一种基于Vr的虚拟现实实验室的制作方法

本实用新型涉及教学设备技术领域，具体为一种基于vr的虚拟现实实验室。

背景技术：

随着新时期教学的发展，实验室在教学中发挥着越来越重要的作用。实验课是一种常见的理科教学方法。主要是通过现场的实验进行教学，根据实验操作者的不同可分为：教师演示、学生动手、师生协作三类。实验教学法具有以下优点：(1)教学过程直观、明了、生动，易引起学生兴趣。(2)便于加深学生对有关学习内容的理解，加强学生对相关知识的记忆。(3)可以充分的调动学生的积极性，使学生主动地参与到学习过程中去。

虽然实验课优点众多，但实验课所用设备比较贵重，学校建立一个科学探究实验室需要很大的资金，对于偏远地区或实验条件较差地区的学校，由于缺少资金，很难建立科学探究实验室，这些地区的学生也无法享受先进水平的实验课程。传统教学模式受教学经费的限制，很难随时随地带领学生实地讲解。而增加一些实地教学设施，但在资金成本上投入很大，而且这些投入并不能重复利用。在这一方面，传统教学方式明显存在不足。

随着信息技术的发展广播、电视、网络必将在一个平台上统一，跨媒体将成为媒体发展主流。如：利用计算机技术存储和处理信息的电子媒体将取代容量小、成本高、复制困难、不易保存的平面媒体，如报纸、杂志等等。多媒体平台不但能提供声像图文并茂的新闻，而且还能提供电子商务、电子政务、电子公务、电子医务、电子教务等多种服务。信息产业的发展已经经历了3次浪潮，即以硬件为核心的浪潮、以软件为核心的浪潮和以网络为核心的浪潮，因此下一次浪潮应是信息采集、处理和传播的浪潮，也就是以多媒体新闻为核心的多种信息服务崛起的浪潮。

虚拟现实是由高速计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计算机处理的数字化信息变为人们所能感受的具有各种表现形式的多维信息。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为作出动态的交互反应。传统的仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，无法模拟人对外界环境的感知--听觉、视觉、触觉，而虚拟现实带来了人机交互的新概念和新方法，计算机模拟外界环境对人的感官刺激已经成为可能。随着网络通信速度的提高和带宽的扩展，信息社会对教育提出了新的需求，vr技术的研究已经从高投入的航天、军事领域开始进入教育领域，国内外都在加紧进行如何在教育领域使用虚拟现实的研究。虚拟现实技术涉及高等教育的各个学科，由于多维信息系统具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性，使用者能够沉浸其中、超越其上、交时交互，已显示其实用性和先进性，技术潜力巨大，应用前景广阔。采用虚拟现实和数字城市技术，则为传统教育观念和教育模式的转变提供了新的可能。采用虚拟现实和专业显示等先进的技术手段，建设实训模拟教学系统，将彻底解决以上学校目前面临的教学难题，并可大大降低学校的资金投入，成为学校信息化建设和教学模式的重要突破，也成为旅游、动漫专业实训的最重要、最有效的教学手段。

随着实验室教学的快速发展，实现试验教学的互动已经成为试验教学发展的大趋势。互动体验式教学的内涵是根据学生所处年龄段的心理特征,由教学环境境在恰当时机结合情景进行教学活动,从而使学生能够感受到较为真实的交流体验,以期使学生的各项素质和逻辑能力得到综合提升,使其感觉到教学活动与现实更加贴近。而互动体验式教学重视的是从环境入手来完成互动体验式教学。

现有的实验室互动教学是在实验室内安装视音频录入设备记录教师实验过程，教师在实验完成后，将录像内容放在校园网上，由学生下载后观看、实验，学生在实验过程遇到问题不能及时求教。实验过程问题不及时解答，导致实验后解答问题容易造成学生不理解，记不牢等，或者有些学生干脆不求教教师，教师不可能掌握每个学生学习情况，导致互动效果不好。而且，对于实验课技术，许多课程对画质的清晰度、色彩的还原性、动作的连续性有较高的要求，再者，现代教学中为给学生提供名师授课是市场的需要，但名师教师资源的匮乏，与学生的要求产生矛盾。再者，众多的学生可以通过虚拟的系统享受名师授课的优惠。

技术实现要素：

为了解决上述的问题，本实用新型提供一种基于vr的虚拟现实实验室。

本实用新型解决其技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于vr的虚拟现实实验室，包括计算机装置、场景营造装置、主vr设备、云端服务器和副vr设备；其中，

所述计算机装置通过网络与云端服务器通讯连接，计算机装置用于主vr设备和副vr设备的连接和运行；

所述场景营造装置用于将计算机装置中存储的预定场景通过网络实时的传输到主vr设备和副vr设备内，形成虚拟现实的实验教学环境，实验教学环境包括水的加热气化实验、铁丝在氧气中燃烧实验、酸碱性质实验、粉尘爆炸实验、倾倒二氧化碳实验、化学分子博物馆、转向器作用和原理实验、探究摩擦力实验和种子萌芽吸收氧气实验；

所述主vr设备用于教师的佩戴，所述副vr设备用于学员佩戴，主vr设备通过计算机装置网络连接到云端服务器，副vr设备通过计算机装置网络连接到云端服务器，实现主vr设备和副vr设备的互联，主vr设备和副vr设备间通过多屏互动技术实现甩屏功能；

所述云端服务器分别与多处的计算机装置网络连接，用于数据的传输和下载，同时用于主vr设备上传数据的存储。

优选的，所述主vr设备和副vr设备上均设置有超声波雷达探测器和振动报警器，所述超声波雷达探测器用于探测主vr设备的周边的障碍物，振动报警器用于产生振动，提醒用户周围存在障碍物。

优选的，所述计算机装置包括评判模块和显示模块，所述评判模块对实验步骤的准确性进行评定，显示模块用于显示出实验步骤的错误点。

优选的，所述计算机装置还包括答题模块和实验原理分析模块，所述答题模块用于学员回答计算机装置内预设的相关问题，实验原理分析模块用于在实验前向学员展示实验的原理。

优选的，所述主vr设备和副vr设备均采用htc-vivevr设备。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的一种基于vr的虚拟现实实验室，主vr设备由教师使用，副vr设备由学员使用，通过多屏互动技术实现甩屏功能，实现教师与学员的互动，副vr设备通过计算机装置连接远端服务器能够实现远程的教学演示，学员不需要到指定的教室即可进行学习，使用场景更加灵活，通过计算机仿真技术来模拟真实的实验，减少实验设备的使用。打破时间与空间的限制，让学生可以随时随地进行专业实验知识的学习，可以节约教育科学实验室装备的资金投入，达到最大限度的资源共享。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供一种较佳的实施方式：

预先计算机装置的设定运行环境：

操作系统采用windows10

开发引擎采用unity3d2017.1

开发语言采用c#

主vr设备和副vr设备采用htcvive

显卡采用gtx1060

cpu采用interli78700

一种基于vr的虚拟现实实验室，包括计算机装置、场景营造装置、主vr设备、云端服务器和副vr设备；其中，

所述计算机装置通过网络与云端服务器通讯连接，计算机装置用于主vr设备和副vr设备的连接和运行；

所述场景营造装置用于将计算机装置中存储的预定场景通过网络实时的传输到主vr设备和副vr设备内，形成虚拟现实的实验教学环境，实验教学环境包括水的加热气化实验、铁丝在氧气中燃烧实验、酸碱性质实验、粉尘爆炸实验、倾倒二氧化碳实验、化学分子博物馆、转向器作用和原理实验、探究摩擦力实验和种子萌芽吸收氧气实验；

所述主vr设备用于教师的佩戴，所述副vr设备用于学员佩戴，主vr设备通过计算机装置网络连接到云端服务器，副vr设备通过计算机装置网络连接到云端服务器，实现主vr设备和副vr设备的互联，主vr设备和副vr设备间通过多屏互动技术实现甩屏功能；

所述云端服务器分别与多处的计算机装置网络连接，用于数据的传输和下载，同时用于主vr设备上传数据的存储。

使用时，主vr设备由教师使用，副vr设备由学员使用，通过多屏互动技术实现甩屏功能，实现教师与学员的互动，副vr设备通过计算机装置连接远端服务器能够实现远程的教学演示，学员不需要到指定的教室即可进行学习，使用场景更加灵活。

优选的，所述主vr设备和副vr设备上均设置有超声波雷达探测器和振动报警器，所述超声波雷达探测器用于探测主vr设备的周边的障碍物，振动报警器用于产生振动，提醒用户周围存在障碍物，避免学员进入虚拟现实进行操作后，碰撞到周围的障碍物而受伤。

所述计算机装置包括评判模块和显示模块，所述评判模块对实验步骤的准确性进行评定，显示模块用于显示出实验步骤的错误点。

所述计算机装置还包括答题模块和实验原理分析模块，所述答题模块用于学员回答计算机装置内预设的相关问题，实验原理分析模块用于在实验前向学员展示实验的原理。

所述主vr设备和副vr设备均采用htc-vivevr设备。

具体的，当学员在操作铁丝在氧气中燃烧实验时，

1.手柄与物体的碰撞，按下vr设备上的gripbutton表示抓取

2.vr设备按下trackpadpress发射射线。

3.火柴与火柴盒的摩擦碰撞，火柴点燃。

4.燃烧的火柴与酒精灯、蜡烛碰撞，酒精灯、蜡烛点燃。

5.酒精灯帽与酒精灯碰撞，熄灭酒精灯。

6.玻璃片与试管口白汽碰撞，玻璃片上形成水珠。

7.酒精灯火苗与镊子碰撞，烧红镊子上的铁丝。

8.夹着烧红铁丝的镊子与集气瓶碰撞，铁丝剧烈燃烧。

9.拿起胶头滴管，按trigger键，滴管滴下液体。

10.石蕊液滴与白醋、石灰水碰撞，酚酞和石灰水碰撞，发生颜色改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

虽然在上文中已经参考实施方式对本实用新型进行了描述，然而在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本实用新型所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本实用新型并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。