[发明专利]一种光电效应实验的虚实结合展示系统及方法

说明书

本发明涉及一种光电效应实验的虚实结合展示系统及方法，分为真实场景捕获模块、虚实融合模块和交互操作模块；利用移动设备或计算机自带的普通摄像头捕获真实场景中预先处理的自然图像卡片，计算该卡片的空间位置和方向，分别映射到实时生成的虚拟光电管、虚拟电器元件等三维模型上，使之与拍摄到的真实场景合成得到虚实融合场景，实验者可以通过手直接点击预先设置在自然图像卡片上的虚拟按钮，与虚实融合场景进行交互以观察现实生活中看不到的光电效应电子运动状态，并探究实验规律。本发明应用于物理实验教学，设备简单、成本低廉，交互行为自然，学习者可随时调节光频、光强以及光电管两侧电压等参数，观测光电效应的现象，达到良好教学效果。

技术领域

本发明属于物理教学实验领域，具体地说，是一种光电效应实验的虚实结合展示系统及方法，该方法为基于增强现实技术的、且自然交互的虚实融合光电效应虚拟仿真实验方法，应用于中学物理课堂教学或学生自主实验。

背景技术

增强现实(AR)是将真实环境和虚拟景象融合起来的一种技术，它综合了计算机图形学、计算机视觉、图像处理、光电成像、融合显示、多传感器等众多学科，是在虚拟现实(VR)技术基础上发展而来的新兴研究领域(蔡苏,王沛文,杨阳,刘恩睿.增强现实(AR)技术的教育应用综述[J].远程教育杂志,2016,34(05):27-40)。增强现实与虚拟现实完全沉浸在虚拟的环境中的不同之处是：它强调虚拟与现实的融合，将虚拟的物体结合到真实环境当中。专业的增强现实系统的硬件要求较高，限制了增强现实技术的应用。近年来，移动智能终端发展迅速，硬件指标飞速提高，已经可以基本满足增强现实所需的硬件要求。此外，移动智能终端具有携带方便和普及率高等特点，可以在很大程度上提升传统增强现实系统的可用性和灵活性，已成为实现增强现实技术的理想平台。增强现实技术在娱乐、医疗、工业、国防、教育等领域都有广阔的应用前景。

当前物理教育正在发生转变，即由通过课堂或讲座讲述转向让学生通过某种方式参与到科学探究过程中，而不只是简单重复性动手做做而已。在物理教育中，有些探究例如光电效应、电磁场等比较困难，因为这些现象都太过于抽象。然而，计算机软件和虚拟实验为探究式学习和教授物理提供新的机会，将抽象枯燥的学习内容化为生动有趣，可看可听可感知的动态内容(Cai,S.,F.K.Chiang,Y.Sun,C.Lin and J.J.Lee(2017).Applications of augmented reality-based natural interactive learning inmagnetic field instruction.Interactive Learning Environments.25(6):778-791.)。同时，学者研究阐述了开展真实学习活动的重要性和必要性，在活动中可以解决来自真实世界的问题困难(Wenger,E.(1998).Communities of practice:Learning,meaning,and identity.Continuing Success in Knowledge Management,APQCInternational benchmarking Clearinghouse.29(3):259-272)。换句话说就是让学生处于结合了真实和虚拟世界的增强性学习环境中是非常重要的。