虚拟化学实验的实现系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟化学实验的实现系统和方法，包括：实验场景模块：用于组建目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和虚拟化学试剂；实验流程模块：用于设置目标化学实验中虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学药品的操作顺序；交互模块：用于设置目标化学实验包含的人机交互规则。基于本发明专利技术的虚拟化学实验的实现系统和方法，可快速高效地完成虚拟实验开发、且具有良好可扩展性和可移植性等优点。

The realization system and method of virtual chemistry experiment

【技术实现步骤摘要】
虚拟化学实验的实现系统和方法
本专利技术涉及计算机领域，特别涉及一种虚拟化学实验的实现系统和方法。
技术介绍
随着信息技术的快速发展以及国家高等教育水平的不断提高，化学实验的教学内容和教学方式都发生了巨大的变化。在这样的发展背景下，传统的化学实验已经不能满足高校学生对于自主实践实验的需求。随着虚拟仿真实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高，易维护等诸多优点。近年来，中国的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟仿真实验。但是由于缺乏便捷、专业的开发软件，虚拟化学仿真实验在准确性、专业性、可扩展性等方面存在诸多问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种虚拟化学实验的实现系统和方法，以解决现有虚拟化学实验的存在的开发问题。本专利技术提供一种虚拟化学实验的实现系统，包括实验场景模块：用于组建目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂；实验流程模块：用于设置目标化学实验中虚拟仪器、虚拟器具和虚拟化学试剂的操作顺序；交互模块：用于设置目标化学实验包含的人机交互规则。本专利技术还提供一种虚拟化学实验的实现方法，包括：组建目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂；设置目标化学实验中所述虚拟仪器、虚拟器具和虚拟化学试剂的操作顺序，设置目标化学实验包含的人机交互规则。基于本专利技术的虚拟化学实验的实现系统和方法，可快速高效地完成虚拟实验开发、且具有良好可扩展性和可移植性等优点。附图说明图1为本专利技术虚拟化学实验的实现系统的第一结构图；图2为本专利技术虚拟化学实验的实现系统的第二结构图；图3为本专利技术虚拟化学实验的实现方法的流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。如图1所示，本专利技术的虚拟化学实验的实现系统，包括：实验场景模块：用于组建目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂；实验流程模块：用于设置目标化学实验中所述虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂的操作顺序；交互模块：用于设置目标化学实验包含的人机交互规则。进一步地，为了便于实验场景模块开发，如图2所示，该系统还包括：模型库；模型库包含参数可调的多种虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂，供场景模块调用。例如，可以利用3DMAX制作多种虚拟化学实验的模型，模型包括：分析天平、锥形瓶、烧杯、干燥器、称量瓶、细口瓶、滴定管、指示剂瓶、滴管容量瓶、洗耳球、移液管等。以250mL锥形瓶的建模为例。首先打开3DMAX软件，新建一个以仪器名称命名的文件。在文件中按照250mL锥形瓶的实际尺寸建立一个圆柱体外形。在编辑器中更改圆柱体的节点数，选中将圆柱体的上表面，将其删除，然后再编辑器中选中添加壳的命令，手动调整其厚度，使锥形瓶有一定厚度。在材质编辑器中编辑好玻璃材质，将编辑好的玻璃材质赋给锥形瓶。在锥形瓶的瓶体上按照锥形瓶的弧度添加一个面，同时，新建一个锥形瓶体积标识的材质，选择做好的250mL刻度图片，完善体积标识的材质，将此材质赋给锥形瓶上的面。用合并功能将面和锥形瓶合并成一个物体。按照锥形瓶的形状，复制出一个锥形瓶，重新命名为液体，将液体的锥形瓶瓶口处删除，选中液体的上边缘并使用壳命令，将液体的模型上部封上。新建一个液体的材质，将材质赋给液体模型。将液体模型与锥形瓶模型用合并命令合并到一起。实验场景模块：将目标化学实验中涉及到的模型(包括目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂)整体拖入编辑界面当中的场景框，按照操作规则将模型摆放好。实验流程模块：构建目标化学实验的StepControlle脚本，用来定义控制模型(目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂)操作(或拆装)顺序。交互模块：为目标化学实验仪器设置人机交互规则并编写脚本。人机交互规则与交互的动作一对一对应。交互的动作包括点击(Click)、拖拽(Drag)、旋转(Rotate)、滑动(ScreenDrag)和长按(LongPress)、多点操作、虚拟3D等。每个动作中都包含了触发物、被触发物、触发操作时间、摄像机与触发物的距离、操作内容提示和摄像机位置信息、摄像机旋转角度等。如图2所示，人机交互规则包括：点击操作规则、拖曳操作规则、旋转操作规则、多点操作规则和虚拟3D规则等。化学虚拟实验，既可以满足了学生对动手操作的需求，同时又不受环境和实验条件的限制，让每一个学生都能动手实践，清晰地观看化学实验反应现象和条件的效果，能够最大限度的使学生对于化学实验的原理和实验现象有清晰的认识。基于本专利技术的虚拟化学实验的实现系统，降低了开发难度，可快速高效地完成虚拟实验开发、且具有良好可扩展性和可移植性等优点。为了便于开发，本专利技术的虚拟化学实验的实现系统可以基于虚拟仿真软件unity3D实现，基于unity3D实现本专利技术的实验场景模块、实验流程模块和交互模块，实现更快更简单的搭建仿真实验环境。同时unity3D可发布版本至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL、Windowsphone和Android工作站，可以满足同时在各种终端发布的需求。人机交互是虚拟化学实验最大的优点，也是锻炼用户动作操作的主要途径，下面给出几种典型化学虚拟仪器的交互规则示例。(1)移液管实际操作中使用移液管的操作如下：用右手拿移液管或吸量管上端合适位置，食指靠近管上口，中指和无名指张开握住移液管外侧，拇指在中指和无名指中间位置握在移液管内侧，小指自然放松；左手拿洗耳球，持握拳式，将吸耳球握在掌中，尖口向下，握紧吸耳球，排出球内空气，将吸耳球尖口插入或紧接在移液管(吸量管)上口，注意不能漏气。慢慢松开左手手指，将洗涤液慢慢吸入管内，直至刻度线以上部分，移开吸耳球，迅速用右手食指堵住移液管(吸量管)上口。为了模拟实际操作，本专利技术提出下述的移液管的多点操作规则，包括：步骤21：获取用户触碰点的坐标；步骤22：判断触碰点的坐标是否位于第一指定区域、第二指定区域和第三指定区域，第一指定区域为移液管的上端左侧，第二指定区域为移液管的上端右侧，第三指定区域为移液管的上口，如果是，执行步骤23，如果否，提示用户调整不在指定区域的触碰点的位置，返回步骤21；步骤23：检测第三指定区域的触碰点是否离开第三指定区域，如果是，执行步骤24；步骤24：启动计时，并基于计时的时长实时改变移液管的液位，在计时过程中，实时检测第三指定区域是否出现触碰点，如果是，停止计时，执行步骤25；步骤25：比较移液管的当前液位与目标液位的相对位置，如果当前液位高于目标液位，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟化学实验的实现系统，其特征在于，包括：/n实验场景模块：用于组建目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂；/n实验流程模块：用于设置所述目标化学实验中所述虚拟仪器、虚拟器具和虚拟化学试剂的操作顺序；/n交互模块：用于设置所述目标化学实验包含的人机交互规则。/n

【技术特征摘要】
1.一种虚拟化学实验的实现系统，其特征在于，包括：
实验场景模块：用于组建目标化学实验所涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂；
实验流程模块：用于设置所述目标化学实验中所述虚拟仪器、虚拟器具和虚拟化学试剂的操作顺序；
交互模块：用于设置所述目标化学实验包含的人机交互规则。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述目标化学实验包含至少两个子场景时；
所述场景模块：用于组建每个子场景所述涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂；
所述实验流程模块：用于设置各子场景的执行顺序和每个子场景所述涉及的虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂的操作顺序；
所述交互模块：用于设置每个子场景包含的人机交互规则。


3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述交互规则包括：点击操作规则、拖曳操作规则、旋转操作规则、摇晃操作规则、多点操作规则和/或虚拟3D规则。


4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：模型库；
所述模型库包含参数可调的多种虚拟实验工作站、虚拟仪器、虚拟器具和/或虚拟化学试剂，供所述场景模块调用。


5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述虚拟器具包括姿态控制属性，所述姿态控制属性用于设置所述虚拟器具的目标姿态与智能终端的目标姿态传感器或目标姿态控制设备关联。


6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述虚拟器具为移液管，所述移液管的所述多点操作规则包括：
步骤21：获取用户触碰点的坐标；
步骤22：判断所述触碰点的坐标是否位于第一指定区域、第二指定区域和第三指定区域，所述第一指定区域为移液管的上端左侧，所述第二指定区域为移液管的上端右侧，所述第三指定区域为移液管的上口，如果是，执行步骤23，如果否，提示用户调整不在指定区域的触碰点的位置，返回步骤21；
步骤23：检测所述第三指定区域的触碰点是否离开第三指定区域，如果是，执行步骤24；
步骤24：启动计时，并基于计时的时长实时改变移液管的液位，在计时过程中，实时检测第三指定区域是否出现触碰点，如果是，停止计时，执行步骤25；
步骤25：比较移液管的当前液位与目标液...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永策，李莹，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21