一种基于虚拟现实技术的实时互动化学实验教学系统
技术领域
本实用新型涉及教学系统领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的实时互动化学实验教学系统。
背景技术
虚拟现实技术（VR）是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。随着虚拟现实技术的普及以及在教育中的广泛应用，VR教学已成为VR应用中的一个重要分支。
化学实验教学是各大高校化学专业实验教学的重要组成部分，目前大多数高校化学实验通常要求老师现场指导学生动手操作实验仪器和实验药品，由于实验课上老师数量有限，在实验教学中无法及时指出每位学生在实验中出现操作不规范、无法对每位学生遇到的问题及时解答、无法按照化学实验教学大纲的操作步骤和操作规范对每位学生的实验进行整体的评价。应用虚拟现实技术改变传统的化学实验教学模式，具有实用性和可操作性。
而目前传统的VR教学系统仅能在单终端使用，无法进行多终端联动，无法实现实时的师生互动；同时教学方式偏向于老师讲解、学生体验、同组观摩的方式，同时参与人数较少；虽然处于VR操作者位置的参与者可以以较深的沉浸感参与其中，但对于旁观人员，则缺乏真实的临场体验。因此，虚拟现实设备只能用以辅助用户或教员进行示范讲解，无法实现危险实验的操作、模拟。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于虚拟现实技术的实时互动化学实验教学系统，教师和学生之间能够实时互动，提高教学质量。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于虚拟现实技术的实时互动化学实验教学系统，包括教师端、学生端以及服务器端，所述教师端用于教师进行VR实验教学，所述VR实验教学包括实验演示、实验过程控制及对实时互动内容的设置，所述学生端用于学生进行VR实验学习，所述VR实验学习包括VR实验操作、实时互动，所述服务器分别与教师端、学生端通过网络进行连接并用于支撑系统的运行，所述教师端和学生端之间可通过服务器进行间接且实时的数据交互。
本实用新型有益效果：教师端、学生端与服务器分别通过网络进行连接，实现相互之间数据的收发，利用服务器的运算和处理能力支撑整个系统的运行，能够降低教师端、学生端的硬件配置成本，同时使师生均可以在VR情境下进行教学互动，增加了化学模拟实验互动性和真实性，提高了实验模拟效果，降低了化学实验练习带来的危险性和练习成本，将VR操作式教学与实时互动结合在一起，改变学生以往单纯接收的听课模式，提高了学生的参与度。
进一步地，所述教师端、学生端均包括有计算机以及与计算机相连接的摄像头、话筒和VR穿戴设备，教师端的计算机还连接有投影设备，教师端的计算机用于教师进行课程安排以及查询实验资料，教师端的摄像头用于拍摄教师上课视频，教师端的话筒用于采集教师的声音，教师端的VR穿戴设备用于教师进行VR情境下的教学活动，学生端的计算机用于学生在课堂上进行互动和查询相关资料，所述摄像头用于拍摄学生在学习过程中活动，所述话筒用于采集学生的声音，学生端的VR穿戴设备用于学生进行在教室内VR情境下的学习。
进一步设置带来的效果是：摄像头、话筒和VR穿戴设备等人机交互设备的设置能够提高教师和学生之间的远程互动效果，对于教师而言可以实时掌握学生的上课状态，有助于教师对实验效果以及课堂几率的把控，学生则可以随时录制教师上课视频，便于学生课后重复观看学习，VR穿戴设备可用于在虚拟环境下进行化学实验操作，提高实验过程的安全性。
进一步地，所述VR穿戴设备包括VR眼镜、VR手柄和VR头盔。
进一步设置带来的效果是：通过VR眼镜、VR手柄和VR头盔能够提升虚拟实验过程中的真实感，提高教学效果。
进一步地，所述服务器包括中央处理模块、视频录制观看模块、数据存储模块、VR课堂提醒模块和VR课堂实时互动模块，所述中央处理模块连接视频录制观看模块、数据存储模块、VR课堂提醒模块和VR课堂实时互动模块；所述中央处理模块用于综合处理数据运算，所述视频录制观看模块用于教师提前录制视频和学生观看录制视频，所述数据存储模块用于存储教学互动产生的数据，所述VR课堂提醒模块用于在VR情境下单独提醒走神的学生，所述VR课堂实时互动模块用于师生进行VR互动教学。
进一步设置带来的效果是：中央处理模块是整个系统运算处理的核心，视频录制观看模块用于教师提前录制视频和学生观看录制视频，数据存储模块用于存储教学互动产生的数据，当然也可用于存储教师上课录制的视频、教学课件、实验资料等数据，VR课堂提醒模块在VR情境下可单独提醒走神的学生，提高上课的纪律，所述VR课堂实时互动模块用于学生端和教师端之间互联，从而实现师生之间VR互动教学。
进一步地，所述VR课堂实时互动模块用于监控学生的特定操作，并能够在识别到学生执行特定操作时启动互动流程，所述VR课堂实时互动模块也能由教师端主动启动。
进一步设置带来的效果是：例如VR课堂实时互动模块在识别到学生发起实验操作请求时，能够启动互动流程，教师能够对该学生的实验操作过程进行观察。
进一步地，所述教师端、学生端和服务器之间通过有线或无线连接，并处在同一局域网内。
进一步设置带来的效果是：教师端、学生端和服务器之间通过有线或无线方式处在同一局域网内，方便各端和服务器之间数据的高速传输，降低延迟。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构框图。
具体实施方式
本实用新型一种基于虚拟现实技术的实时互动化学实验教学系统的实施例如图所示：包括教师端、学生端以及服务器端，所述教师端用于教师进行VR实验教学，所述VR实验教学包括实验演示、实验过程控制及对实时互动内容的设置，所述学生端用于学生进行VR实验学习，所述VR实验学习包括VR实验操作、实时互动，所述服务器分别与教师端、学生端通过网络进行连接并用于支撑系统的运行，所述教师端和学生端之间可通过服务器进行间接且实时的数据交互。
所述教师端、学生端均包括有计算机（含显示器、主机、键鼠等配件）以及与计算机相连接的摄像头、话筒和VR穿戴设备，教师端和服务器之间以及学生端和服务器之间通过计算机的有线网卡或无线网卡进行连接，教师端的计算机还连接有投影设备，投影设备用于展示教师的教学课件，服务器上配备有VR软件，通过服务器的运算处理能力搭建起VR虚拟世界，通过教师端、学生端可以在该VR虚拟世界中进行化学实验操作，教师端的计算机用于教师进行课程安排以及查询实验资料，教师端的摄像头用于拍摄教师上课视频，教师端的话筒用于采集教师的声音，学生可在课堂现场通过学生端的计算机查看教师的上课直播，也可以在课后查看保存下来的上课录像，教师端的VR穿戴设备用于教师进行VR情境下的教学活动，通过VR穿戴设备能够操作虚拟人物在VR虚拟世界中进行化学实验演示，同时也能够在学生端展示给学生观看，学生端的计算机用于学生在课堂上进行互动和查询相关资料，所述摄像头用于拍摄学生在学习过程中活动，所述话筒用于采集学生的声音，学生端拍摄的学生视频以及采集的声音也可以在教师端进行查看，方便老师把握学生的上课情况，学生端的VR穿戴设备用于学生进行在教室内VR情境下的学习，通过VR穿戴设备能够操作虚拟人物在VR虚拟世界中进行化学实验操作。
所述VR穿戴设备可以是市面上常见的VR设备，例如HTC VIVE，其包括有VR眼镜、VR手柄和VR头盔。VR眼镜上带有显示模块，VR手柄、VR头盔上设置有定位仪，VR手柄可操作虚拟人物手部动作。
所述服务器包括中央处理模块、视频录制观看模块、数据存储模块、VR课堂提醒模块和VR课堂实时互动模块，所述中央处理模块连接视频录制观看模块、数据存储模块、VR课堂提醒模块和VR课堂实时互动模块；所述中央处理模块用于综合处理数据运算，所述视频录制观看模块用于教师提前录制视频和学生观看录制视频，所述数据存储模块用于存储教学互动产生的数据，所述VR课堂提醒模块用于在VR情境下单独提醒走神的学生，所述提醒可以是由系统自主识别出学生的上课状态进行提醒，也可以由教师端主动发起提醒，所述VR课堂实时互动模块用于师生进行VR互动教学。
所述VR课堂实时互动模块用于监控学生的特定操作，例如学生发起的实验操作请求、发起的提问请求等，并能够在识别到学生执行特定操作时启动互动流程，所述VR课堂实时互动模块也能由教师端主动启动。
所述教师端、学生端和服务器之间通过有线或无线连接，并处在同一局域网内。
本实用新型的教师端和学生端可以采用一对多进行连接，教师在进行VR化学实验操作时，其他学生可以现场参与“围观”，当然，其中一些学生在进行VR化学实验操作时，教师及其他学生也能够进行“围观”，能够有效提高学生的积极性，提高教学质量。
以上实施例，只是本实用新型优选地具体实施例的一种，本领域技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都包含在本实用新型的保护范围内。
