[发明专利]一种可组装的虚实融合实验电路的计算方法及系统

说明书

本发明公开了一种可组装的虚实融合实验电路的计算方法及系统。该方法包括步骤：S1，定义每个电路卡片对应的电路元件，并将每个电路元件及其左右节点模块化表征；S2，采集用户组装的电路卡片图像，根据电路卡片图像找到对应的电路元件，并通过电路元件左右节点的碰撞检测判断电路元件的连接状态，创建左邻接矩阵和右邻接矩阵来表示电路元件的连接状态；S3，遍历左邻接矩阵和右邻接矩阵，创建虚拟电路表达式并计算电路元件属性值。本发明通过从元件封装、邻接矩阵构建到电路计算，使得学习者仅需使用电路卡片进行电路的组装，可以实现电路的自由连接，电路会根据真实情况进行实时计算，仿真度高，交互性强，并且适合在移动终端上实现。

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，更具体地，涉及一种可组装的虚实融合实验电路的计算方法及系统。

背景技术

虚拟实验室(Virtual Laboratory)是由1989年美国弗吉尼亚大学的WilliamWulf教授首次提出，其初衷是构建一种开放式、虚拟化、资源可共享的计算机网络环境，方便科研人员进行合作研究。此后，在新兴科技的持续推动和国内外研究者的不断探索和创新过程中，虚拟实验在各个领域不断发展。20世纪90年代以来，国外众多组织和研究机构对虚拟实验在物理学、化学、医学、机械工程等多个领域的应用进行探索，成果较为显著。包括欧盟委员会资助研发的Go-Lab共享平台提供远程虚拟实验室、美国宇航局(NASA)和休斯敦大学(University of Houston)联合创建的虚拟环境技术实验室、复旦大学核科学与技术系创建的NucLab虚拟仿真VR实验室等等。在虚拟实验室环境中，学生可以不受时空的限制，通过鼠标、键盘、头盔等交互设备在计算机模拟的虚拟空间内进行实验操作与探究，从而获得沉浸感体验。

增强现实(Augmented Reality，简称AR)顾名思义即对现实体验的一种增强形式。与纯虚拟环境不同，增强现实将虚拟对象叠加到真实环境中，利用计算机技术能够让用户在真实环境中与虚拟生成的模型进行交互，将虚拟对象引入真实世界，实现对真实环境的增强，带来“实中有虚”的用户体验，在提升实验的真实感和自然交互方面优势显著。具体地，基于标记型AR更能满足教育需求。学生不需要佩戴头盔等设备，借助于计算机、智能终端等就可以对虚实融合场景进行观察和操作，节省经费的同时，更方便了教学活动和移动学习的开展。

电学计算是整个初中物理知识教学与学习的重难点，是对学生的观察、逻辑思维、抽象概括、动手实践等能力的集中考验。电学实验在整个初中物理学习中的重要性不言而喻，但在现实环境下，受限于各种客观因素，实验活动的开展情况不尽如人意。为解决此问题，众多学者利用各类技术呈现物理电学实验。基于一般交互技术上，包括利用Flash技术开发了一个网站式、可扩展的中学物理虚拟实验室；基于B/S结构设计的中学电路在线虚拟实验室，师生可以通过浏览器实现线上实验操作。此类电学虚拟实验以桌面式纯虚拟为主，一方面无法满足随时随地的移动学习需求，另一方面，纯虚拟二维虚拟缺乏真实感。基于增强现实技术上，有学者设计了一套“AR电路学具”，通过识别留空电路图和元件标记完成电路实验，但存在无法实现电学元件的自由连接的问题。

综上，现有虚拟电路实验难以同时兼顾可行性高和可操作性强的需求，更难以满足学习者移动学习、重复探究、体验感好的学习需求，因此亟待设计一种适合移动设备计算的，仿真度高、交互性强并适用于初中物理的虚实融合实验电路计算方法和系统。

发明内容

针对现有虚拟实验存在的问题，本发明提供了一种可组装的虚实融合实验电路的计算方法及系统，通过从元件封装、邻接矩阵构建到电路计算，使得学习者仅需使用电路卡片进行电路的组装，可以实现电路的自由连接，电路会根据真实情况进行实时计算，仿真度高，交互性强，并且适合在移动终端上实现。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种可组装的虚实融合实验电路的计算方法，包括步骤：

S1，定义每个电路卡片对应的电路元件，并将每个电路元件及其左右节点模块化表征；