【摘 要】
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实验教学是国家课程方案课程标准规定的重要教学内容。利用虚拟现实技术可以解决理化生学科实验中难观察、危险性、对环境有危害等的问题。而虚拟实验的真实感主要由视听触嗅等多个感知通道决定。触觉作为人体皮肤感知的主要通道,能够提高虚拟实验沉浸感和虚拟实验教学的效果。在当前的中学实验中,需要动手操作实验,触觉感知的部位是人手,产生的触觉主要有力触觉和温触觉。但大部分虚拟实验仍然以视觉感知通道的呈现以主,目前市
【基金项目】
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国家重点研发计划专项——多模态自然交互的虚实融合开放式实验教学环境(项目编号:2018YFB1004900)中的子课题项目“面向中学教学的虚实融合实验仿真”;
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实验教学是国家课程方案课程标准规定的重要教学内容。利用虚拟现实技术可以解决理化生学科实验中难观察、危险性、对环境有危害等的问题。而虚拟实验的真实感主要由视听触嗅等多个感知通道决定。触觉作为人体皮肤感知的主要通道,能够提高虚拟实验沉浸感和虚拟实验教学的效果。在当前的中学实验中,需要动手操作实验,触觉感知的部位是人手,产生的触觉主要有力触觉和温触觉。但大部分虚拟实验仍然以视觉感知通道的呈现以主,目前市场上缺少适用于虚拟实验中、融合力触觉和温触觉通道的交互设备。论文针对以上问题,研究了融合多感知通道的交互技术及其应用,设计适用于中学理、化、生等学科的虚拟实验的多感知通道的交互方案,包括多感知通道交互手套的交互设计、力触觉和温触觉感知通道方案设计以及实现。文章最后还构建了典型的化学虚拟实验进行验证,证明文中所提的融合多感知通道交互方案的有效性。论文的主要研究工作如下:(1)分析中学虚拟对于实验操作真实感、逼真性的需求,针对中学虚拟的需求提出一种适用于中学理、化、生等学科虚拟实验、融合多感知通道的交互方案,并对方案选用的传感器、整体方案框架进行必要讨论。(2)设计一种基于弯曲传感器的手部数据采集方法,包括支撑这种采集方法的传感器电路设计,通过传感器放置位置试验确定布局、开发传感器数据传输与解析算法,传感器特性曲线的滤波与拟合,分析人手骨骼关节,对虚拟手模型进行骨骼绑定,虚拟手的数据映射,实现虚拟实验的可视化交互。(3)设计一种基于振动电机的力触觉感知通道呈现方法,根据薄膜压力测试传感器测量真实拿取实验物品的压力大小,生成模拟的力触觉反馈信号通过动电机执行呈现。改进一种基于半导体制冷片的温触觉感知通道呈现方法,生成模拟的温触觉反馈信号通过半导体制冷片执行呈现。(4)搭建典型的中学虚拟实验交互的逼真性。通过邀请志愿者配戴交互手套操作实验,记录并分析实验数据和体验效果的评价。验证和评估多感知通道交互手套的设计方案的实用性。
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