共享实验室系统的制作方法

本发明涉及互联网应用系统，具体地说，是以互联网为基础的远程操作实验的系统。

背景技术：

当前，实验人员需要进行实验时，是要到实验室进行实际操作。在缺乏实验条件的地区，就无法开展实验，实验人员不能获取实验的感性知识和理性知识，缺乏动手机会。例如，在贫困地区的一些中学就缺乏(物理、化学、生物等)实验室，只能从书本或资料上了解实验实验过程和实验结果，不能掌握实验的操作能力。

有些实验需要较复杂的设备和实验环境，采用了(实验)模拟器进行实验操作，一般模拟器的价格不菲，维护技术要求高，不能广泛的普及。

互联网的普及，互联网+的广泛应用，为远程操作和使用设备提供了数据传输平台。

机械手和机器人技术的高速发展，为远程操作提供了方便条件。

目前的物理实验方法有：观察法、理想模型法、科学推理法、等效替代法、控制变量法、转换法、类比法、比较法、图像法和放大法等。

化学实验方法有观察法、加热法、混合法、电解法、置换法、合成法、燃烧法、分离法等。

生物实验方法有：观察法、解剖法、收集法、(物理、化学)反应法等

在良好的通信条件下，建立了宽带的网络平台，利用计算机技术，编制应用软件，配置智能仪器和操作装置，采用视频系统实现实验人员的远程操作。将地球真正变为地球村。

技术实现要素：

本发明的名称为共享实验室系统，其意为实验人员远程参与操作实验室的实验装置，完成实验内容，取得实验结果。

共享实验室系统是‘互联网+’的一种应用，基于网络平台建立的共享实验的系统，它主要由广泛分布的用户终端1、众多的各种共享实验室2和共享实验室系统的管理中心3组成。

远程实验人员(用户)通过用户终端1，经过网络4访问共享实验室管理中心3，在用户终端1的共享实验室项目界面选择实验项目；共享实验室管理中心3选择对应项目的共享实验室2，通过网络4建立用户终端1和共享实验室2的数据通信链路；远程实验人员通过用户终端1的操作装置(键)，按实验操作步骤进行操作，共享实验室的(一个或多个)摄像头在最佳位置，提供实验装置的观察界面，实验人员远程操作机械手和调整装置对实验装置进行实验，实验装置显示实验结果和采集实验数据，通过网络4向用户终端1传输相关数据和图像；用户终端1的显示屏、显示实验数据和实验画面。

共享实验室系统是实验人员通过系统对实验装置的遥控操作开展实验，通过模拟操作取得实验结果。整个实验过程是实验人员和实验装置的互动过程，实验人员对实验过程有着亲身体验，是手、脑、眼、耳甚至包括嘴的共用效果。

共享实验室的实验项目有预置的和定置的两种。预置的是指规定的实验项目，如教学的实验内容；定制的是指实验人员提出的特殊实验项目，需要另行设计和安排的。

预置的实验项目，还分为演示项目和操作项目，演示项目可以是录制的或编制动画的；而操作项目可以有虚拟的和互动(操作)的。

对于定制的实验项目可以是：用户利用共享实验室的实验设备，由实验室的工作人员按实验人员指令代为操作，开展实验；或者根据实验目的另行设计实验流程、组织实验装置、编制项目软件。

本发明的重点是建立用户和共享实验室之间能够互动操作的实验。用户类似于亲临其境进行实验，

共享实验室系统可由各种专业的共享实验室组成，各种专业实验室内包括各种实验项目。例如：物理实验室就包括力学、声学、电学、光学、热学，力学中有计量、运动、平衡、能量变换等专题实验。

共享实验室系统的用户终端1分布在具有宽带网络的地区，是实验人员实际操作的场所。用户终端1主要包括服务器11、计算机12、显示器13、话筒和喇叭(或耳机)14、操纵装置15等组成。

用户终端1分为大型集中用户和另散用户，例如：学校的用户终端一般为大型集中用户，由多个实验人员同时进行实验，一般要安装网络服务器11。对于比较困难的地区，或一些另散用户，只有一台计算机12，就可以不装服务器11，由计算机12直接连接网络，为网络的一个终端；以可以用无线网络的手机终端连接立即计算机12，通过无线上网。

计算机12连接一台或多台显示器13，显示共享实验室的管理界面、实验内容、操作方法、共享实验室的试验装置、选用工具、实验过程和结果等。对于不同的实验项目，有着不同的实验流程和采用不同的实验工具。一般在选择共享实验室系统时，管理中心都会提供相关的介绍、说明和示范，必要时可以提供帮助。

计算机12还可以连接话筒和喇叭(或耳机)14，话筒和喇叭(或耳机)14用于和共享实验室的实验员进行语音交流、听取实验中的声音。

计算机12还连接各种操纵装置15，实验人员参与互动的实验过程时，需要操作各种机械手23等工具进行实验，操纵装置15种类很多，如：键盘151、鼠标152、按钮153、旋钮154、开关155、滚轮156、操纵杆157、触摸屏158等。

共享实验室系统的最简单的用户终端1就是一台通用计算机12。

共享实验室2是共享实验室系统的核心部分，其种类多、技术复杂，不同的实验项目采用不同的实验装置、实验方法和有关操作。共享实验室分为虚拟共享实验室、实体共享实验室和混合共享实验室，他们各有优缺点，根据技术实力、经济条件和不同的实验项目选择最合适共享实验室。

实体共享实验室需要足够的实验装置、实验场地和实验室工作人员。实验人员具有亲自操作感，手、脑、眼、耳参与实验过程，有很强的感性认识，参与实验效果比较好。实体共享实验室具有实验装置、辅助设备和测试仪器等配套设备。

共享实验室系统是用户终端1和共享实验室2的互动操作的远程系统，管理中心3对共享实验室系统进行实时管理，以确保共享实验室系统的正常运转。

有关的参考资料：

1.高考必刷题实验专题物理主编杨文彬北京：外语教育与研究出版社2016.6

2.中考必备化学实验主编薛金星王蕾陕西人民教育出版社2016.12

3.中考必备物理实验主编薛金星王红陕西人民教育出版社2016.12

附图说明

图1是共享实验室系统的示意图

图2是用户终端1的示意图

图3是实体共享实验室2的示意图

图4是力的平衡实验装置顶视(水平放置)示意图

图5是一氧化碳还原氧化铁的示意图

图6是管理中心的示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

(一)系统组成和运用：

如图1所示：共享实验室系统由广泛分布的用户终端1、大量、分散的共享实验室2和系统运行管理中心3组成；共享实验室系统必须建立在高速数据流的网络平台上运行。

各个共享实验室系统的运行商，各自建立自己的管理中心3和所属的共享实验室2。实验人员的用户终端1可以选择共享实验室系统的运行商。

共享实验室系统的运用：首先，实验人员在用户终端1的显示器13的界面上，在多个共享实验室系统中选择所需的共享实验室系统；再按图1中的步骤①：用户终端1与共享实验室系统的管理中心3建立数据链路，在显示器13上显示共享实验室系统的界面，其包括实验门类(物理、化学、生物等)、年级(初一、初二至高三等)、实验学科(力学、声学等)、实验项目(力的平衡、奥斯特实验‘一氧化碳还原氧化铁’等)，选定实验项目后；管理中心3(按②步骤)选择对应的共享实验室2的计算机24，发送用户终端1的地址，计算机24控制实验装置21、对应的摄像头22、机械手23等设备，并向管理中心3发送实验项目准备就绪信息；按步骤③用户终端1和共享实验室2建立了数据链路，实验人员通过用户终端1对共享实验室2的计算机24发送操作指令，再按实验流程开展实验；共享实验室2的摄像头22向用户终端1实时传送实验画面，计算机24同时发送实验过程和结果。用户终端1完成实验后，立即向管理中心3发出退出指令、并中断与共享实验室2的数据通信链路，退出实验。

(二)用户终端1

只要有网络就可以建立用户终端1，所以用户终端1数量大、分布广，具有实验人员文化水平差别大、语言种类多等特点。

用户终端1的设备档次差别大，最简单的是一台通用计算机12，如图2所示：比较高档的用户终端1包括服务器1、计算机12、多台显示器13、话筒和耳机14、操作装置15；大型用户终端(如实验教学)实质上是在服务器11后面链接多台计算机12，供多名实验人员同时参与实验。

通用计算机12本身就带有键盘、鼠标、显示器、喇叭等。键盘、鼠标可以选择共享实验室系统的运行商、语种、实验门类、年级、学科和实验项目。

显示器13显示选择图标界面、共享实验室的实验装置、所用工具、实验过程、和实验结果等。

装有话筒和喇叭(耳机)14的用户终端1，实验人员可以与实验室的工作人员(实验员)交流互动，请求实验员的帮助，参与定制实验的实验过程。

操作装置15分别为键盘151、鼠标152、按钮153、旋钮154、开关155、滚轮156、操纵杆157、触摸屏158等，使用操纵装置15控制共享实验室的机械手23，实验人员选用合适的操纵装置15进行实验。

实验人员需要在用户终端1下载共享实验室的系统软件，按操作指南的指引参与实验。

(三)共享实验室2

共享实验室2是本发明的核心部分，也是种类最多，技术复杂，邻域很宽的部分。共享实验室2可分为虚拟共享实验室、实体共享实验室和混合共享实验室三种。

虚拟共享实验的实验项目相当于一种专用的电子游戏：按实验项目录制了该实验所有的各个操作后的各段实验过程，当实验人员在用户终端1进行操作时，虚拟共享实验室对应播放操作后的实验过程。虚拟共享实验室是可复制、可扩散的，应用比较广泛，是以软件为主的共享实验室。例如，生物的解剖实验就比较适合采用虚拟共享实验室。

实体共享实验室是专门建立的实验室，按实验项目安排实验装置、相关设备，实验人员在用户终端1操作时，共享实验室对应的机械手23进行实际操作。例如，物理的力学、电学方面的实验就比较适合采用实体共享实验室。

混合共享实验室是实体和虚拟相结合的共享实验室，在实体实验室操作困难的实验段，安排虚拟实验室的内容。一些化学实验就可以采用混合共享实验室。

共享实验室2如图3所示：主要由实验装置21、摄像头22、机械手23、计算机24、参数显示器25等组成；

其中，实验装置21种类很多。不同的实验项目需要有不同的实验装置21；同一个实验内容，可以采用不同的实验方法，当然就要采用不同的实验装置21。

实验装置21有三类设备：实验设备211、测试设备212和辅助设备213。

[例如：

(1)物理的力学中力的平衡实验：

实验内容是验证两个力的合力的平行四边形定则。如图4所示b.c两个力的合力与a力之间的平衡实验。其实验装置21是由3个拉力电机2101、3个数字弹簧秤2102、刻度盘2103、2个旋转盘2104、2个旋转电机2105、2个滑轮2106、1个连接环2107、安装板2108等组成；

实验装置21中：拉力电机2101、滑轮2106、连接环2107、旋转电机2105和旋转盘2104为实验设备211；刻度盘2103和数字弹簧秤2102为测试设备212；安装盘2108、中心轴21082、限位板为辅助设备213。

3个拉力电机2101分别固定在安装板的a.b.c3点，a拉力电机的拉绳与a力的弹簧秤2102一端固定；.b.c拉力电机的拉绳分别通过(固定在转盘2104上)滑轮2106与b力.c力的弹簧秤2102一端固定；3个弹簧秤2102的另一端连接在连接环2107上，连接环的圆心为o1。刻度盘2103固定在安装板2108的中心轴21082的o点，2个旋转盘2104分上、下两层套在安装板2108的中心轴21082上；旋转盘2104通过边缘的齿轮21041与旋转电机2105的齿轮咬合，控制旋转电机2105的正反转，旋转转盘2104，滑轮2106的位置也同时调整，b力和c力的方向也随之调整；在安装板2108上安装限位板21081，限定旋转板2104的旋转范围。

实验方法如下：调整旋转电机2105，选择b力和c力的方向；当拉力绳松软时，需要调整3个拉力电机2101，使拉力绳绷紧，此时三个力达到平衡；再将连接环的圆心o1点调整到中心轴o点上，b.c两个力合力在od上，与a力方向相反，数量相等。

验证计算：b力与c力的合力为d力，以b力、c力的两个方向为两边，以弹簧秤2102的值为边的长度，其组成的平行四边形的对角线od为合力的值；通过b力、c力弹簧秤2102的值和ob、.oc的夹角可以计算出合力的值，应该等于a力弹簧秤2102的值。从而验证两个力的合力的平行四边形定则。

(2)化学中的一氧化碳还原氧化铁实验

实验原理：一氧化碳还原氧化铁的化学反应式为

3co+fe2o3＝2fe+3co2

实验装置21如图5所示，它由反应试管2111、加热酒精灯2112、一氧化碳进气装置2113、验证试管2121、安全酒精灯2131、支架2132、垫块2133组成。

其中：实验设备211为反应试管2111、加热酒精灯2112和一氧化碳进气装置2113。测试设备212为验证试管2121。辅助装置213包括支架2132、安全酒精灯2131、垫块2133等。

反应试管2111内放置氧化铁，一端连接一氧化碳气管(包括电磁截门)和气源2113，另一端连接验证试管2121，在验证试管2121内装有澄清的石灰水；在反应试管2111下面放有加热酒精灯2112，在装置末端放置安全酒精灯2131，用于点燃反应剩余的一氧化碳，避免一氧化碳中毒和爆燃。

实验方法如下：首先向试管通入一氧化碳，排空装置内的空气，点燃安全酒精灯2131，排出的一氧化碳被点燃；再点燃加热酒精灯2112，对反应试管2111加热，试管内的一氧化碳与氧化铁进行催化反应，反应产生的二氧化碳通入验证试管2121，验证试管2121内的石灰水与二氧化碳反应，产生的碳酸钙悬浮物，使石灰水浑浊；反应试管2111中的氧化铁由红变成为铁。

(3)使用显微镜观察霉菌

在生物实验中显微镜是常用的实验装置21。使用好显微镜是生物实验的基础，中学的生物实验课就有使用显微镜一课。]

其摄像头22将实验装置的工作状态、实验过程和实验结果传送给用户终端，实验人员掌握实验情况。根据实验要求，安装一台或多台摄像头22。采用数字摄像头就直接连接计算机24，它是接受用户终端1的调控。

机械手23是用于安放实验用品、调节实验装置、它能有拿、放、推、拉、旋、按、压、提、盖等动作，例如：电磁铁231、传输轨道232、点火器233、电机234等。机械手23的种类多样、简易程度相差巨大，合理的实验方法和实验装置可以简化机械手23的结构。例如采用电磁铁的机械手吸(含铁的)实验工具和用品；在放置位置上配置电磁铁，就不需要精确定位的机械手23。机械手23只是一种统称，只要完成动作功能就可以。

计算机24是接收用户终端1的指令，以管理实验装置、实验用品，控制实验过程，采集实验结果，传送实验状态和实验结果。计算机24对外连接网络，对内连接实验装置21、摄像头22、机械手23、参数显示器25。

参数显示器25是用于显示一些重要实验参数，为方便实验人员直接观看、掌握。例如：工作气体的气压表、电压表、工作时间表等。

(四)管理中心3

管理中心3顾名思义是用于管理共享实验室系统。每个运营者通过自己的管理中心3对内管理分布在各处的共享实验室，对外接待用户终端1的查询、选择，向用户终端1发布应用软件、用户须知等文件，沟通用户终端1与共享实验室2的联系。

管理中心1实时了解共享实验室2的工作情况，帮助用户在实验过程中需要解决的问题：必要时，需要强行中断实验和建立违规用户的黑名单等项工作。

如图6所示：管理中心3主要由服务器31、计算机32和数据库33组成。服务器31对外连接网络，对内连接计算机32。一般的管理中心3需要联系广大的用户终端1、大量的共享实验室2，需要由多台计算机并网工作，所以管理中心3采用服务器31的和计算机32组成的计算机系统，以保证管理工作的畅通。管理中心3具有大量的数据资料，需要配有数据库3，还可以储存虚拟共享实验室2的实验项目文件。

综上所述，本发明是以互联网平台实现实验人员远程操作实验装置，开展所需的实验，实现实验资源的社会共享。实现实验人员可以跨地域(甚至跨国界)进行所需的各种实验，各个实验资源丰厚的单位和企业，可以建成分散的、专业的或集中的实验室，为社会公众提供共享实验资源。

共享实验室实现了资源的全社会共享，中学的物理、化学、生物等共享实验室可以为经济落后的地区提供教育均等的机遇。一些优质的学校也将获得缺少的实验资源。

共享实验室提供了各国教育的交流机遇，实现各国的基础教育的共同发展。