触摸板12上下平行排列。电源机构用于提供稳恒电流，并和下位机22信号连接，及可通过下位机21调整电源机构的参数。

更具体地，导电微晶板上设有多种电极，如同心圆电极、平行导线电极、聚集电极等，从而实现不同静电场模式实验教学。

在一些实施例中，实验平台子系统1还包括具有双层结构的固定架14，导电微晶板111和触摸板12分别安装在固定架14的下、上层上。

具体地，固定架14包括两块呈上下平行排列的固定板141，两块固定板141之间通过设置在四角位置的螺杆连接，并由螺母固定，以形成双层结构。

在一些实施例中，如附图3和附图4所示，同步探针件13包括设有两个呈上下平行排列的探针臂1331的同步支架133，第一探针131和第二探针132分别安装在两个探针臂1331上，从而实现第一探针131和第二探针132的同步运动，有利于提高实验精度。

更具体地，第二探针132具有顶针部1321、联接部1322和调节部1323。

其中，联接部1322穿设于和探针臂1331上，其具有两端开口的腔体。顶针部1322和联接部1323活动连接，位于联接部1322的腔体中。调节部1323和顶针部1321的上部连接。压簧1324设置在联接部1322的腔体中，两端分别与联接部1322和顶针部1321连接。从而通过按压调节部1323，使压簧1324压缩，从而使顶针部1321接触触摸板12，获得待测点的位置信息。

考虑到提高实验精度，减少人工误差，第二探针132还包括按压控制机构1325，按压控制机构1325由下位机21控制，当第一探针131找到待测点后，下位机21控制按压控制机构1325按压调节部1323，从而使顶针部1321和触摸板12接触，获得待测点的位置信息。

具体地，按压控制机构1325为电动推杆。可以理解的是，考虑到按压控制机构1325的作用，对于本领域技术人员来说，很容易想到其他结构来实现控制按压调节部1322。

作为上述实施例具体实施方式，下位机21和上位机22之间、上位机22和触摸板12之间均通过USB连线连接。

本实用新型实施例公开的可视互动的静电场教学实验系统的工作过程是：

（1）打开可视互动控制应用软件23，选择静电场模式，进行参数设置；

（2）下位机初始化，打开电源开关，移动同步探针件13，当第一探针131的电压信息和预设的参数相同时，下位机21控制按压控制机构1325按压调节部1323，从而使顶针部1321和触摸板13接触，使触摸板12留下一个记录点；

（3）触摸板12将记录点的位置信息上传至上位机22中，可视互动控制应用软件23在人机交互界面上根据处理后的电位信息和位置信息进行图像绘制；

（4）然后通过人机交互界面进行互动式教学操作，如播放示范性教学实验视频或演示实验教学培训素材，以解释图像显示原因，传授静电场实验的知识点，从而有利于提高教学的互动性和趣味性。

通过以上说明可知，与现有技术相比，本实用新型实施例的有益效果是：

通过第一探针131和第二探针132分别获得待测点的电位信息和位置信息，可视互动控制应用软件可根据位置信息和下位机21处理后的电位信息进行绘图，实验表现形式生动、直观，有利于提高学生的参与度，有效激发学习者的学习乐趣，且有利于提高实验精度；进一步地，可通过电场实验教学视频播放模块和静电场实验教学培训素材库进行演示性、示范性教学实验，使学习者熟悉静电场描绘操作，并通过实时获得实验结果的图像进行结果分析，有效缓解电磁波教学中普遍存在由于电磁波看不见、摸不着造成的理论难于消化，概念难于理解，理论难以联系实际的诸多困难，从而可有效激发学习的自主性和自觉性，利于知识学习与创新能力培养。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，包括：

实验平台子系统和操作控制子系统；

其中，所述实验平台子系统，用于采集静电场中探测点的电位信息和位置信息，其具有：

模拟静电场；

触摸板，和所述模拟静电场配合设置，并呈上下平行排列；

同步探针件，具有和所述模拟静电场配合的第一探针及和所述触摸板配合的第二探针；所述第一探针和所述第二探针位于同一直线上，且保持同步运动；

所述操作控制子系统和所述触摸板及所述第一探针信号连接，并能根据所述触摸板的位置信息和第一探针的电位信息完成静电场特性图形化处理；

当第一探针找到待测点后，控制所述第二探针和所述触摸板接触，从而获得待测点的位置信息，所述操作控制系统可根据所述触摸板的位置信息和第一探针的电位信息绘制图形，从而实现可视化静电场的实验教学目的。

2.根据权利要求1所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述操作控制子系统包括：

下位机，和所述第一探针信号连接，以接收所述模拟静电场的探测点的电位信息并进行处理；

上位机，设有可视互动控制应用软件；所述上位机和所述下位机及所述触摸板信号连接，以接收并存贮所述下位机处理后的电位信息和所述触摸板的位置信息，并根据实验教学的内容设计，可视化互动控制应用软件完成静电场特性图形化处理、向下位机下达操作指令和显示实验结果。

3.根据权利要求2所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述模拟静电场包括导电介质和电源机构；所述导电介质和所述触摸板上下平行排列。

4.根据权利要求3所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述电源机构和所述下位机信号连接。

5.根据权利要求2所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述同步探针件具有同步支架；所述同步支架具有两个上下平行排列的探针臂；所述第一探针和所述第二探针分别安装在两个所述探针臂上。

6.根据权利要求5所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述第二探针包括：

联接部，穿设于和所述第二探针对应的探针臂上；其具有两端开口的空腔；

顶针部，活动设置在所述联接部的空腔中；

压簧，设置在所述联接部的空腔中，两端分别与所述联接部及所述顶针部连接；

调节部，和所述顶针部的上部连接；

当第一探针找到待测点后，通过所述调节部按压所述顶针部和所述触摸板接触，从而获得待测点的位置信息。

7.根据权利要求6所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述第二探针还包括按压控制机构；所述按压控制机构和所述下位机信号连接；

当第一探针找到待测点后，所述下位机控制所述按压控制机构按压所述调节部，使所述顶针部和所述触摸板接触，获得待测点的位置信息。

8.根据权利要求1所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述实验平台子系统还包括：

两块呈上下排列的固定板；所述固定板之间通过设置在四角位置的螺杆连接，并由螺母固定，以形成双层结构；

其中，所述模拟静电场和所述触摸板分别安装在两块固定板上。

9.根据权利要求2所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述可视互动控制应用软件包括：

静电场实验教学视频播放模块，具有多个具体实验过程的教学视频，用于传授静电场实验的知识点；

静电场实验教学培训素材库，用于演示实验教学培训素材，解释图形显示原因，传授静电场实验的知识点；

人机交互界面，以实现设置实验所需的参数、功能选择、知识点讲解和互动式操作。

10.根据权利要求9所述的可视互动的静电场教学实验系统，其特征在于，所述静电场实验教学培训素材库具有以下至少一者：静电场实验指导书、标准实验报告、实验大纲和实验教案素材库。