[發(fā)明專利]一種基于筆式交互的物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011106502.4
• 申請(qǐng)日: 2020-10-16
• 公開（公告）號(hào): CN112396875B
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮桂煥;步浩然;于建平;孫玲;朱明輝;余楊誠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G09B5/02
• 分類號(hào): G09B5/02;G06F3/0487;G06F3/0484
• 代理公司: 北京新科華領(lǐng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 16115
• 代理人: 吳變變

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于筆式交互的物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用戶界面模塊、數(shù)據(jù)識(shí)別模塊、物理運(yùn)動(dòng)計(jì)算模塊、動(dòng)畫和圖表模塊。本發(fā)明基于筆式交互的交互方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，保留了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的講解方式，使用物理引擎對(duì)教師在黑板上繪制的物塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，有利于學(xué)生直觀觀察物塊運(yùn)動(dòng)；結(jié)合運(yùn)動(dòng)圖像的展示，使學(xué)生可以在觀察現(xiàn)象的同時(shí)總結(jié)物理運(yùn)動(dòng)的特征，便于其理解各物理量之間的關(guān)系；使用自然筆式手勢(shì)設(shè)計(jì)，便于在不同輸入模式之間進(jìn)行切換，減輕使用者交互的負(fù)擔(dān)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及物理教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于筆式交互的物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)。

背景技術(shù)

國內(nèi)外對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)輔助教學(xué)系統(tǒng)有廣泛而深入地研究，在物理教學(xué)領(lǐng)域有很多讓人耳目一新的想法和成熟的應(yīng)用。JensWeppner等設(shè)計(jì)了一種基于谷歌眼鏡平臺(tái)的應(yīng)用，該原型用于聲學(xué)領(lǐng)域的物理實(shí)驗(yàn)，最初的使用場景是幫助學(xué)生找出玻璃棒撞擊水杯產(chǎn)生的聲音音調(diào)與水杯中水的高度之間的關(guān)系。Oleg Yavoruk展示了如何將增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)、等距投影等技術(shù)用于物理課堂中，給老師和學(xué)生提供更豐富的物理現(xiàn)象，并給出了如何使用這些技術(shù)的建議。

以上兩種新技術(shù)的應(yīng)用都會(huì)極大地提高學(xué)生的課堂專注度，讓學(xué)生在快樂中學(xué)習(xí)。但不可避免的，新技術(shù)的應(yīng)用改變了中學(xué)教師的授課習(xí)慣，無論是谷歌眼鏡還是增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其硬件成本非常高昂。而且不適合于有暈動(dòng)癥的人群。

國內(nèi)的NOBOOK平臺(tái)，中國科學(xué)院大學(xué)、浙江大學(xué)等大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生通過鼠標(biāo)與鍵盤模擬雙手在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)操作的模擬、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的仿真等方面做到了相當(dāng)不錯(cuò)的程度。雖然改進(jìn)了上述兩種新技術(shù)的缺點(diǎn)，但是其仍然采用傳統(tǒng)的WIMP界面交互方式，與傳統(tǒng)的“黑板加粉筆”形式的授課方式不符。對(duì)于需要改變參數(shù)和自由度較大的實(shí)驗(yàn)，這些平臺(tái)的支持度并不理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種新的教學(xué)途徑，為學(xué)生創(chuàng)造便捷、安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于筆式交互的物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)，包括：

用戶界面模塊：用于接收用戶輸入和演示物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)；

數(shù)據(jù)識(shí)別模塊：用于識(shí)別輸入的字符或者圖形；

物理運(yùn)動(dòng)計(jì)算模塊：用于計(jì)算在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)條件下物塊運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)；

動(dòng)畫和圖表模塊：用于將物理引擎計(jì)算的結(jié)果以動(dòng)畫的形式展示到所述用戶界面模塊上，并將運(yùn)動(dòng)參數(shù)以圖表的形式展示；

所述用戶界面模塊與所述數(shù)據(jù)識(shí)別模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞是雙向的。

優(yōu)選地，所述用戶界面模塊將手寫內(nèi)容識(shí)別為圖形數(shù)據(jù)或者字符數(shù)據(jù)；當(dāng)手寫內(nèi)容被識(shí)別為圖形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用物理運(yùn)動(dòng)計(jì)算模塊，將圖形進(jìn)行修正并重新展示；當(dāng)手寫內(nèi)容被識(shí)別為字符數(shù)據(jù)時(shí)，且這些字符組成的命令合法的情況下，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行命令，更改圖形的物理參數(shù)。

優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)識(shí)別模塊需要識(shí)別的數(shù)據(jù)分為兩種：圖形數(shù)據(jù)、字符數(shù)據(jù)，使用$Q分類器對(duì)所述圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練模型對(duì)所述字符數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。

優(yōu)選地，所述物理計(jì)算模塊包括：圖形修正子模塊、命令執(zhí)行子模塊、物理引擎子模塊。

優(yōu)選地，所述圖形修正子模塊用于對(duì)識(shí)別到的物理圖形進(jìn)行修正后重新展示，所述修正功能包括自動(dòng)規(guī)整物理圖形，貼合圖形。

優(yōu)選地，所述命令執(zhí)行子模塊用于將輸入的物理參數(shù)施加到物理模型上，在命令執(zhí)行之前，所述基于筆式交互的物理運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)會(huì)對(duì)命令進(jìn)行語法分析，防止執(zhí)行非法的命令。