专利名称：手持式虚拟实验室系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种语言学习领域，尤其涉及一种可以内建于个人电脑(PC)、笔记本电脑(Notebook)、掌上型电脑(HPC)、电子词典或其它类似功能的电子装置中的手持式虚拟实验室系统及实现方法。
背景技术：
在数理化的学习过程中，进行实验是探索知识的一个重要途径，藉之，可以更好的发现规律，了解及证明理论。但是，学校的物理和化学实验室数量有限，学生进实验室的时间也是有限的。而一般实验过程复杂、实验中间环节较多，在有限的实验课时间很难完成实验，实验中途终止实验造成的浪费极大，甚至一些错误的操作会带来实验后果及灾难。
随着信息技术的发展，现有也出现了一些利用计算机进行虚拟实验的方法。例如，中国国家知识产权局专利局于2005年5月4日公开的第200310108295.6号发明专利申请，其名称为“用计算机进行虚拟实验的方法”。其公开了一种用计算机进行虚拟实验的方法，主要包括以下步骤接收实验类型选择指令，选择一种类型的实验；接收所选类型实验的参数；按照所选类型和参数建立数学模型；根据数学模型进行计算；根据数学模型计算的结果显示图像。该发明可以以计算机为主体的多媒体技术与仿真技术应用到中小学校的实验领域。
但是在实际上，因为学校计算机实验室成本高，机房数量有限。所以仿真的教学实验，大多数是老师的演示实验。另外，这种在计算机上进行虚拟实验的方法受时间及空间的限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种手持式虚拟实验室系统及实现方法，可以在手持式移动设备上构筑虚拟实验室，随时随地地进行虚拟实验。
为解上述技术问题，本发明提供一种手持式虚拟实验室系统，包括有信号控制处理单元及与该信号控制处理单元相连接的输入单元、存储单元、显示单元，所述输入单元用于接收用户输入及操作指令；所述信号控制处理单元进一步包括中央处理单元及虚拟实验室平台模块，用于在该手持机上进行实验的仿真操作。
其中，所述虚拟实验室平台模块包括实验器具库，存储有实验用的虚拟实验器具；实验药品库，存储有实验用的虚拟实验药品；反应方程式库，存储有实验中各种反应方程式；反应现象/结果库，存储有对应各种反应方程式的实验现象及结果信息；实验模型搭建单元，用于选择所述实验器具库中的虚拟实验器具，搭建实验模型，该实验模型会以图片的形式显示在手持设备的显示单元上；实验过程/结果生成单元，通过调用反应现象/结果库中的信息，并虚拟实验器具中显示实验过程及结果。
其中，所述虚拟实验室平台模块进一步包括图表生成单元，用于生成实验过程的实验物质的物理量变化图表。
其中，所述信号控制处理单元进一步包括三维分子模型仿真模块，该三维分子模型仿真模块包括基本模型库，存储有基本分子的基本模型；分子结构库，存储有较复杂的分子的模型；分子结构搭建单元，用于将基本模型库中的多个基本模型进行组合，重新搭建一个新的分子结构。
其中，所述三维分子模型仿真模块进一步包括比较单元，用于将新搭建的分子结构与分子结构库中相应的分子模型进行比较，确定是否搭建成功；结果输出单元，用于将成功搭建的分子结构模型显示出来。
其中，进一步包括一个通信单元，该通信单元至少为无线通信接口、USB接口及VGA视频输出接口中之一种。
相应地，本发明还提供一种手持式虚拟实验实现方法，包括如下步骤(a)选择虚拟实验器具；(b)根据所选择的虚拟实验器具，实验模型搭建单元搭建实验模型；(c)在所述搭建的实验模型中的虚拟实验器具中加入虚拟实验药品，并调用反应方程式库中的反应方程式；
(d)启动虚拟实验，通过调用反应现象/结果库中的信息，在步骤(c)中的实验模型的相应虚拟实验器具中显示实验过程及结果。
其中，进一步包括(e)生成反应过程中各虚拟实验药品的物理量变化图表。
相应地，本发明还提供一种手持式虚拟实验实现方法，包括如下步骤(a)在基本模型库中选择第一分子基本模型；(b)在基本模型库中选择需要与第一分子基本模型配合的其他分子基本模型；(c)将步骤(b)中所选择的每一个其他分子基本模型替代第一分子基本模型中的一个氢原子，以搭建一个新的分子模型。
其中，进一步包括(d)比较单元将所述步骤(c)中所搭建的分子模型与存储于分子结构库中的相应分子模型进行比较，判断所搭建的分子模型是否正确；(e)结果输出单元输出该正确的所搭建的分子模型。
实施本发明，具有如下有益效果可以在嵌入式系统平台上构建虚拟数理化实验室，进行实际实验室之前，可以先在虚拟实验平台上模拟演练实验过程，了解实验目的，熟悉实验步骤，预见实验结果，然后，在进入实验室实际操作验证，既可节约实验时间、提高实验效果，又可避免不必要的资源浪费。甚至有些实验直接通过虚拟实验室逻辑推理、动画模拟效果更明显、更形象，结果更准确。
并且可以模拟一些错误操作的实验后果及灾难，能警示学生有效避免错误实验操作，则，可以在实验中降低实验风险，提高实验成功率。
在虚拟实验室的支持下，老师可以将抽象问题变形象化，将复杂问题变简单化，更好地带领学生进入神奇的数理化世界，大大增强学生学习数理化的兴趣；同时学生也可以变被动为主动，随时、随地及时发现问题及时模拟实验，自由自在探索自然科学奥秘。
图1是本发明的手持式虚拟实验室系统的结构示意图；图2是本发明中虚拟实验室平台的结构示意图；
图3是本发明的手持式虚拟实验室实现方法的主流程图；图4～图8是图3中的一个实施例的具体界面示意图；图9是本发明中三维分子模型仿真模块的结构示意图；图10是本发明中进行三维分子模型仿真的流程图；图11是图10中第一实施例的示意图；图12是图10中第二实施例的示意图。
具体实施例方式
本发明所提供的手持式虚拟实验室系统是一种可以嵌入个人电脑(PC)、笔记本电脑(Notebook)、掌上电脑、学习机、电子词典、电子玩具等手持设备上，利用计算机多媒体技术、计算机图形学及人机互动技术在嵌入式系统平台上构建虚拟数理化实验室。是通过相应的硬件及内嵌软件来共同实现的，在本发明中，其中，虚拟实验室主要是指化学实验室。
如图1所示，是本发明的手持式虚拟实验室系统的结构示意图。该手持式虚拟实验室系统至少包括有信号控制处理单元1、输入单元2、存储单元3、显示单元4、语音输出单元5及通信单元6。其中，信号控制处理单元进一步包括中央处理单元10、虚拟实验室平台模块11，其中，虚拟实验室平台模块11又进一步包括三维分子模型仿真模块12，所述虚拟实验室平台模块11及三维分子模型仿真模块12分别用于实现虚拟实验及三维分子模型的仿真；输入单元2用于接收用户输入及操作指令。其包括诸如键盘、鼠标、触摸屏、手写笔等输入装置；存储单元3用于存储用户信息、与虚拟实验相关的一些诸如实验器具、药品、反应方程式、反应现象/结果、三维分子模型及分子结构等信息；显示单元4用于显示图形、图像(视频、动画)、文字、表格等信息；语音输出单元5用于进行语音信号的处理、放大及输出等操作；而通信单元6用于传输(上传、下载、更新、备份)用户信息、实验模型、实验器具及更新升级系统等，其包括无线通信接口，用于与其他的具有相同的虚拟实验室系统的手持设备进行通信，可实现点对点数据通讯和点对多数据群发通信；USB接口，用于与计算机联接进行用户数据传输，系统升级等，还可以本手持设备的供电接口；
VGA视频输出接口，可用于连接投影仪，便于将实验内容及过程投影到大屏幕上，便于教学演示和交流。
如图2所示，是本发明中虚拟实验室平台的结构示意图。所述虚拟实验室平台模块11包括有实验器具库111，存储有实验用的器具，该实验器具为虚拟的实验器具图标，包括实验架，试管、烧杯、酒精灯、铁架台、烧瓶、锥形瓶、集气瓶、漏斗、导管等，对应于真实实验室中的器具；实验药品库112，存储有实验用的化学药品，如H2、O2、C12、CO2、HCl及石灰水等，在此不一一叙述，对应于真实实验室中的药品；反应方程式库113，存储有实验中遇到的各种反应方程式；反应现象/结果库114，存储有对应各种反应方程式的实现现象及结果信息，该信息可以用图片或动画等形式显示；实验模型搭建单元115，用于利用实验器具库111中的实验用器具及实验药品库112中的药品，搭建一个具体的实验模型，该实验模型会以图片的形式显示在手持设备的显示单元上；实验过程/结果生成单元116，通过调用反应现象/结果库中的信息，并将之在实验模型上直观显示出来；图表生成单元117，用于生成实验过程的图表，例如，可以生成跟踪各物质在实验中的物理量变化的图表。
如图4所示，是本发明的手持式虚拟实验室实现方法的主流程图；下面将同时结合图5至图8进行说明。
步骤S300选择在该虚拟实验室中要进行的实验项目，下述我们以 “把CO2通入澄清石灰水”的实验为例，进行描述；步骤S302选用内置实验器具，可以在如图4的界面在器具库中选择该实验中所要使用到的实验器具实验架、圆颈漏斗、圆底烧瓶、集气瓶及导管；步骤S304利用实验模型搭建单元，搭建如图5所示的实验模型；步骤S306在图5的实验模型中加入本次实验所需的药品，即在圆颈漏斗加入HCL溶液，在圆底烧瓶中加入CaCO3，而在集气瓶中加入Ca(OH)溶液，如图6所示。并在图7中的界面中选择本次实验的反应方程式“1CaCO3(固体)+2HCL(溶解)＝1CaCL2(溶解)+1CO2(气体)”。
S308启动实验，打开圆颈漏斗开关(在实际应用中，可以通过改变圆颈漏斗的属性来实现)，反应随即进行。通过调用反应现象/结果库中的信息，可以在图6中的实验模型中，显示圆底烧瓶和集气瓶中发生的反应现象。
步骤S310生成实验图表，该步骤为可选步骤。例如，若要跟踪各物质(如，CaCO3在整个实验过程中的变化过程)，可在反应实验开始前，添加一图表曲线对象，将需要跟踪的化学药品与图表对象中的多条曲线分别对应关联。当反应开始时，被跟踪的化学药品量的变化将在图8中的图表中直观的反应出来。
利用本发明，还可以构造有机化学中的三维分子模型。
如图9所示，是本发明中三维分子模型仿真模块的结构示意图；其中，包括基本模型库121，存储有各种三维分子的基本模型，如甲基模型、苯分子模型、硝基模型等经常使用到的模型，此处模型是以三维的形式呈现的；分子结构库122，存储有各种较复杂的分子的模型及该分子模型相关的拓展知识，如TNT分子模型、乙烷分子模型及该些分子结构特征的介绍等。
分子结构搭建单元123，用于将基本模型库121中的多个分子基本模型进行组合，重新组成一个新的分子结构。
比较单元124，用于将新搭建的分子结构与分子结构库122中现有的分子模型进行比较，确定是否搭建成功。
结果输出单元125，用于将成功搭建的分子结构模型显示出来。
如图10所示，是本发明中进行三维分子模型仿真的流程图；下面结合下图11及图12进行说明。
步骤S500确定实验项目，即确定要搭建什么分子结构，在图11中是需要搭建乙烷分子模型，而在图12中是需要搭建三硝基甲苯分子模型。选择一个第一基本模型，如图11中的甲烷基本模型，图1 2中的苯分子基本模型；步骤S502选择需要与第一基本模型配合的其他基本模型，如图11中的甲基基本模型；图12中的一个甲基基本模型及三个硝基基本模型；步骤S504将步骤S502中选择的每一个其他基本模型替代第一基本模型中的一个氢原子，以搭建分子模型。在图11中，是将步骤S502中选择甲烷基本模型替代第一模型(甲烷)中的一个氢原子，并将二者进行组合，从而搭建成一个乙烷分子模型。在图12中，是先将甲基基本模型替代苯分子基本模型中的一个氢原子形成甲苯分子模型，然后，将三个硝基，分别替代甲苯分子模型的苯环上的三个氢原子(位置分别是甲基左右的及正下方的)，搭建成三硝基甲苯(TNT)分子结构。
步骤S506比较单元124将步骤S504中所搭建的分子模型与存储于分子结构库中的相应分子模型进行比较，判断所搭建的分子模型是否正确？步骤S508结果输出单元输出该正确的所搭建的分子模型及与其相应的拓展知识。
学习者可以用这些基本分子模型搭建更多有机分子结构。在学习者自由搭建分子结构的过程中，如果学习者搭建的是有效的分子结构，系统出示该分子结构的化学分子式、物质名称及相关特性。在这样的实验中，学习者可对微观分子的空间结构以及形状有一个直观的认识，并进一步拓展学习有关知识。
实施本发明，可以在嵌入式系统平台上构建虚拟数理化实验室，进行实际实验室之前，可以先在虚拟实验平台上模拟演练实验过程，了解实验目的，熟悉实验步骤，预见实验结果，然后，在进入实验室实际操作验证，既可节约实验时间、提高实验效果，又可避免不必要的资源浪费。甚至有些实验直接通过虚拟实验室逻辑推理、动画模拟效果更明显、更形象，结果更准确。
并且可以模拟一些错误操作的实验后果及灾难，能警示学生有效避免错误实验操作，则，可以在实验中降低实验风险，提高实验成功率。
在虚拟实验室的支持下，老师可以将抽象问题变形象化，将复杂问题变简单化，更好地带领学生进入神奇的数理化世界，大大增强学生学习数理化的兴趣；同时学生也可以变被动为主动，随时、随地及时发现问题及时模拟实验，自由自在探索自然科学奥秘。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
权利要求
1.一种手持式虚拟实验室系统，包括有信号控制处理单元及与该信号控制处理单元相连接的输入单元、存储单元、显示单元，其特征在于所述输入单元用于接收用户输入及操作指令；所述信号控制处理单元进一步包括中央处理单元及虚拟实验室平台模块，用于在该手持机上进行实验的仿真操作。
2.如权利要求1所述的手持式虚拟实验室系统，其特征在于，所述虚拟实验室平台模块包括实验器具库，存储有实验用的虚拟实验器具；实验药品库，存储有实验用的虚拟实验药品；反应方程式库，存储有实验中各种反应方程式；反应现象/结果库，存储有对应各种反应方程式的实验现象及结果信息；实验模型搭建单元，用于选择所述实验器具库中的虚拟实验器具，搭建实验模型，该实验模型会以图片的形式显示在手持设备的显示单元上；实验过程/结果生成单元，通过调用反应现象/结果库中的信息，并虚拟实验器具中显示实验过程及结果。
3.如权利要求2所述的手持式虚拟实验室系统，其特征在于，所述虚拟实验室平台模块进一步包括图表生成单元，用于生成实验过程的实验物质的物理量变化图表。
4.如权利要求1所述的手持式虚拟实验室系统，其特征在于，所述信号控制处理单元进一步包括三维分子模型仿真模块，该三维分子模型仿真模块包括基本模型库，存储有基本分子的基本模型；分子结构库，存储有较复杂的分子的模型；分子结构搭建单元，用于将基本模型库中的多个基本模型进行组合，重新搭建一个新的分子结构。
5.如权利要求4所述的手持式虚拟实验室系统，其特征在于，所述三维分子模型仿真模块进一步包括比较单元，用于将新搭建的分子结构与分子结构库中相应的分子模型进行比较，确定是否搭建成功；结果输出单元，用于将成功搭建的分子结构模型显示出来。
6.如权利要求4所述的手持式虚拟实验室系统，其特征在于，进一步包括一个通信单元，该通信单元至少为无线通信接口、USB接口及VGA视频输出接口中之一种。
7.一种手持式虚拟实验实现方法，其特征在于，包括如下步骤(a)选择虚拟实验器具；(b)根据所选择的虚拟实验器具，实验模型搭建单元搭建实验模型；(c)在所述搭建的实验模型中的虚拟实验器具中加入虚拟实验药品，并调用反应方程式库中的反应方程式；(d)启动虚拟实验，通过调用反应现象/结果库中的信息，在步骤(c)中的实验模型的相应虚拟实验器具中显示实验过程及结果。
8.如权利要求7所述的手持式虚拟实验实现方法，其特征在于，进一步包括(e)生成反应过程中各虚拟实验药品的物理量变化图表。
9.一种手持式虚拟实验实现方法，其特征在于，包括如下步骤(a)在基本模型库中选择第一分子基本模型；(b)在基本模型库中选择需要与第一分子基本模型配合的其他分子基本模型；(c)将步骤(b)中所选择的每一个其他分子基本模型替代第一分子基本模型中的一个氢原子，以搭建一个新的分子模型。
10.如权利要求9所述的手持式虚拟实验实现方法，其特征在于，进一步包括(d)比较单元将所述步骤(c)中所搭建的分子模型与存储于分子结构库中的相应分子模型进行比较，判断所搭建的分子模型是否正确；(e)结果输出单元输出该正确的所搭建的分子模型。
全文摘要
本发明提供一种手持式虚拟实验室系统，包括有信号控制处理单元及与该信号控制处理单元相连接的输入单元、存储单元、显示单元，所述输入单元用于接收用户输入及操作指令；所述信号控制处理单元进一步包括中央处理单元及一虚拟实验室平台模块，用于在该手持机上进行实验的仿真操作。本发明还提供一种手持式虚拟实验室实现方法。实施本发明，以在嵌入式系统平台上构建虚拟化学实验室，进行实际实验之前，预先模拟演练实验过程，了解实验目的，熟悉实验步骤，预见实验结果，从而在实际实验中降低实验风险，提高实验成功率。
文档编号G06F17/00GK101042822SQ20061012221
公开日2007年9月26日 申请日期2006年9月18日 优先权日2006年9月18日
发明者沈月发 申请人:东莞市步步高教育电子产品有限公司