專利名稱：一種基于web的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教具，具體說是一種基于WEB的互動(dòng) 式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法。
技術(shù)背景CAI (電腦輔助教學(xué))的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是可表現(xiàn)其他常規(guī)教學(xué)手段所不能 表達(dá)的、比較抽象的內(nèi)容和知識(shí)，自CAI誕生起，就對(duì)教育教學(xué)手段產(chǎn)生了很 大的影響，已廣泛應(yīng)用在各科的課堂教學(xué)中。但目前主流的CAI教學(xué)課件多是 二維的，無法帶給學(xué)習(xí)者如同身臨其境的真實(shí)感，缺乏互動(dòng)機(jī)制，而物理實(shí)驗(yàn) 中恰恰存在許多用語(yǔ)言和二維展示不能表達(dá)清楚的內(nèi)容，為此，發(fā)明專利(申 請(qǐng)?zhí)?3121705.2和200510012134.6)都提出了虛擬現(xiàn)實(shí)模型設(shè)計(jì)的方案，以期 解決二維平面CAI的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的虛擬，但是，這些發(fā)明都僅完成了模 型設(shè)計(jì)，缺乏虛擬實(shí)驗(yàn)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(dá)到所需要的真正互動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)效果。因此，如何克服目前CAI教學(xué)系統(tǒng)缺乏互動(dòng)真實(shí)性和表現(xiàn)力的不足，提高 教學(xué)特別是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果， 一直是教育工作者關(guān)心的問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是通過建立VRML技術(shù)和數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合 的控制模型，完成一種基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)技術(shù)方案是裝置由客戶端模塊子系統(tǒng)和 服務(wù)端子系統(tǒng)構(gòu)成。其中客戶端模塊子系統(tǒng)由三維儀器展示模塊、互動(dòng)操作數(shù) 據(jù)處理模塊、客戶端效果處理模塊、本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、互動(dòng)操作結(jié)果 數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成；服務(wù)端子系統(tǒng)由服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊、服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成。在客戶端模塊子系統(tǒng)中，三維儀器展示模塊 通過信號(hào)傳輸通道與互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊、互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模塊直接 相連；互動(dòng)操作數(shù)據(jù)還分別與本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、客戶端效果處理模塊 相連，同時(shí)通過反饋通道將客戶端效果處理模塊的信號(hào)回遞給三維儀器展示模 塊，通過信號(hào)傳輸通道將本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)傳輸給互動(dòng)操作結(jié)果 數(shù)據(jù)傳輸模塊。在服務(wù)端子系統(tǒng)中，服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊分別與服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 模塊和數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備相連。三維儀器展示模塊完成實(shí)驗(yàn)儀器的VRML三維處理及在瀏覽器中的效果展 示；互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊采用JAVA Script的腳本接口 SAI實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)， 同時(shí)該模塊中包含的JAVA程序會(huì)得到交互過程中需要回遞給服務(wù)端的數(shù)據(jù)，本 地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)責(zé)將該數(shù)據(jù)先以XML文件形式保存在本地，等到操作完 成后根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性判斷決定是否遞交給服務(wù)端，客戶端效果處理模塊專門 負(fù)責(zé)用戶操作效果的轉(zhuǎn)變，互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將完整數(shù)據(jù)提交給 服務(wù)端，服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊采用標(biāo)準(zhǔn)WEB service作為接收接口，服務(wù)數(shù)據(jù)處理 模塊控制數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)操作并將得到的虛擬操作的完整 結(jié)果數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)?？刂品椒ㄈ缦?裝置中系統(tǒng)登錄后，由VRML客戶端通過互動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸模塊向服務(wù)器請(qǐng)求 虛擬三維的儀器數(shù)據(jù)。服務(wù)器得到客戶端的請(qǐng)求，并通過驗(yàn)證后將數(shù)據(jù)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(jié)果顯示在客戶端界面， 并判定客戶端是否結(jié)束操作過程。期間參與的模塊有互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊、 本地效果處理模塊、本地臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在系統(tǒng)工作過程中互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊將根據(jù)用戶的操作判定客戶端的 行為，在每次操作中互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊判定該次操作是否完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過 程，如果實(shí)驗(yàn)過程尚未完成則判定該操作是否需要記錄關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)，對(duì)于關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)(包括儀器到位調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和儀器測(cè)量數(shù)據(jù))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(jié)果并顯示給客戶 端；對(duì)于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(jié)果并顯示給客戶端。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程完成時(shí)互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)XML 文件中記錄的操作過程數(shù)據(jù)的完整性判定用戶是否已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)于已 經(jīng)完成的完整實(shí)驗(yàn)過程，互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模 塊將結(jié)果傳送給服務(wù)端并保存，對(duì)于未完成的實(shí)驗(yàn)過程互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊 將清空XML文件中記載的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)束本次操作過程采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可有效解決了缺乏模擬交互的CAI實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不 足，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中交互式的三維物理實(shí)驗(yàn)與仿真，提高了物理實(shí)驗(yàn)的教 學(xué)效果。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的設(shè)計(jì)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(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊，103是 客戶端效果處理模塊，104是本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，105是互動(dòng)操作結(jié)果數(shù) 據(jù)傳輸模塊，這些模塊共同構(gòu)成客戶端模塊子系統(tǒng)。106是服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊， 107是服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，108是數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，上述模塊與設(shè) 備共同構(gòu)成了服務(wù)端子系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
為了更詳細(xì)的描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖1和附圖2和實(shí)施例作進(jìn)一步說明。首先根據(jù)附圖1進(jìn)行裝置的搭建。其控制方法如下-步驟201:在安裝VRML標(biāo)準(zhǔn)客戶端并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)登錄過程后，由VRML 客戶端通過互動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸模塊105向服務(wù)器請(qǐng)求虛擬三維的儀器數(shù)據(jù)。步驟202:服務(wù)器得到客戶端的請(qǐng)求，并通過驗(yàn)證后將數(shù)據(jù)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(jié)果顯示在客戶端界面。步驟203:在該步驟中包含系統(tǒng)組成模塊中的102互動(dòng)動(dòng)作處理模塊，103 本地效果處理模塊，104本地臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(不需要原理和實(shí)現(xiàn)過程的描述， 僅說明功能即可)。步驟204:判定客戶端是否結(jié)束操作過程，如果操作過程結(jié)束則跳轉(zhuǎn)到步驟 207，否則轉(zhuǎn)到步驟205。步驟205:在用戶操作客戶端過程中沒有結(jié)束操作過程，則在該步驟中判定 是否有關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)需要記錄，如果存在關(guān)鍵操作數(shù)據(jù)需要記錄則跳轉(zhuǎn)到步驟 206，否則直接跳轉(zhuǎn)到步驟203。步驟206:采用XML文件形式記錄用戶的關(guān)鍵操作數(shù)據(jù)，包括儀器到位調(diào) 節(jié)數(shù)據(jù)和儀器測(cè)量數(shù)據(jù)。步驟207:根據(jù)XML文件中記錄的操作過程數(shù)據(jù)的完整性判定用戶是否已 經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)過程，完成操作過程則跳轉(zhuǎn)到步驟208，沒有完成全部過程則跳轉(zhuǎn)到 步驟209。步驟208:調(diào)用互動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸模塊將完整的操作結(jié)果傳送到服務(wù)端并控制數(shù) 字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行，并將結(jié)果保存到服務(wù)端，結(jié)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(wù)端，歷史數(shù)據(jù)清除結(jié) 束本次操作過程。
權(quán)利要求
1、一種基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法，其中客戶端模塊子系統(tǒng)由三維儀器展示模塊、互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊、客戶端效果處理模塊、本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，三維儀器展示模塊通過信號(hào)傳輸通道與互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊、互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模塊直接相連；互動(dòng)操作數(shù)據(jù)還分別與本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、客戶端效果處理模塊相連，同時(shí)通過反饋通道將客戶端效果處理模塊的信號(hào)回遞給三維儀器展示模塊，通過信號(hào)傳輸通道將本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)傳輸給互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模塊；服務(wù)端模塊子系統(tǒng)由服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊、服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成，服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊分別與服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法，， 其特征在于三維儀器展示模塊完成實(shí)驗(yàn)儀器的VRML三維處理及在瀏覽器中的 效果展示。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的互動(dòng)操作 數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法，， 其特征在于本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用XML文件形式保存。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法， 其特征在于通過互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊判斷XML文件內(nèi)容完整性實(shí)現(xiàn)操作完 整性判斷。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法， 其特征在于釆用WEB Service在服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的接收。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法， 其特征在于由服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊控制數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)操 作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教具，具體說是一種基于WEB的互動(dòng)式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置及其控制方法。所述的裝置由客戶端模塊子系統(tǒng)和服務(wù)端子系統(tǒng)構(gòu)成。其中客戶端模塊子系統(tǒng)由三維儀器展示模塊、互動(dòng)操作數(shù)據(jù)處理模塊、客戶端效果處理模塊、本地臨時(shí)操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、互動(dòng)操作結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成；服務(wù)端子系統(tǒng)由服務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊、服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)字可控制的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成?？刂茣r(shí)由VRML客戶端通向服務(wù)器請(qǐng)求虛擬三維的儀器數(shù)據(jù)，服務(wù)器驗(yàn)證后將數(shù)據(jù)回送，客戶端的VRML處理程序?qū)⒔Y(jié)果顯示在客戶端界面，并判定客戶端是否結(jié)束操作過程。該方法解決了CAI實(shí)驗(yàn)教學(xué)中缺乏模擬交互的不足，實(shí)現(xiàn)了交互式的三維物理實(shí)驗(yàn)與仿真，提高了教學(xué)效果。
文檔編號(hào)G09B5/00GK101221697SQ200710144030
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者宇 盧, 吳允平, 吳進(jìn)營(yíng), 李汪彪, 蘇偉達(dá), 蔡聲鎮(zhèn), 恒 賴, 鄭樂樂, 鄭勇平, 黃志高 申請(qǐng)人:福建師范大學(xué)