一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法

1.本发明涉及一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，属于虚拟现实领域。


背景技术：

2.随着教育改革深化，物理实验教学条件改善，但物理实验教学仍存在弊端：学生单凭理论记忆而对知识的掌握浅薄；实验仪器比较昂贵，实验器材与材料准备繁琐且易损坏或缺失；限制的实验地点、开放时间与实验资源；当实验遇到安全问题时，会采取其他方式，甚至放弃实验等。将虚拟仿真应用于物理实验教学，不仅能实现现实教学所不具备的实验条件，还能提高实验教学效果，实现自主探究的实验目的。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，使用虚拟现实仿真电路实验，减少实物电路实验的危险性，并且可以动态判断电路通路状态。
4.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，包括以下步骤：
5.s1)确定每一个实验器材模型的tag标签；创建terinalstate类并定义接线点的属性；并定义实验中的通路集合；定义实验器材连通属性；
6.s2)点击实验器材的全部接线点并记录接线点为选中状态；遍历全部实验器材直至电源的正极、负极都被点击形成电路回路时，进行电路回路的通路判断；
7.s3)根据步骤s2)中记录存储的内容，判断实验连入的实验器材是否连通，并判断实验连入的实验器材是否存在串并联；
8.s4)根据确定的实验通路，确定通路中的器材，计算通路中的电流电压电阻。
9.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤s1)中，在unity中确定每一个实验器材模型的tag标签，实验器材包括电源、开关、电流表、电压表、灯泡、电阻等；创建terinalstate类赋值给实验器材模型的接线点，定义接线点的属性字段类stateinfo；创建loopconnectequipstate类，定义实验器材连通属性的属性字段；创建connectedcontroller类赋值给unity场景中的gamecontroller物体，建立实验中所有通路的集合allloop_numberterinallist，建立实验中每一条回路通路集合alllooplist。
10.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤s1)中，在visualstudio中编辑创建的terinalstate类，将该类添加到unity中存在的实验器材的每一个接线点中，在其中定义接线点的属性字段类stateinfo包括字段当前接线点curnode、与当前接线点属于同一个实验器材的另一个接线点othernode、与当前接线点连接的接线点集合curnodenextlist、另一个接线点othernode相连接的集合othernodenextlist。
11.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，步骤s1)中，在visualstudio中编辑创建的loopconnectequipstate类，包括表示是否短路的字段isshortcircuit、表示是否有开关的字段ishaveswitch、表示是否有电流表的字段ishaveammeter、表示是否有电压
表的字段ishavevolotage、表示是否有灯泡的字段ishavelight、表示开关所处状态的字段switchstate、表示一条电路通路中的所有实验器材集合的字段equips。
12.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，步骤s1)中，在visualstudio中编辑创建的connectedcontroller类，定义实验中所有通路的集合allloop_numberterinallist，用来存放所有的实验回路集合，每一条回路时从电源正极按顺序连接到电源负极，即存储的是每一条回路alllooplist；建立实验中每一条回路通路集合alllooplist，该集合是存储器材的连接的每个接线点；创建通路里包含的实验器材集合allequilist。
13.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在unity中连接实验器材的两个接线点中，鼠标左键点击第一个接线点时，记录第一个接线点为选中状态，鼠标左键再次点击另一个接线点，分别记录属性字段类stateinfo；记录stateinfo时，第一个点击的接线点是curnode，第二次点击的接线点是othernode，将当前接线点curnode添加到othernodenextlist集合中，第二次点击的另一个接线点othernode添加到curnodenextlist集合中；每当第二次点击结束，就进行步骤s2)中的判断。
14.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，步骤s2)的具体过程包括：
15.s201)在connectedcontroller类中创建一个空的临时集合curloop，将已点击、存储到stateinfo中且连接到实验线路中的接线点存储至临时集合curloop；
16.s202)首先判断实验连入的实验器材是否存在电源的正极；若存在正极接线点，将正极接线点添加到curloop集合中；
17.以电源的正极为起点，继续判断电路是否形成回路；
18.遍历判断正极接线点的curnodenextlist集合是否存在与正极相连的接线点，判断后的三种情况分别为：
19.q1)如果存在与正极相连的接线点并且是电源负极，说明电源的首尾相连形成回路，进行步骤s3)；
20.q2)如果存在与正极相连的接线点并且不是电源负极，判断该接线点的othernodenextlist是否存在与正极相连的接线点；如果存在，则加入到临时集合curloop中，并进行步骤s203)；
21.q3)如果不存在，则判断电路不通；
22.s203)创建临时的集合curtemp，将步骤s202)完成后的curloop集合中的元素全部添加到curtemp集合中；
23.循环遍历curnodenextlist集合中的接线点curnode的curnodenextlist，在循环遍历时分两种种情况：
24.q4：如果此接线柱curnode的curnodenextlist中的第一个元素存在于curtemp中，则判断第二个；如果此接线柱curnode的curnodenextlist中的第一个元素不存在于curtemp中，则进行s203)的q2)，直至curnodenextlist中所有的元素都遍历；
25.q5：如果这个判断的接线点的othernode的curnodenextlist数量小于1，则继续判断当前接线点curnode的curnodenextlist，并将cuenode添加到curtemp集合中，如果这个接线柱的curnode的curnodenext存在电源负极并遍历到电源负极，则进行步骤s3)；如果没有不是电源负极，则继续进行遍历步骤s203)。
26.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤s3)中，将回路集合curloop赋值给alllooplist，再将alllooplist添加到allloop_numberterinallist中；下一步进行步骤s4)。
27.优化的，上述基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，在步骤s4)中，判断中allloop_numberterinallist的元素数量，判断得出的数量为回路得条数；循环遍历allloop_numberterinallist中的alllooplist，如果同一个实验器材的两个接线柱都在alllooplist中，说明该器材在当前回路里，然后将器材添加到allequiplist中，记录loopconnectequipstate类中的每个属性字段，判断是否短路isshortcircuit,是否有开关ishaveswitch，是否有电流表ishaveammeter，是否有电压表ishavevolotage，是否有灯泡ishavelight，并将开关的状态switchstate进行记录；最后通过这些状态计算通路中的电流电压电阻并观察实验现象。
28.本技术的优点在于：本技术的技术方案包括虚拟仿真的电学实验判断方法，物理实验中各个实验器材的属性及实验电路通路判断的过程。使用本技术的技术方案，可以在电路实验过程中对实验电路的通路进行判断，辅助电路实验的有序进行，解决了虚拟现实仿真物理实验动态判断电路通路困难的问题。
附图说明
29.图1为本技术中步骤s3的流程示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
31.如图1所示，本发明为一种基于虚拟仿真的电学实验仿真方法，使用unity3d引擎，结合编程工具visualstudio实现，具体包括步骤s1)至步骤s4)，其步骤s1)至步骤s4)具体如下所述。
32.步骤s1)：确定每一个实验器材模型的tag标签；创建terinalstate类并定义接线点的属性；并定义实验中的通路集合；定义实验器材连通属性。
33.在此步骤s1)中，在unity中确定每一个实验器材模型的tag标签，实验器材包括电源、开关、电流表、电压表、灯泡、电阻等；创建terinalstate类赋值给实验器材模型的接线点，定义接线点的属性字段类stateinfo；创建loopconnectequipstate类，定义实验器材连通属性的属性字段；创建connectedcontroller类赋值给unity场景中的gamecontroller物体，建立实验中所有通路的集合allloop_numberterinallist，建立实验中每一条回路通路集合alllooplist。
34.并且在此步骤s1)中，在visualstudio中编辑创建的terinalstate类，将该类添加到unity中存在的实验器材的每一个接线点中，在其中定义接线点的属性字段类stateinfo包括字段当前接线点curnode、与当前接线点属于同一个实验器材的另一个接线点othernode、与当前接线点连接的接线点集合curnodenextlist、另一个接线点othernode相连接的集合othernodenextlist。
35.在visualstudio中编辑创建的loopconnectequipstate类，包括表示是否短路的字段isshortcircuit、表示是否有开关的字段ishaveswitch、表示是否有电流表的字段
ishaveammeter、表示是否有电压表的字段ishavevolotage、表示是否有灯泡的字段ishavelight、表示开关所处状态的字段switchstate、表示一条电路通路中的所有实验器材集合的字段equips。
36.在visualstudio中编辑创建的connectedcontroller类，定义实验中所有通路的集合allloop_numberterinallist，用来存放所有的实验回路集合，每一条回路时从电源正极按顺序连接到电源负极，即存储的是每一条回路alllooplist；建立实验中每一条回路通路集合alllooplist，该集合是存储器材的连接的每个接线点；创建通路里包含的实验器材集合allequilist。
37.步骤s2)：点击实验器材的全部接线点并记录接线点为选中状态；遍历全部实验器材直至电源的正极、负极都被点击形成电路回路时，进行电路回路的通路判断。
38.步骤s3)为：根据步骤s2)中记录存储的内容，判断实验连入的实验器材是否连通，并判断实验连入的实验器材是否存在串并联。
39.步骤s2)和步骤s3)的具体过程如果下所示：
40.在unity中连接实验器材的两个接线点中，鼠标左键点击第一个接线点时，记录第一个接线点为选中状态，鼠标左键再次点击另一个接线点，分别记录属性字段类stateinfo；记录stateinfo时，第一个点击的接线点是curnode，第二次点击的接线点是othernode，将当前接线点curnode添加到othernodenextlist集合中，第二次点击的另一个接线点othernode添加到curnodenextlist集合中；每当第二次点击结束，就进行电路回路的通路判断。
41.步骤s2)的具体过程还包括下述过程，其具体为：
42.s201)在connectedcontroller类中创建一个空的临时集合curloop，将已点击、存储到stateinfo中且连接到实验线路中的接线点存储至临时集合curloop；
43.s202)首先判断实验连入的实验器材是否存在电源的正极；若存在正极接线点，将正极接线点添加到curloop集合中；
44.以电源的正极为起点，继续判断电路是否形成回路；
45.遍历判断正极接线点的curnodenextlist集合是否存在与正极相连的接线点，判断后的三种情况分别为：
46.q1)如果存在与正极相连的接线点并且是电源负极，说明电源的首尾相连形成回路，进行步骤s3)；
47.q2)如果存在与正极相连的接线点并且不是电源负极，判断该接线点的othernodenextlist是否存在与正极相连的接线点；如果存在，则加入到临时集合curloop中，并进行步骤s203)；
48.q3)如果不存在，则判断电路不通；
49.s203)创建临时的集合curtemp，将步骤s202)完成后的curloop集合中的元素全部添加到curtemp集合中；
50.循环遍历curnodenextlist集合中的接线点curnode的curnodenextlist，在循环遍历时分两种种情况：
51.q4：如果此接线柱curnode的curnodenextlist中的第一个元素存在于curtemp中，则判断第二个；如果此接线柱curnode的curnodenextlist中的第一个元素不存在于
curtemp中，则进行s203)的q2)，直至curnodenextlist中所有的元素都遍历；
52.q5：如果这个判断的接线点的othernode的curnodenextlist数量小于1，则继续判断当前接线点curnode的curnodenextlist，并将cuenode添加到curtemp集合中，如果这个接线柱的curnode的curnodenext存在电源负极并遍历到电源负极，则进行步骤s3)；如果没有不是电源负极，则继续进行遍历步骤s203)。
53.在步骤s3)中，将回路集合curloop赋值给alllooplist，再将alllooplist添加到allloop_numberterinallist中；下一步进行步骤s4)。
54.s4)根据确定的实验通路，确定通路中的器材，计算通路中的电流电压电阻。其具体过程为：判断中allloop_numberterinallist的元素数量，判断得出的数量为回路得条数；循环遍历allloop_numberterinallist中的alllooplist，如果同一个实验器材的两个接线柱都在alllooplist中，说明该器材在当前回路里，然后将器材添加到allequiplist中，记录loopconnectequipstate类中的每个属性字段，判断是否短路isshortcircuit,是否有开关ishaveswitch，是否有电流表ishaveammeter，是否有电压表ishavevolotage，是否有灯泡ishavelight，并将开关的状态switchstate进行记录；最后通过这些状态计算通路中的电流电压电阻并观察实验现象。
55.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。