[发明专利]一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像处理、计算机图形学、虚拟现实和计算机辅助教学领域，尤其涉及一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法。

背景技术

虚拟现实以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等感官方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。近年来，虚拟现实技术越来越多的应用在教育领域，其中，虚拟实验教学环境是一个典型代表。虚拟实验教学环境可以为广大的学生和其他兴趣者提供一个进行虚拟实验的环境。与传统实验教学相比，虚拟实验教学具有三大优势：无地点约束、安全、低成本。无地点约束，即进行虚拟实验不需要实验室等固定场所，不受地点的限制，任何有计算机和网络的地方都可以进行虚拟实验。安全，即进行虚拟实验过程中实验人员不接触高压、有毒化学物质等危险环境。低成本，即进行虚拟实验不需要购买昂贵的实验设备。

虚拟实验教学环境作为传统实验教学的一种有效的补充，已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，不仅能很好地解决传统实验教学存在的诸多问题、远程教育中实验教学无法实施的问题，有效地改善实验教学资源严重短缺和分布不均的现状，而且能充分考虑新世纪人才培养模式的需要，有利于提高学生的创新能力、动手能力和综合素质，具有良好的社会效益。虚拟实验教学环境能够满足广大高校教学工作对实验资源的迫切需求，为国家、社会和学校节省大量教育资金投入，产生良好的经济效益。并且，我国目前共有普通高等学校和成人高等学校1000多所，大部分学校教育资源十分短缺，虚拟实验教学环境及其可视化设计在大中小学各级各类学校、成人教育、远程教育及职业培训中的广泛应用，不但可以节省大量的教育资金投入，而且具有巨大的潜在市场。

目前国内外在虚拟实验教学环境的研究和应用方面已经取得了一些进展，但是除NI公司的虚拟仪器开发软件外，成熟的商业平台并不多，基本上没有通用的开发平台。2001年台湾师范大学的曾焕雯等人设计并实现了一套基于专家系统的交互式虚拟实验室，但该系统只适用于电机实验。2009年福建师范大学的江辉仙等人整合各类地理学中地形资源构建了一个地理地形学虚拟实验教学环境。2010年郑州大学的张艳丽等人开发了一套化学实验的虚拟实验教学平台。2011年上海交通大学的范秀芳等人设计并实现了一套方便学生理解机械运动的虚拟实验教学系统。

当前的虚拟实验教学环境大都是针对某一特殊学科甚至某些特殊实验设计并开发的，暂无一个多学科通用的虚拟实验平台和相应的标准规范。每开发一个虚拟实验都要重新设计并编码实现，导致虚拟实验的开发成本很大，虚拟实验的可重用性。2002年英国诺丁汉大学的Joanna K.Crosier等人研究了整合中学实验教学中虚拟环境需要解决的若干关键问题。然而，他们的目标只是整合中学课程中的虚拟实验，与大学课程中的实验相比，这些实验相对简单，没有复杂的实验原理和精细的实验仪器。

当前的虚拟实验教学环境大都以单个实验为最小单位进行设计和开发，不能进行实验构件的重用，限制了虚拟实验教学场景的开发效率。为了能够统一整合现有虚拟实验，提高虚拟实验开发效率，我国已经对虚拟实验教学环境标准制定了相应的国家标准和规范。该套标准描述了虚拟实验教学环境中的实验构件、实验场景、实验结果等的具体概念，并制定了相应的数据格式规范。

但现有虚拟实验都是封闭式的，开发者设计的虚拟实验构件是有限的，用户只能在现有的虚拟实验构件库中选择虚拟实验构件进行实验，若想要增加其他实验构件只能等待软件开发者的设计，增大了虚拟实验构件的开发成本。且现有虚拟实验只针对某一特定实验，虚拟实验构件的参数数据和实验场景的运行参数都是特定的，不能进行不同参数状态的虚拟实验。

发明内容

针对上述技术问题，本发明设计开发了一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，目的在于改变现有虚拟实验教学的局限性，使用户可根据需求增加虚拟实验构件，并进行相关参数的设置，提高虚拟实验教学的开放性，降低虚拟实验的开发成本。

本发明提供的技术方案为：

一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法，包括以下步骤：

步骤一、用户采集或制作虚拟实验构件数据，所述数据中包括显示数据和参数数据，并利用这些数据对虚拟实验构件建模；

步骤二、将所有虚拟实验构件模型保存到虚拟构件库中；

步骤三、根据用户的需要，从虚拟构件库中挑选出所需的虚拟实验构件模型，并利用这些虚拟实验构件模型进行实验场景搭建；