专利名称：一种基于web的互动式物理实验教学装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于物理实验教学的教具，具体说是一种基于WEB的互动 式物理实验教学装置及其控制方法。
技术背景CAI (电脑辅助教学)的一个显著优点就是可表现其他常规教学手段所不能 表达的、比较抽象的内容和知识，自CAI诞生起，就对教育教学手段产生了很 大的影响，已广泛应用在各科的课堂教学中。但目前主流的CAI教学课件多是 二维的，无法带给学习者如同身临其境的真实感，缺乏互动机制，而物理实验 中恰恰存在许多用语言和二维展示不能表达清楚的内容，为此，发明专利(申 请号03121705.2和200510012134.6)都提出了虚拟现实模型设计的方案，以期 解决二维平面CAI的不足，实现对实验的虚拟，但是，这些发明都仅完成了模 型设计，缺乏虚拟实验的交互过程，即使是三维模型没有加入特定的装置以及 与之配合的各种控制也不能达到所需要的真正互动的虚拟实验效果。因此，如何克服目前CAI教学系统缺乏互动真实性和表现力的不足，提高 教学特别是物理实验教学的教学效果， 一直是教育工作者关心的问题。 发明内容本发明的目的是通过建立VRML技术和数字可控制的物理实验设备相结合 的控制模型，完成一种基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法。为达到上述目的，本发明的设计技术方案是装置由客户端模块子系统和 服务端子系统构成。其中客户端模块子系统由三维仪器展示模块、互动操作数 据处理模块、客户端效果处理模块、本地临时操作数据存储器、互动操作结果 数据传输模块构成；服务端子系统由服务数据处理模块、服务端数据存储模块、数字可控制的物理实验设备组成。在客户端模块子系统中，三维仪器展示模块 通过信号传输通道与互动操作数据处理模块、互动操作结果数据传输模块直接 相连；互动操作数据还分别与本地临时操作数据存储器、客户端效果处理模块 相连，同时通过反馈通道将客户端效果处理模块的信号回递给三维仪器展示模 块，通过信号传输通道将本地临时操作数据存储器的存储传输给互动操作结果 数据传输模块。在服务端子系统中，服务数据处理模块分别与服务端数据存储 模块和数字可控制的物理实验设备相连。三维仪器展示模块完成实验仪器的VRML三维处理及在浏览器中的效果展 示；互动操作数据处理模块采用JAVA Script的脚本接口 SAI实现交互设计， 同时该模块中包含的JAVA程序会得到交互过程中需要回递给服务端的数据，本 地临时操作数据存储负责将该数据先以XML文件形式保存在本地，等到操作完 成后根据数据的完整性判断决定是否递交给服务端，客户端效果处理模块专门 负责用户操作效果的转变，互动操作结果数据传输模块负责将完整数据提交给 服务端，服务数据处理模块采用标准WEB service作为接收接口，服务数据处理 模块控制数字可控制的物理实验设备完成实验操作并将得到的虚拟操作的完整 结果数据保存到数据库。控制方法如下-装置中系统登录后，由VRML客户端通过互动数据传输模块向服务器请求 虚拟三维的仪器数据。服务器得到客户端的请求，并通过验证后将数据回送给 客户端，客户端的VRML处理程序通过三维展示模块将结果显示在客户端界面， 并判定客户端是否结束操作过程。期间参与的模块有互动操作数据处理模块、 本地效果处理模块、本地临时数据存储器。在系统工作过程中互动操作数据处理模块将根据用户的操作判定客户端的 行为，在每次操作中互动操作数据处理模块判定该次操作是否完成整个实验过 程，如果实验过程尚未完成则判定该操作是否需要记录关键历史数据，对于关键历史数据(包括仪器到位调节数据和仪器测量数据)采用XML文件形式记录, 并由本地效果处理模块直接向三维仪器展示模块输出操作结果并显示给客户 端；对于非关键数据则直接由本地效果处理模块直接向三维仪器展示模块输出 操作结果并显示给客户端。当实验过程完成时互动操作数据处理模块根据XML 文件中记录的操作过程数据的完整性判定用户是否已经完成实验过程，对于已 经完成的完整实验过程，互动操作数据处理模块调用互动操作结果数据传输模 块将结果传送给服务端并保存，对于未完成的实验过程互动操作数据处理模块 将清空XML文件中记载的历史数据，结束本次操作过程采用本发明的技术方案，可有效解决了缺乏模拟交互的CAI实验教学的不 足，实现了在网络环境中交互式的三维物理实验与仿真，提高了物理实验的教 学效果。
图1是本发明的系统框架结构图。图2是本发明的设计的装置的工作流程图。图1中，101是三维仪器展示模块，102是互动操作数据处理模块，103是 客户端效果处理模块，104是本地临时操作数据存储器，105是互动操作结果数 据传输模块，这些模块共同构成客户端模块子系统。106是服务数据处理模块， 107是服务端数据存储模块，108是数字可控制的物理实验设备，上述模块与设 备共同构成了服务端子系统。
具体实施方式
为了更详细的描述本发明，下面结合附图1和附图2和实施例作进一步说明。首先根据附图1进行装置的搭建。其控制方法如下-步骤201:在安装VRML标准客户端并且实现系统登录过程后，由VRML 客户端通过互动数据传输模块105向服务器请求虚拟三维的仪器数据。步骤202:服务器得到客户端的请求，并通过验证后将数据回送给客户端，客户端的VRML处理程序通过三维展示模块101，将结果显示在客户端界面。步骤203:在该步骤中包含系统组成模块中的102互动动作处理模块，103 本地效果处理模块，104本地临时数据存储器。(不需要原理和实现过程的描述， 仅说明功能即可)。步骤204:判定客户端是否结束操作过程，如果操作过程结束则跳转到步骤 207，否则转到步骤205。步骤205:在用户操作客户端过程中没有结束操作过程，则在该步骤中判定 是否有关键历史数据需要记录，如果存在关键操作数据需要记录则跳转到步骤 206，否则直接跳转到步骤203。步骤206:采用XML文件形式记录用户的关键操作数据，包括仪器到位调 节数据和仪器测量数据。步骤207:根据XML文件中记录的操作过程数据的完整性判定用户是否已 经完成实验过程，完成操作过程则跳转到步骤208，没有完成全部过程则跳转到 步骤209。步骤208:调用互动数据传输模块将完整的操作结果传送到服务端并控制数 字可控制的物理实验设备运行，并将结果保存到服务端，结束本次操作。步骤209:没有完成的仪器操作过程将不被记录到服务端，历史数据清除结 束本次操作过程。
权利要求
1、一种基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法，其中客户端模块子系统由三维仪器展示模块、互动操作数据处理模块、客户端效果处理模块、本地临时操作数据存储、互动操作结果数据传输模块组成，三维仪器展示模块通过信号传输通道与互动操作数据处理模块、互动操作结果数据传输模块直接相连；互动操作数据还分别与本地临时操作数据存储器、客户端效果处理模块相连，同时通过反馈通道将客户端效果处理模块的信号回递给三维仪器展示模块，通过信号传输通道将本地临时操作数据存储器的存储传输给互动操作结果数据传输模块；服务端模块子系统由服务数据处理模块、服务端数据存储模块、数字可控制的物理实验设备组成，服务数据处理模块分别与服务端数据存储模块和数字可控制的物理实验设备相连。
2、 根据权利要求1所述的基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法，， 其特征在于三维仪器展示模块完成实验仪器的VRML三维处理及在浏览器中的 效果展示。
3、 根据权利要求1所述的基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法，， 其特征在于采用JAVA Script的脚本接口 SAI在物理实验教学装置的互动操作 数据处理模块实现交互设计
4、 根据权利要求1所述的基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法，， 其特征在于本地临时操作数据存储采用XML文件形式保存。
5、 根据权利要求1所述的基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法， 其特征在于通过互动操作数据处理模块判断XML文件内容完整性实现操作完 整性判断。
6、 根据权利要求1所述的基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法， 其特征在于釆用WEB Service在服务数据处理模块实现虚拟实验数据的接收。
7、 根据权利要求1所述的基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法， 其特征在于由服务数据处理模块控制数字可控制的物理实验设备完成实验操 作。
全文摘要
本发明涉及一种用于物理实验教学的教具，具体说是一种基于WEB的互动式物理实验教学装置及其控制方法。所述的装置由客户端模块子系统和服务端子系统构成。其中客户端模块子系统由三维仪器展示模块、互动操作数据处理模块、客户端效果处理模块、本地临时操作数据存储器、互动操作结果数据传输模块构成；服务端子系统由服务数据处理模块、服务端数据存储模块、数字可控制的物理实验设备组成。控制时由VRML客户端通向服务器请求虚拟三维的仪器数据，服务器验证后将数据回送，客户端的VRML处理程序将结果显示在客户端界面，并判定客户端是否结束操作过程。该方法解决了CAI实验教学中缺乏模拟交互的不足，实现了交互式的三维物理实验与仿真，提高了教学效果。
文档编号G09B5/00GK101221697SQ200710144030
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者宇 卢, 吴允平, 吴进营, 李汪彪, 苏伟达, 蔡声镇, 恒 赖, 郑乐乐, 郑勇平, 黄志高 申请人:福建师范大学