[发明专利]一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统

说明书

本发明设计了一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统。该系统包括用户界面模块、数据识别模块、物理运动计算模块、动画和图表模块。本发明基于笔式交互的交互方式进行设计，保留了传统课堂教学的讲解方式，使用物理引擎对教师在黑板上绘制的物块进行运动仿真，有利于学生直观观察物块运动；结合运动图像的展示，使学生可以在观察现象的同时总结物理运动的特征，便于其理解各物理量之间的关系；使用自然笔式手势设计，便于在不同输入模式之间进行切换，减轻使用者交互的负担。

技术领域

本发明涉及物理教学技术领域，特别是涉及一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统。

背景技术

国内外对现代信息技术辅助教学系统有广泛而深入地研究，在物理教学领域有很多让人耳目一新的想法和成熟的应用。JensWeppner等设计了一种基于谷歌眼镜平台的应用，该原型用于声学领域的物理实验，最初的使用场景是帮助学生找出玻璃棒撞击水杯产生的声音音调与水杯中水的高度之间的关系。Oleg Yavoruk展示了如何将增强/虚拟现实、等距投影等技术用于物理课堂中，给老师和学生提供更丰富的物理现象，并给出了如何使用这些技术的建议。

以上两种新技术的应用都会极大地提高学生的课堂专注度，让学生在快乐中学习。但不可避免的，新技术的应用改变了中学教师的授课习惯，无论是谷歌眼镜还是增强/虚拟现实技术，其硬件成本非常高昂。而且不适合于有晕动症的人群。

国内的NOBOOK平台，中国科学院大学、浙江大学等大学的虚拟实验平台，让学生通过鼠标与键盘模拟双手在虚拟仿真实验平台上进行实验。这些实验平台在实验操作的模拟、实验现象的仿真等方面做到了相当不错的程度。虽然改进了上述两种新技术的缺点，但是其仍然采用传统的WIMP界面交互方式，与传统的“黑板加粉笔”形式的授课方式不符。对于需要改变参数和自由度较大的实验，这些平台的支持度并不理想。

发明内容

本发明的目的是为物理运动实验教学提供一种新的教学途径，为学生创造便捷、安全的实验环境。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于笔式交互的物理运动实验演示系统，包括：

用户界面模块：用于接收用户输入和演示物理运动实验；

数据识别模块：用于识别输入的字符或者图形；

物理运动计算模块：用于计算在当前运动条件下物块运动的数据；

动画和图表模块：用于将物理引擎计算的结果以动画的形式展示到所述用户界面模块上，并将运动参数以图表的形式展示；

所述用户界面模块与所述数据识别模块之间的数据传递是双向的。

优选地，所述用户界面模块将手写内容识别为图形数据或者字符数据；当手写内容被识别为图形数据，系统会调用物理运动计算模块，将图形进行修正并重新展示；当手写内容被识别为字符数据时，且这些字符组成的命令合法的情况下，系统会执行命令，更改图形的物理参数。

优选地，所述数据识别模块需要识别的数据分为两种：图形数据、字符数据，使用$Q分类器对所述图形数据进行识别，使用机器学习的方法训练模型对所述字符数据进行识别。

优选地，所述物理计算模块包括：图形修正子模块、命令执行子模块、物理引擎子模块。

优选地，所述图形修正子模块用于对识别到的物理图形进行修正后重新展示，所述修正功能包括自动规整物理图形，贴合图形。

优选地，所述命令执行子模块用于将输入的物理参数施加到物理模型上，在命令执行之前，所述基于笔式交互的物理运动实验演示系统会对命令进行语法分析，防止执行非法的命令。