技术领域
[0001] 本实用新型属于考试设备领域，涉及一种基于虚拟现实的实验考试系统。
背景技术
[0002] 考试一直是我国评价学生知识和能
力的主要方式，对
基础教育关注的重点有着重要的导向作用；随着教育改革的推进，对考生的实验能力要求越来越重视，而传统的纸质考试方式侧重记忆、推理等能力的考察，导致考生“动手能力不足”、“实验素质偏低”。
[0003] 如何让考试对实验能力培养产生积极的影响，更客观、真实的评价学生的动手能力和实验素质，这是一个需要不断探索的重要课题。此外，传统的实验教学实践和考试中存在以下问题：
[0004] 1.安全性，例如物理实验中的电学部分，若学生的不规范操作会导致实验仪器损坏，甚至安全事故；化学实验中的存在不少易燃易爆物品，像浓
硫酸、
盐酸、苯系物等，此外，一些重金属像汞、硫代反应物难以处理和回收，易对环境造成污染。
[0005] 2.实验成本高，物理实验中的精密仪器例如游标卡尺、天平等；像浓硫酸、盐酸等实验物品易挥发、不易保存和回收，消耗量大带来了较大的成本。
[0006] 3.现象复现验证时间长或难以复现。物理实验中的运动的合成部分、
光电效应等，化学实验中的溶解、降解、锈蚀等反应时间长。
[0007] 基于上述问题，实验过程可控、成本低、可反复操作的实验系统亟待所需。实用新型内容
[0008] 为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于虚拟现实的实验考试系统，包括一个或多个
头戴式显示器、处理器、一个或多个
姿态控制器，所述头戴式显示器与所述处理器有线连接；
[0009] 所述姿态控制器通过有线或无线的方式与处理器连接；所述处理器与所述姿态控制器通过一对一或一对多的方式连接、所述处理器与所述头戴式显示器通过一对一或一对多的方式连接。
[0010] 在本实用新型的
实施例中，所述处理器设置在所述头戴式显示器内部。
[0011] 为了满足不同的实验教学和考试的不同需求，所述虚拟实验场景包括实验练习场景、实验演示场景、实验考试场景、自定义场景。场景可按用户需求通过姿态控制器的操作进行切换。
[0012] 在本实用新型的实施例中，所述头戴式显示器包括Oculus Rift、HTC Vive、Google Cardboard、6earVR。
[0013] 在本实用新型的实施例中，所述姿态控制器包括手持式控制器、
脚踏控制器、头部控制器。
[0014] 在本实用新型的实施例中，所述姿态控制器与处理器通过WiFi连接。
[0015] 在本实用新型的实施例中，所述实验考试系统还包括
服务器，所述服务器用于管理用户的模型、实验
数据库、成绩记录。
[0016] 本实用新型的有益效果：
[0017] 1.本实用新型通过虚拟现实构造了一种可反复实验的虚拟实验场景，降低了实验成本和危险性，提高了安全性。
[0018] 2.通过虚拟实验场景可控制实验速率，减少实验的等待时间，激发学生兴趣。
[0019] 3.构建不同的场景以满足教学、练习、考试的不同需求，提高了系统的复用性。
附图说明
[0020] 图1是本实用新型的实施例的基本
框架原理图；
[0021] 图2是本实用新型的实施例中的框架原理图之一；
[0022] 图3是本实用新型的实施例中的框架原理图之二；
[0023] 图4是本实用新型的中虚拟化学实验场景示意图。
[0024] 1.头戴式现实器2.姿态控制器3.处理器。
具体实施方式
[0025] 如图1所示，一种基于虚拟现实的实验考试系统，包括一个或多个头戴式显示器1、一个或多个处理器3、一个或多个姿态控制器2，所述头戴式显示器与所述处理器有线连接；
[0026] 所述姿态控制器2通过有线或无线的方式与处理器3连接，通过线缆的方式连接处理器和头戴式显示器因用户体验差而逐渐被淘汰。常见的无线连接方式包括WiFi、ZigBee、蓝牙，无线USB、5G等；所述处理器3与所述姿态控制器2通过一对一或一对多的方式连接、所述处理器3与所述头戴式显示器1通过一对一或一对多的方式连接。头戴式显示器1被配置为向用户显示虚拟实验场景；所述姿态控制器2根据用户运动状态变化生成在虚拟实验场景中相应的运动信息；所述处理器3分别与头戴式显示器1、姿态控制器2连接，通常被配置为控制所述头戴式显示器1生成虚拟实验场景，并响应于所述姿态控制器2生成的运动信息而作出的场景变化以根据用户在虚拟实验考试场景中的操作进行评分。
[0027] 在本实用新型的一些实施例中，运动信息包括手势变化、腿部动作变化、头部的动作变化，此外肢体上的部位的动作变化都可通过姿态控制器2内部或外部的
传感器将运动信息传递给处理器3。因此，所述姿态控制器2包括手持式控制器、脚踏控制器、头部控制器。
[0028] 在本实用新型的实施例中，上述头戴式显示器1包括Oculus Rift、HTC Vive、Google Cardboard、GearVR、Thalmic Labs MYO或其他头戴式显示器。处理器3采用ARM公司CPU
内核的应用处理器。
[0029] 在本实用新型的实施例中，所述姿态控制器2与处理器3通过WiFi连接。
[0030] 如图2所示，每个用户佩戴头各自的戴式显示器，姿态控制器2捕获用户的动作信息，并将动作信息传递给同一个处理器3，处理器3根据动作信息控制各自的头戴式显示器1作出场景变化。
[0031] 如图3所示，在本实用新型的实施例中，每个用户佩戴头各自的戴式显示器，处理器3集成在头戴式显示器1内部，姿态控制器2捕获用户的动作信息，并将动作信息传递给同一个处理器3，每个处理器3根据动作信息控制各自的头戴式显示器1作出场景变化。每个处理器3通过与服务器的交互，更新每个各自用户的场景变化和本地用户在其他用户中场景的变化。所述服务器与处理器通过以太网、WiFi、5G网络连接，以实现远程通信。此外，所述服务器还可管理用户的自定义模型、由各元件模型的数据库、以及成绩记录。特别地，通过一对多、一对一的处理器-控制器-头戴式显示器的连接方式实现几种实验模式：
[0032] 1.所有学生自主实验；2.老师演示实验，所有学生观察；
[0033] 3.部分学生自主实验，部分学生以观察者的身份观察，同时老师讲解；
[0034] 4.学生进行实验考试、老师监考。
[0035] 在本实用新型的一些实施例中，所述虚拟实验场景包括实验练习场景、实验演示场景、实验考试场景。场景可按用户需求通过姿态控制器2进行切换。为了便于教学、练习、考试的不同场合的转换，虚拟实验场景包括实验练习场景、实验演示场景、实验考试场景、自定义场景，教师或学生可根据自己的需求定制实验。
[0036] 虚拟实验室场景构建具体步骤如下：
[0037] 步骤1：采集构建虚拟实验场景所需要的原始数据，该原始数据包括场景空间构成数据、功能构成数据等；步骤2：利用3DsMax、Maya、Photoshop等
软件制作场景三维模型，绘制场景贴图、交互用界面UI；步骤3：将模型文件、贴图文件、交互界面UI文件导入引擎软件，创建场景、材质、项目文件；步骤4：调试场景材质效果，制作虚拟实验场景交互程序；步骤5：导出模拟程序PC客户端到用户计算机运行；步骤6：用户通过头戴显示器、控制器或非头戴显示设备、
键盘鼠标的控制方式进操作客户端程序；步骤7：用户进行自主漫游、交互练习后进行考试评估；步骤8：评估达到要求成绩是否合格，未达到要求成绩则返回继续练习或再次参加评估考试，所有成绩记录在后台数据库。
[0038] 以物理实验为例，除在教材中经常出现的电器元件之外，还可将出现
频率较低的如发光
二极管、电容器、单刀多掷
开关、灵敏
电流G、逻辑
电路出现的
逻辑门、简单传感器等纳入电器元件数据库的构建。接着便可利用OpenGL、Java3D、VRML、Unity3D等编程软件构建
几何模型，或凭借CAD/CAM，利用3D
扫描仪等工具对电器元件、实验器材等扫描后进行几何模型构建，
构建时遵循基本物理定律约束模型的相关属性。实验器材模型的数据库构建完毕后，从数据库中拖出电器元件放在智能
电子白板上，进行电路设计并自主调整回路中各项用电器的参数(调节电源、滑动变阻器、开关等)，而且在设计好的、可以工作的通路中，电器元件将会出现对应实验现象(如小
灯泡发亮、
表盘指针偏转)、运作当中的参数(如电流表、
电压表的示数)实时地显示给通路的设计者，以便记录数据或调整电路或改装电表再次实验等。构建好的电器元件模型可以随时拖入设计面板，被
导线连接组成各式各样的电路，遵循物理法则。“元素化”的电器在实验场景下再现经典实验，或是按照用户需求对电路元件自由组合，提高了电路设计的
自由度和实际操作的可行性。最后，虚拟实验室可以实现常见的精密测量工具：米尺、游标卡尺、百分表甚至测长仪等的
虚拟环境体验，有助于提高实验的参与度和对实现过程的理解。
[0039] 参考图4，对于化学实验，分别将实验仪器酒精灯、试管、
铁架台、
蒸发皿等、冷凝管、滴定管等纳入元件数据库的构建，将反应物和产物的名称、物理性质、化学性质录入到模型定义的属性中，按照教材中规定的化学定律触发不同场景。
[0040] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不能限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何
修改，等同替换、改进，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
