手持式虛擬實驗室系統及其實現方法
2023-07-06 23:35:41 2
專利名稱：手持式虛擬實驗室系統及其實現方法
技術領域：
本發明涉及一種語言學習領域，尤其涉及一種可以內建於個人電腦(PC)、筆記本電腦(Notebook)、掌上型電腦(HPC)、電子詞典或其它類似功能的電子裝置中的手持式虛擬實驗室系統及實現方法。
背景技術：
在數理化的學習過程中，進行實驗是探索知識的一個重要途徑，藉之，可以更好的發現規律，了解及證明理論。但是，學校的物理和化學實驗室數量有限，學生進實驗室的時間也是有限的。而一般實驗過程複雜、實驗中間環節較多，在有限的實驗課時間很難完成實驗，實驗中途終止實驗造成的浪費極大，甚至一些錯誤的操作會帶來實驗後果及災難。
隨著信息技術的發展，現有也出現了一些利用計算機進行虛擬實驗的方法。例如，中國國家知識產權局專利局於2005年5月4日公開的第200310108295.6號發明專利申請，其名稱為「用計算機進行虛擬實驗的方法」。其公開了一種用計算機進行虛擬實驗的方法，主要包括以下步驟接收實驗類型選擇指令，選擇一種類型的實驗；接收所選類型實驗的參數；按照所選類型和參數建立數學模型；根據數學模型進行計算；根據數學模型計算的結果顯示圖像。該發明可以以計算機為主體的多媒體技術與仿真技術應用到中小學校的實驗領域。
但是在實際上，因為學校計算機實驗室成本高，機房數量有限。所以仿真的教學實驗，大多數是老師的演示實驗。另外，這種在計算機上進行虛擬實驗的方法受時間及空間的限制。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種手持式虛擬實驗室系統及實現方法，可以在手持式行動裝置上構築虛擬實驗室，隨時隨地地進行虛擬實驗。
為解上述技術問題，本發明提供一種手持式虛擬實驗室系統，包括有信號控制處理單元及與該信號控制處理單元相連接的輸入單元、存儲單元、顯示單元，所述輸入單元用於接收用戶輸入及操作指令；所述信號控制處理單元進一步包括中央處理單元及虛擬實驗室平臺模塊，用於在該手持機上進行實驗的仿真操作。
其中，所述虛擬實驗室平臺模塊包括實驗器具庫，存儲有實驗用的虛擬實驗器具；實驗藥品庫，存儲有實驗用的虛擬實驗藥品；反應方程式庫，存儲有實驗中各種反應方程式；反應現象/結果庫，存儲有對應各種反應方程式的實驗現象及結果信息；實驗模型搭建單元，用於選擇所述實驗器具庫中的虛擬實驗器具，搭建實驗模型，該實驗模型會以圖片的形式顯示在手持設備的顯示單元上；實驗過程/結果生成單元，通過調用反應現象/結果庫中的信息，並虛擬實驗器具中顯示實驗過程及結果。
其中，所述虛擬實驗室平臺模塊進一步包括圖表生成單元，用於生成實驗過程的實驗物質的物理量變化圖表。
其中，所述信號控制處理單元進一步包括三維分子模型仿真模塊，該三維分子模型仿真模塊包括基本模型庫，存儲有基本分子的基本模型；分子結構庫，存儲有較複雜的分子的模型；分子結構搭建單元，用於將基本模型庫中的多個基本模型進行組合，重新搭建一個新的分子結構。
其中，所述三維分子模型仿真模塊進一步包括比較單元，用於將新搭建的分子結構與分子結構庫中相應的分子模型進行比較，確定是否搭建成功；結果輸出單元，用於將成功搭建的分子結構模型顯示出來。
其中，進一步包括一個通信單元，該通信單元至少為無線通信接口、USB接口及VGA視頻輸出接口中之一種。
相應地，本發明還提供一種手持式虛擬實驗實現方法，包括如下步驟(a)選擇虛擬實驗器具；(b)根據所選擇的虛擬實驗器具，實驗模型搭建單元搭建實驗模型；(c)在所述搭建的實驗模型中的虛擬實驗器具中加入虛擬實驗藥品，並調用反應方程式庫中的反應方程式；
(d)啟動虛擬實驗，通過調用反應現象/結果庫中的信息，在步驟(c)中的實驗模型的相應虛擬實驗器具中顯示實驗過程及結果。
其中，進一步包括(e)生成反應過程中各虛擬實驗藥品的物理量變化圖表。
相應地，本發明還提供一種手持式虛擬實驗實現方法，包括如下步驟(a)在基本模型庫中選擇第一分子基本模型；(b)在基本模型庫中選擇需要與第一分子基本模型配合的其他分子基本模型；(c)將步驟(b)中所選擇的每一個其他分子基本模型替代第一分子基本模型中的一個氫原子，以搭建一個新的分子模型。
其中，進一步包括(d)比較單元將所述步驟(c)中所搭建的分子模型與存儲於分子結構庫中的相應分子模型進行比較，判斷所搭建的分子模型是否正確；(e)結果輸出單元輸出該正確的所搭建的分子模型。
實施本發明，具有如下有益效果可以在嵌入式系統平臺上構建虛擬數理化實驗室，進行實際實驗室之前，可以先在虛擬實驗平臺上模擬演練實驗過程，了解實驗目的，熟悉實驗步驟，預見實驗結果，然後，在進入實驗室實際操作驗證，既可節約實驗時間、提高實驗效果，又可避免不必要的資源浪費。甚至有些實驗直接通過虛擬實驗室邏輯推理、動畫模擬效果更明顯、更形象，結果更準確。
並且可以模擬一些錯誤操作的實驗後果及災難，能警示學生有效避免錯誤實驗操作，則，可以在實驗中降低實驗風險，提高實驗成功率。
在虛擬實驗室的支持下，老師可以將抽象問題變形象化，將複雜問題變簡單化，更好地帶領學生進入神奇的數理化世界，大大增強學生學習數理化的興趣；同時學生也可以變被動為主動，隨時、隨地及時發現問題及時模擬實驗，自由自在探索自然科學奧秘。
圖1是本發明的手持式虛擬實驗室系統的結構示意圖；圖2是本發明中虛擬實驗室平臺的結構示意圖；
圖3是本發明的手持式虛擬實驗室實現方法的主流程圖；圖4～圖8是圖3中的一個實施例的具體界面示意圖；圖9是本發明中三維分子模型仿真模塊的結構示意圖；圖10是本發明中進行三維分子模型仿真的流程圖；圖11是圖10中第一實施例的示意圖；圖12是圖10中第二實施例的示意圖。
具體實施例方式
本發明所提供的手持式虛擬實驗室系統是一種可以嵌入個人電腦(PC)、筆記本電腦(Notebook)、掌上電腦、學習機、電子詞典、電子玩具等手持設備上，利用計算機多媒體技術、計算機圖形學及人機互動技術在嵌入式系統平臺上構建虛擬數理化實驗室。是通過相應的硬體及內嵌軟體來共同實現的，在本發明中，其中，虛擬實驗室主要是指化學實驗室。
如圖1所示，是本發明的手持式虛擬實驗室系統的結構示意圖。該手持式虛擬實驗室系統至少包括有信號控制處理單元1、輸入單元2、存儲單元3、顯示單元4、語音輸出單元5及通信單元6。其中，信號控制處理單元進一步包括中央處理單元10、虛擬實驗室平臺模塊11，其中，虛擬實驗室平臺模塊11又進一步包括三維分子模型仿真模塊12，所述虛擬實驗室平臺模塊11及三維分子模型仿真模塊12分別用於實現虛擬實驗及三維分子模型的仿真；輸入單元2用於接收用戶輸入及操作指令。其包括諸如鍵盤、滑鼠、觸控螢幕、手寫筆等輸入裝置；存儲單元3用於存儲用戶信息、與虛擬實驗相關的一些諸如實驗器具、藥品、反應方程式、反應現象/結果、三維分子模型及分子結構等信息；顯示單元4用於顯示圖形、圖像(視頻、動畫)、文字、表格等信息；語音輸出單元5用於進行語音信號的處理、放大及輸出等操作；而通信單元6用於傳輸(上傳、下載、更新、備份)用戶信息、實驗模型、實驗器具及更新升級系統等，其包括無線通信接口，用於與其他的具有相同的虛擬實驗室系統的手持設備進行通信，可實現點對點數據通訊和點對多數據群發通信；USB接口，用於與計算機聯接進行用戶數據傳輸，系統升級等，還可以本手持設備的供電接口；
VGA視頻輸出接口，可用於連接投影儀，便於將實驗內容及過程投影到大屏幕上，便於教學演示和交流。
如圖2所示，是本發明中虛擬實驗室平臺的結構示意圖。所述虛擬實驗室平臺模塊11包括有實驗器具庫111，存儲有實驗用的器具，該實驗器具為虛擬的實驗器具圖標，包括實驗架，試管、燒杯、酒精燈、鐵架臺、燒瓶、錐形瓶、集氣瓶、漏鬥、導管等，對應於真實實驗室中的器具；實驗藥品庫112，存儲有實驗用的化學藥品，如H2、O2、C12、CO2、HCl及石灰水等，在此不一一敘述，對應於真實實驗室中的藥品；反應方程式庫113，存儲有實驗中遇到的各種反應方程式；反應現象/結果庫114，存儲有對應各種反應方程式的實現現象及結果信息，該信息可以用圖片或動畫等形式顯示；實驗模型搭建單元115，用於利用實驗器具庫111中的實驗用器具及實驗藥品庫112中的藥品，搭建一個具體的實驗模型，該實驗模型會以圖片的形式顯示在手持設備的顯示單元上；實驗過程/結果生成單元116，通過調用反應現象/結果庫中的信息，並將之在實驗模型上直觀顯示出來；圖表生成單元117，用於生成實驗過程的圖表，例如，可以生成跟蹤各物質在實驗中的物理量變化的圖表。
如圖4所示，是本發明的手持式虛擬實驗室實現方法的主流程圖；下面將同時結合圖5至圖8進行說明。
步驟S300選擇在該虛擬實驗室中要進行的實驗項目，下述我們以 「把CO2通入澄清石灰水」的實驗為例，進行描述；步驟S302選用內置實驗器具，可以在如圖4的界面在器具庫中選擇該實驗中所要使用到的實驗器具實驗架、圓頸漏鬥、圓底燒瓶、集氣瓶及導管；步驟S304利用實驗模型搭建單元，搭建如圖5所示的實驗模型；步驟S306在圖5的實驗模型中加入本次實驗所需的藥品，即在圓頸漏鬥加入HCL溶液，在圓底燒瓶中加入CaCO3，而在集氣瓶中加入Ca(OH)溶液，如圖6所示。並在圖7中的界面中選擇本次實驗的反應方程式「1CaCO3(固體)+2HCL(溶解)＝1CaCL2(溶解)+1CO2(氣體)」。
S308啟動實驗，打開圓頸漏鬥開關(在實際應用中，可以通過改變圓頸漏鬥的屬性來實現)，反應隨即進行。通過調用反應現象/結果庫中的信息，可以在圖6中的實驗模型中，顯示圓底燒瓶和集氣瓶中發生的反應現象。
步驟S310生成實驗圖表，該步驟為可選步驟。例如，若要跟蹤各物質(如，CaCO3在整個實驗過程中的變化過程)，可在反應實驗開始前，添加一圖表曲線對象，將需要跟蹤的化學藥品與圖表對象中的多條曲線分別對應關聯。當反應開始時，被跟蹤的化學藥品量的變化將在圖8中的圖表中直觀的反應出來。
利用本發明，還可以構造有機化學中的三維分子模型。
如圖9所示，是本發明中三維分子模型仿真模塊的結構示意圖；其中，包括基本模型庫121，存儲有各種三維分子的基本模型，如甲基模型、苯分子模型、硝基模型等經常使用到的模型，此處模型是以三維的形式呈現的；分子結構庫122，存儲有各種較複雜的分子的模型及該分子模型相關的拓展知識，如TNT分子模型、乙烷分子模型及該些分子結構特徵的介紹等。
分子結構搭建單元123，用於將基本模型庫121中的多個分子基本模型進行組合，重新組成一個新的分子結構。
比較單元124，用於將新搭建的分子結構與分子結構庫122中現有的分子模型進行比較，確定是否搭建成功。
結果輸出單元125，用於將成功搭建的分子結構模型顯示出來。
如圖10所示，是本發明中進行三維分子模型仿真的流程圖；下面結合下圖11及圖12進行說明。
步驟S500確定實驗項目，即確定要搭建什麼分子結構，在圖11中是需要搭建乙烷分子模型，而在圖12中是需要搭建三硝基甲苯分子模型。選擇一個第一基本模型，如圖11中的甲烷基本模型，圖1 2中的苯分子基本模型；步驟S502選擇需要與第一基本模型配合的其他基本模型，如圖11中的甲基基本模型；圖12中的一個甲基基本模型及三個硝基基本模型；步驟S504將步驟S502中選擇的每一個其他基本模型替代第一基本模型中的一個氫原子，以搭建分子模型。在圖11中，是將步驟S502中選擇甲烷基本模型替代第一模型(甲烷)中的一個氫原子，並將二者進行組合，從而搭建成一個乙烷分子模型。在圖12中，是先將甲基基本模型替代苯分子基本模型中的一個氫原子形成甲苯分子模型，然後，將三個硝基，分別替代甲苯分子模型的苯環上的三個氫原子(位置分別是甲基左右的及正下方的)，搭建成三硝基甲苯(TNT)分子結構。
步驟S506比較單元124將步驟S504中所搭建的分子模型與存儲於分子結構庫中的相應分子模型進行比較，判斷所搭建的分子模型是否正確？步驟S508結果輸出單元輸出該正確的所搭建的分子模型及與其相應的拓展知識。
學習者可以用這些基本分子模型搭建更多有機分子結構。在學習者自由搭建分子結構的過程中，如果學習者搭建的是有效的分子結構，系統出示該分子結構的化學分子式、物質名稱及相關特性。在這樣的實驗中，學習者可對微觀分子的空間結構以及形狀有一個直觀的認識，並進一步拓展學習有關知識。
實施本發明，可以在嵌入式系統平臺上構建虛擬數理化實驗室，進行實際實驗室之前，可以先在虛擬實驗平臺上模擬演練實驗過程，了解實驗目的，熟悉實驗步驟，預見實驗結果，然後，在進入實驗室實際操作驗證，既可節約實驗時間、提高實驗效果，又可避免不必要的資源浪費。甚至有些實驗直接通過虛擬實驗室邏輯推理、動畫模擬效果更明顯、更形象，結果更準確。
並且可以模擬一些錯誤操作的實驗後果及災難，能警示學生有效避免錯誤實驗操作，則，可以在實驗中降低實驗風險，提高實驗成功率。
在虛擬實驗室的支持下，老師可以將抽象問題變形象化，將複雜問題變簡單化，更好地帶領學生進入神奇的數理化世界，大大增強學生學習數理化的興趣；同時學生也可以變被動為主動，隨時、隨地及時發現問題及時模擬實驗，自由自在探索自然科學奧秘。
以上所揭露的僅為本發明一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
權利要求
1.一種手持式虛擬實驗室系統，包括有信號控制處理單元及與該信號控制處理單元相連接的輸入單元、存儲單元、顯示單元，其特徵在於所述輸入單元用於接收用戶輸入及操作指令；所述信號控制處理單元進一步包括中央處理單元及虛擬實驗室平臺模塊，用於在該手持機上進行實驗的仿真操作。
2.如權利要求1所述的手持式虛擬實驗室系統，其特徵在於，所述虛擬實驗室平臺模塊包括實驗器具庫，存儲有實驗用的虛擬實驗器具；實驗藥品庫，存儲有實驗用的虛擬實驗藥品；反應方程式庫，存儲有實驗中各種反應方程式；反應現象/結果庫，存儲有對應各種反應方程式的實驗現象及結果信息；實驗模型搭建單元，用於選擇所述實驗器具庫中的虛擬實驗器具，搭建實驗模型，該實驗模型會以圖片的形式顯示在手持設備的顯示單元上；實驗過程/結果生成單元，通過調用反應現象/結果庫中的信息，並虛擬實驗器具中顯示實驗過程及結果。
3.如權利要求2所述的手持式虛擬實驗室系統，其特徵在於，所述虛擬實驗室平臺模塊進一步包括圖表生成單元，用於生成實驗過程的實驗物質的物理量變化圖表。
4.如權利要求1所述的手持式虛擬實驗室系統，其特徵在於，所述信號控制處理單元進一步包括三維分子模型仿真模塊，該三維分子模型仿真模塊包括基本模型庫，存儲有基本分子的基本模型；分子結構庫，存儲有較複雜的分子的模型；分子結構搭建單元，用於將基本模型庫中的多個基本模型進行組合，重新搭建一個新的分子結構。
5.如權利要求4所述的手持式虛擬實驗室系統，其特徵在於，所述三維分子模型仿真模塊進一步包括比較單元，用於將新搭建的分子結構與分子結構庫中相應的分子模型進行比較，確定是否搭建成功；結果輸出單元，用於將成功搭建的分子結構模型顯示出來。
6.如權利要求4所述的手持式虛擬實驗室系統，其特徵在於，進一步包括一個通信單元，該通信單元至少為無線通信接口、USB接口及VGA視頻輸出接口中之一種。
7.一種手持式虛擬實驗實現方法，其特徵在於，包括如下步驟(a)選擇虛擬實驗器具；(b)根據所選擇的虛擬實驗器具，實驗模型搭建單元搭建實驗模型；(c)在所述搭建的實驗模型中的虛擬實驗器具中加入虛擬實驗藥品，並調用反應方程式庫中的反應方程式；(d)啟動虛擬實驗，通過調用反應現象/結果庫中的信息，在步驟(c)中的實驗模型的相應虛擬實驗器具中顯示實驗過程及結果。
8.如權利要求7所述的手持式虛擬實驗實現方法，其特徵在於，進一步包括(e)生成反應過程中各虛擬實驗藥品的物理量變化圖表。
9.一種手持式虛擬實驗實現方法，其特徵在於，包括如下步驟(a)在基本模型庫中選擇第一分子基本模型；(b)在基本模型庫中選擇需要與第一分子基本模型配合的其他分子基本模型；(c)將步驟(b)中所選擇的每一個其他分子基本模型替代第一分子基本模型中的一個氫原子，以搭建一個新的分子模型。
10.如權利要求9所述的手持式虛擬實驗實現方法，其特徵在於，進一步包括(d)比較單元將所述步驟(c)中所搭建的分子模型與存儲於分子結構庫中的相應分子模型進行比較，判斷所搭建的分子模型是否正確；(e)結果輸出單元輸出該正確的所搭建的分子模型。
全文摘要
本發明提供一種手持式虛擬實驗室系統，包括有信號控制處理單元及與該信號控制處理單元相連接的輸入單元、存儲單元、顯示單元，所述輸入單元用於接收用戶輸入及操作指令；所述信號控制處理單元進一步包括中央處理單元及一虛擬實驗室平臺模塊，用於在該手持機上進行實驗的仿真操作。本發明還提供一種手持式虛擬實驗室實現方法。實施本發明，以在嵌入式系統平臺上構建虛擬化學實驗室，進行實際實驗之前，預先模擬演練實驗過程，了解實驗目的，熟悉實驗步驟，預見實驗結果，從而在實際實驗中降低實驗風險，提高實驗成功率。
文檔編號G06F17/00GK101042822SQ20061012221
公開日2007年9月26日 申請日期2006年9月18日 優先權日2006年9月18日
發明者沈月發 申請人:東莞市步步高教育電子產品有限公司