專利名稱：一種基于web的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于物理實驗教學的教具，具體說是一種基于WEB的互動 式物理實驗教學裝置及其控制方法。
技術背景CAI (電腦輔助教學)的一個顯著優點就是可表現其他常規教學手段所不能 表達的、比較抽象的內容和知識，自CAI誕生起，就對教育教學手段產生了很 大的影響，已廣泛應用在各科的課堂教學中。但目前主流的CAI教學課件多是 二維的，無法帶給學習者如同身臨其境的真實感，缺乏互動機制，而物理實驗 中恰恰存在許多用語言和二維展示不能表達清楚的內容，為此，發明專利(申 請號03121705.2和200510012134.6)都提出了虛擬現實模型設計的方案，以期 解決二維平面CAI的不足，實現對實驗的虛擬，但是，這些發明都僅完成了模 型設計，缺乏虛擬實驗的交互過程，即使是三維模型沒有加入特定的裝置以及 與之配合的各種控制也不能達到所需要的真正互動的虛擬實驗效果。因此，如何克服目前CAI教學系統缺乏互動真實性和表現力的不足，提高 教學特別是物理實驗教學的教學效果， 一直是教育工作者關心的問題。 發明內容本發明的目的是通過建立VRML技術和數字可控制的物理實驗設備相結合 的控制模型，完成一種基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法。為達到上述目的，本發明的設計技術方案是裝置由客戶端模塊子系統和 服務端子系統構成。其中客戶端模塊子系統由三維儀器展示模塊、互動操作數 據處理模塊、客戶端效果處理模塊、本地臨時操作數據存儲器、互動操作結果 數據傳輸模塊構成；服務端子系統由服務數據處理模塊、服務端數據存儲模塊、數字可控制的物理實驗設備組成。在客戶端模塊子系統中，三維儀器展示模塊 通過信號傳輸通道與互動操作數據處理模塊、互動操作結果數據傳輸模塊直接 相連；互動操作數據還分別與本地臨時操作數據存儲器、客戶端效果處理模塊 相連，同時通過反饋通道將客戶端效果處理模塊的信號回遞給三維儀器展示模 塊，通過信號傳輸通道將本地臨時操作數據存儲器的存儲傳輸給互動操作結果 數據傳輸模塊。在服務端子系統中，服務數據處理模塊分別與服務端數據存儲 模塊和數字可控制的物理實驗設備相連。三維儀器展示模塊完成實驗儀器的VRML三維處理及在瀏覽器中的效果展 示；互動操作數據處理模塊采用JAVA Script的腳本接口 SAI實現交互設計， 同時該模塊中包含的JAVA程序會得到交互過程中需要回遞給服務端的數據，本 地臨時操作數據存儲負責將該數據先以XML文件形式保存在本地，等到操作完 成后根據數據的完整性判斷決定是否遞交給服務端，客戶端效果處理模塊專門 負責用戶操作效果的轉變，互動操作結果數據傳輸模塊負責將完整數據提交給 服務端，服務數據處理模塊采用標準WEB service作為接收接口，服務數據處理 模塊控制數字可控制的物理實驗設備完成實驗操作并將得到的虛擬操作的完整 結果數據保存到數據庫。控制方法如下-裝置中系統登錄后，由VRML客戶端通過互動數據傳輸模塊向服務器請求 虛擬三維的儀器數據。服務器得到客戶端的請求，并通過驗證后將數據回送給 客戶端，客戶端的VRML處理程序通過三維展示模塊將結果顯示在客戶端界面， 并判定客戶端是否結束操作過程。期間參與的模塊有互動操作數據處理模塊、 本地效果處理模塊、本地臨時數據存儲器。在系統工作過程中互動操作數據處理模塊將根據用戶的操作判定客戶端的 行為，在每次操作中互動操作數據處理模塊判定該次操作是否完成整個實驗過 程，如果實驗過程尚未完成則判定該操作是否需要記錄關鍵歷史數據，對于關鍵歷史數據(包括儀器到位調節數據和儀器測量數據)采用XML文件形式記錄, 并由本地效果處理模塊直接向三維儀器展示模塊輸出操作結果并顯示給客戶 端；對于非關鍵數據則直接由本地效果處理模塊直接向三維儀器展示模塊輸出 操作結果并顯示給客戶端。當實驗過程完成時互動操作數據處理模塊根據XML 文件中記錄的操作過程數據的完整性判定用戶是否已經完成實驗過程，對于已 經完成的完整實驗過程，互動操作數據處理模塊調用互動操作結果數據傳輸模 塊將結果傳送給服務端并保存，對于未完成的實驗過程互動操作數據處理模塊 將清空XML文件中記載的歷史數據，結束本次操作過程采用本發明的技術方案，可有效解決了缺乏模擬交互的CAI實驗教學的不 足，實現了在網絡環境中交互式的三維物理實驗與仿真，提高了物理實驗的教 學效果。
圖1是本發明的系統框架結構圖。圖2是本發明的設計的裝置的工作流程圖。圖1中，101是三維儀器展示模塊，102是互動操作數據處理模塊，103是 客戶端效果處理模塊，104是本地臨時操作數據存儲器，105是互動操作結果數 據傳輸模塊，這些模塊共同構成客戶端模塊子系統。106是服務數據處理模塊， 107是服務端數據存儲模塊，108是數字可控制的物理實驗設備，上述模塊與設 備共同構成了服務端子系統。
具體實施方式
為了更詳細的描述本發明，下面結合附圖1和附圖2和實施例作進一步說明。首先根據附圖1進行裝置的搭建。其控制方法如下-步驟201:在安裝VRML標準客戶端并且實現系統登錄過程后，由VRML 客戶端通過互動數據傳輸模塊105向服務器請求虛擬三維的儀器數據。步驟202:服務器得到客戶端的請求，并通過驗證后將數據回送給客戶端，客戶端的VRML處理程序通過三維展示模塊101，將結果顯示在客戶端界面。步驟203:在該步驟中包含系統組成模塊中的102互動動作處理模塊，103 本地效果處理模塊，104本地臨時數據存儲器。(不需要原理和實現過程的描述， 僅說明功能即可)。步驟204:判定客戶端是否結束操作過程，如果操作過程結束則跳轉到步驟 207，否則轉到步驟205。步驟205:在用戶操作客戶端過程中沒有結束操作過程，則在該步驟中判定 是否有關鍵歷史數據需要記錄，如果存在關鍵操作數據需要記錄則跳轉到步驟 206，否則直接跳轉到步驟203。步驟206:采用XML文件形式記錄用戶的關鍵操作數據，包括儀器到位調 節數據和儀器測量數據。步驟207:根據XML文件中記錄的操作過程數據的完整性判定用戶是否已 經完成實驗過程，完成操作過程則跳轉到步驟208，沒有完成全部過程則跳轉到 步驟209。步驟208:調用互動數據傳輸模塊將完整的操作結果傳送到服務端并控制數 字可控制的物理實驗設備運行，并將結果保存到服務端，結束本次操作。步驟209:沒有完成的儀器操作過程將不被記錄到服務端，歷史數據清除結 束本次操作過程。
權利要求
1、一種基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法，其中客戶端模塊子系統由三維儀器展示模塊、互動操作數據處理模塊、客戶端效果處理模塊、本地臨時操作數據存儲、互動操作結果數據傳輸模塊組成，三維儀器展示模塊通過信號傳輸通道與互動操作數據處理模塊、互動操作結果數據傳輸模塊直接相連；互動操作數據還分別與本地臨時操作數據存儲器、客戶端效果處理模塊相連，同時通過反饋通道將客戶端效果處理模塊的信號回遞給三維儀器展示模塊，通過信號傳輸通道將本地臨時操作數據存儲器的存儲傳輸給互動操作結果數據傳輸模塊；服務端模塊子系統由服務數據處理模塊、服務端數據存儲模塊、數字可控制的物理實驗設備組成，服務數據處理模塊分別與服務端數據存儲模塊和數字可控制的物理實驗設備相連。
2、 根據權利要求1所述的基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法，， 其特征在于三維儀器展示模塊完成實驗儀器的VRML三維處理及在瀏覽器中的 效果展示。
3、 根據權利要求1所述的基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法，， 其特征在于采用JAVA Script的腳本接口 SAI在物理實驗教學裝置的互動操作 數據處理模塊實現交互設計
4、 根據權利要求1所述的基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法，， 其特征在于本地臨時操作數據存儲采用XML文件形式保存。
5、 根據權利要求1所述的基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法， 其特征在于通過互動操作數據處理模塊判斷XML文件內容完整性實現操作完 整性判斷。
6、 根據權利要求1所述的基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法， 其特征在于釆用WEB Service在服務數據處理模塊實現虛擬實驗數據的接收。
7、 根據權利要求1所述的基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法， 其特征在于由服務數據處理模塊控制數字可控制的物理實驗設備完成實驗操 作。
全文摘要
本發明涉及一種用于物理實驗教學的教具，具體說是一種基于WEB的互動式物理實驗教學裝置及其控制方法。所述的裝置由客戶端模塊子系統和服務端子系統構成。其中客戶端模塊子系統由三維儀器展示模塊、互動操作數據處理模塊、客戶端效果處理模塊、本地臨時操作數據存儲器、互動操作結果數據傳輸模塊構成；服務端子系統由服務數據處理模塊、服務端數據存儲模塊、數字可控制的物理實驗設備組成。控制時由VRML客戶端通向服務器請求虛擬三維的儀器數據，服務器驗證后將數據回送，客戶端的VRML處理程序將結果顯示在客戶端界面，并判定客戶端是否結束操作過程。該方法解決了CAI實驗教學中缺乏模擬交互的不足，實現了交互式的三維物理實驗與仿真，提高了教學效果。
文檔編號G09B5/00GK101221697SQ200710144030
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月17日 優先權日2007年12月17日
發明者宇 盧, 吳允平, 吳進營, 李汪彪, 蘇偉達, 蔡聲鎮, 恒 賴, 鄭樂樂, 鄭勇平, 黃志高 申請人:福建師范大學