[發明專利]具有動態響應的仿真實驗系統

無效

• 申請號: 201410288674.6
• 申請日: 2014-06-24
• 公開（公告）號: CN104064088A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 孔鑫焱;童鈺;金一飛;吳嘉琦;包錢江
• 申請（專利權）人: 北京亞泰盛世科技發展有限公司
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明涉及一種實驗系統，尤其涉及用在中小學教學領域的仿真實驗系統，屬于教學器材領域。

背景技術

在傳統的實驗教學中，通常是根據學生的人數準備足夠量的實驗器材，以足夠每組或每個學生進行相應的物理化學實驗，這就要求學校耗費巨額資金購買相應的實驗器材，大大增加了學校的運營成本；同時，在實驗器材使用過程中，會出現損壞、學生人數擴招等情形，實驗器材并無法始終和及時滿足學生使用。

針對上述問題，結合計算機技術的發展，本領域嘗試將仿真實驗技術引入了實驗教學領域，但是已有的仿真實驗系統僅僅是類似于視頻播放式的系統，學生無法進行自主實驗設計，只能按規定好的流程使用，也就是說這些系統是針對課本記載的實驗去訂做的；同時，傳統的仿真系統是基于鼠標的交互模式開發的，使用不便，適用性不好。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明公開了一種具有動態響應的仿真實驗系統，該系統在實驗中引入了基于計算機計算和判斷的步驟，從而使得仿真出的實驗器材可以實時產生對應的物理現象和物理屬性變化，實驗數據隨實驗條件變化而動態變化，從而使學生理解和掌握真實的物理現象和物理原理；并且該仿真系統依舊能解決傳統實驗器材缺乏的問題，具有零消耗、無風險、無需預先準備實驗器材、無需后續維護等優勢。

具體的說，本發明是通過下述技術方案實現的：

具有動態響應的仿真實驗系統，包括通訊連接的中控模塊和仿真實驗器材模塊，所述中控模塊用來實時檢測仿真實驗器材模塊的連接狀態，根據其連接狀態為仿真實驗器材模塊賦予物理參數值和物理狀態；所述仿真實驗器材模塊用于生成仿真實驗器材、顯示物理現象和響應使用者的操作。

在上述中，為了便于操作，整個系統是運行在具有觸摸屏的計算機上，由計算機的處理器執行相關的邏輯判斷，由觸摸屏響應使用者(學生)擺放、連接仿真物理器材的操作。

其中，中控模塊通過碰撞檢測的方法檢測仿真實驗器材模塊的連接狀態。

碰撞檢測方法是在計算機游戲設計中常用的算法，包括離散點的碰撞檢測和連續碰撞檢測。其中，離散點的碰撞檢測是指定某一時刻T的兩個靜態碰撞體，看它們之間是否交迭，如果沒有交迭則返回它們最近點的距離，如果交迭則返回交迭深度，交迭方向等。連續碰撞檢測則是分別指定在T1、T2兩個時刻兩個碰撞體的位置，看它們在由T1運動到T2時刻的過程中是否發生碰撞，如果碰撞則返回第一碰撞點的位置和法線。

上述兩種檢測算法在計算機領域可由編程人員實現，具體采用的碰撞檢測方法可以是四叉樹、包裝盒等多種方法。

具體到本發明的實現，既可以采用計算機游戲設計領域已有的碰撞檢測方法實現，也可以針對本發明所針對的仿真實驗的有限性，采用針對每個仿真實驗器材執行循環遍歷，將周圍的所有其它仿真實驗器材取出逐個判斷與這個仿真實驗器材的反應操作的碰撞檢測方法。

通過循環遍歷，得到仿真實驗器材之間的連接狀態，從而由中控模塊計算產生相應的物理現象、屬性的值將其賦予給對應的仿真實驗器材從而在顯示屏上顯示出對應的物理現象。

針對不同的物理實驗類型，上述的實現方法表現為不同的判斷步驟，對于常見的diy實驗，只要通過判斷器材間的連接，然后由對應的器材產生發光、發聲等現象即可。

對于電學仿真實驗，由于要賦予實驗器材對應的電壓、電流、電阻等值，所用的碰撞檢測方法具體包括如下步驟：

1通過遍歷所有電學仿真實驗器材獲取電路節點數據，并記錄仿真實驗器材的可接點；

2根據步驟①的數據，篩選有效節點并且計算相應電學路徑；

3遍歷基于步驟②形成的電路圖數據，獲得電路圖數據中的所有串聯和并聯，并根據路徑分析串并聯結構；

4根據串并聯結構計算并分配給仿真實驗器材相應的電學參數。

通過上述改進，本發明的仿真實驗系統實現了下述目的：

1.不受安全性等限制，學生可直接做教材中所有實驗，并且可以自行設計實驗內容，產生真實對應的物理現象；

2.老師可以在學生做實驗之前進行串講，并且學生在做實驗之前進行預習，實驗后進行復習、探索；

3.可模擬實驗室沒有相關儀器的實驗，或可根據學生興趣需求進行其它相應的實驗。

附圖說明

圖1為本發明的仿真實驗系統框架結構圖；

圖2為本發明實施例1滑動變阻器結構示意圖；

圖3為本發明實施例2電路通路示意圖；

圖4為本發明實施例2局部電路串并聯結構示意圖。

具體實施方式