一种基于虚实融合环境的化学实验教学系统的制作方法

1.本发明涉及一种化学实验教学技术，尤其是涉及一种基于虚实融合环境的化学实验教学系统。


背景技术：

2.化学是一门以实验为基础的科学，而化学实验在化学教学中占有十分重要的地位，通过化学实验，可以帮助学生形成化学概念，理解和掌握化学知识，正确地掌握实验的基本方法和基本技能，化学实验对培养学生的观察、思维、独立操作等能力，培养理论联系实际的学风和实事求是、严肃认真的科学态度以及探讨问题的科学方法都有重要的意义，传统的化学实验一般都是采用“以教为主”的教学模式，通过老师的手把手教学，从而指导学生如何进行化学实验，但是，传统的化学实验指导方法存在以下缺陷：
3.(1)老师手把手教学的模式容易导致学生缺乏自主学习能力，不会自主思考如何操作化学实验，使得化学实验的目的反而不能很好地达成；
4.(2)老师手把手教学时，由于学生数目众多，而老师数目则相对少的多，因此很难实现一对一教学，这样容易导致学生在不了解化学实验的情况下盲目进行实验，存在一定的安全风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于虚实融合环境的化学实验教学系统，能够培养实验者独立思考的能力，可同时对多个实验者进行指导，有效避免了由于学生不了解情况进行实验而导致的安全风险，缓解老师的教学压力。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种基于虚实融合环境的化学实验教学系统，包括数据采集模块、行为分析模块和指导显示模块；
8.所述的数据采集模块采集实验者使用化学工具的行为信息；
9.所述的行为分析模块包括行为判断单元和行为指导单元；
10.所述的行为判断单元根据行为信息判断实验者的行为是否错误，若是则发送指导指令给行为指导单元，否则不动作；
11.所述的行为指导单元接收指导指令，并生成指导信息；
12.所述的指导显示模块包括显示单元和存储单元，所述的显示单元和存储单元分别用于显示和存储指导信息；
13.所述的数据采集模块实时采集实验者的行为信息，所述的行为分析模块根据行为信息对该实验者的行为进行评判和指导，能够培养实验者独立思考的能力，同时可同时对多个实验者进行指导，有效避免了由于学生不了解情况进行实验而导致的安全风险，缓解老师的教学压力，此外，通过显示单元显示指导信息，可以减少学生注意力的分散，降低学生的认知负荷，增强学生态势感知的能力；
14.所述的存储单元可存储指导信息，能够便于老师查看实验者行为信息的分析结果，从而做出相应的教学调整，提高教学质量，例如当老师发现大部分学生都在同一操作步骤出错时，那就针对该操作步骤给学生进行复习，从而提高教学质量；
15.进一步地，所述的数据采集模块包括图像采集单元和力度采集单元，所述的图像采集单元用于通过摄像机捕捉实验者的行为图像，所述的力度采集单元用于通过压力传感器采集实验者使用化学工具的操作力度，所述的压力传感器设置于化学工具上；
16.通过压力传感器采集操作力度，为行为分析模块提供准确的数据来源，同时可多角度评判实验者的化学实验操作是否正确，准确度高，可靠性强。
17.进一步地，所述的行为判断单元包括人体动作分析子单元、肢体关节分析子单元和力度分析子单元，所述的人体动作分析子单元用于根据行为图像判断实验者的操作动作是否错误，所述的肢体关节分析子单元用于根据行为图像判断实验者的肢体关节位置是否错误，所述的力度分析子单元用于判断操作力度是否错误。
18.进一步地，所述的人体动作分析子单元通过训练好的第一深度学习网络判断实验者的操作动作是否错误。
19.进一步地，所述的肢体关节分析子单元通过训练好的第二深度学习网络判断实验者的肢体关节位置是否错误。
20.进一步地，若操作动作错误，则人体动作分析子单元发送操作动作指导指令给行为指导单元，所述的行为指导单元接收操作动作指导指令后，生成操作动作指导信息。
21.进一步地，若肢体关节位置错误，则肢体关节分析子单元发送肢体关节位置指导指令给行为指导单元，所述的行为指导单元接收肢体关节位置指导指令后，生成肢体关节位置指导信息。
22.进一步地，若操作力度错误，则力度分析子单元发送力度指导指令给行为指导单元，所述的行为指导单元接收力度指导指令后，生成力度指导信息。
23.进一步地，所述的摄像机为全景摄像机，监控范围广，可全面监控实验室内各个实验者的行为信息。
24.进一步地，所述的教学系统还包括历史监控模块，用于存储实验者的历史行为信息，方便老师查看实验者的历史行为，便于教学分析。
25.与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
26.(1)本发明教学系统包括数据采集模块、行为分析模块和指导显示模块，数据采集模块采集实验者使用化学工具的行为信息，行为分析模块包括行为判断单元和行为指导单元，行为判断单元根据行为信息判断实验者的行为是否错误，若是则发送指导指令给行为指导单元，否则不动作，行为指导单元接收指导指令，并生成指导信息，指导显示模块包括显示单元和存储单元，显示单元和存储单元分别用于显示和存储指导信息，数据采集模块实时采集实验者的行为信息，行为分析模块根据行为信息对该实验者的行为进行评判和指导，能够培养实验者独立思考的能力，同时可同时对多个实验者进行指导，有效避免了由于学生不了解情况进行实验而导致的安全风险，缓解老师的教学压力，此外，通过显示单元显示指导信息，可以减少学生注意力的分散，降低学生的认知负荷，增强学生态势感知的能力；
27.(2)本发明存储单元可存储指导信息，能够便于老师查看实验者行为信息的分析
结果，从而做出相应的教学调整，提高教学质量，例如当老师发现大部分学生都在同一操作步骤出错时，那就针对该操作步骤给学生进行复习，从而提高教学质量；
28.(3)本发明通过摄像机捕捉实验者的操作动作和肢体关节位置，通过压力传感器采集操作力度，为行为分析模块提供准确的数据来源，同时可多角度评判实验者的化学实验操作是否正确，准确度高，可靠性强；
29.(4)本发明人体动作分析子单元通过训练好的第一深度学习网络判断实验者的操作动作是否错误，肢体关节分析子单元通过训练好的第二深度学习网络判断实验者的肢体关节位置是否错误，实现难度低，且可靠性高；
30.(5)本发明采用的摄像机为全景摄像机，监控范围广，可全面监控实验室内各个实验者的行为信息；
31.(6)本发明教学系统还包括历史监控模块，用于存储实验者的历史行为信息，方便老师查看实验者的历史行为，便于教学分析。
附图说明
32.图1为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
34.一种基于虚实融合环境的化学实验教学系统，如图1，包括数据采集模块1、行为分析模块2、指导显示模块3和历史监控模块4；
35.数据采集模块1采集实验者使用化学工具的行为信息；
36.行为分析模块2包括行为判断单元和行为指导单元22；
37.行为判断单元根据行为信息判断实验者的行为是否错误，若是则发送指导指令给行为指导单元22，否则不动作；
38.行为指导单元22接收指导指令，并生成指导信息；
39.指导显示模块3包括显示单元31和存储单元32，显示单元31和存储单元32分别用于显示和存储指导信息；
40.历史监控模块4存储实验者的历史行为信息。
41.数据采集模块1实时采集实验者的行为信息，行为分析模块2根据行为信息对该实验者的行为进行评判和指导，能够培养实验者独立思考的能力，同时可同时对多个实验者进行指导，有效避免了由于学生不了解情况就进行实验而导致的安全风险，缓解老师的教学压力，此外，通过显示单元31显示指导信息，可以减少学生注意力的分散，降低学生的认知负荷，增强学生态势感知的能力；
42.存储单元32可存储指导信息，能够便于老师查看实验者行为信息的分析结果，从而做出相应的教学调整，提高教学质量，例如当老师发现大部分学生都在同一操作步骤出错时，那就针对该操作步骤给学生进行复习，从而提高教学质量；
43.数据采集模块1包括图像采集单元11和力度采集单元12，图像采集单元11用于通
过摄像机捕捉实验者的行为图像，力度采集单元12用于通过压力传感器采集实验者使用化学工具的操作力度，本实施例中，将压力传感器设置于胶头滴管的胶头以及镊子的夹持端。
44.通过压力传感器采集操作力度，为行为分析模块2提供准确的数据来源，同时可多角度评判实验者的化学实验操作是否正确，准确度高，可靠性强；
45.摄像机为全景摄像机，监控范围广，可全面监控实验室内各个实验者的行为信息。
46.行为判断单元包括人体动作分析子单元211、肢体关节分析子单元212和力度分析子单元213，人体动作分析子单元211用于根据行为图像，通过训练好的第一深度学习网络判断实验者的操作动作是否错误，肢体关节分析子单元212用于根据行为图像，通过训练好的第二深度学习网络判断实验者的肢体关节位置是否错误，力度分析子单元213用于判断操作力度是否错误。
47.若操作动作错误，则人体动作分析子单元211发送操作动作指导指令给行为指导单元22，行为指导单元22接收操作动作指导指令后，生成操作动作指导信息；若肢体关节位置错误，则肢体关节分析子单元212发送肢体关节位置指导指令给行为指导单元22，行为指导单元22接收肢体关节位置指导指令后，生成肢体关节位置指导信息；若操作力度错误，则力度分析子单元213发送力度指导指令给行为指导单元22，行为指导单元22接收力度指导指令后，生成力度指导信息。
48.本实施例提出了一种基于虚实融合环境的化学实验教学系统，能够培养实验者独立思考的能力，可同时对多个实验者进行指导，有效避免了由于学生不了解情况进行实验而导致的安全风险，缓解老师的教学压力。
49.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。