一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法
阅读说明：本技术 一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法 (Method for constructing waveform of mechanics virtual simulation experiment ) 是由 李金勇 张中雷 黄武 于 2021-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法,属于数据传输处理技术领域,解决了目前虚拟仿真实验波形影响观察分析效果的问题,包括：导出虚拟仿真实验所需数据；将数据处理为图形与实体实验波形对比；采用函数工具对实验波形进行处理；对处理后的数据,插入散点图或者折线图,判断其与真实实验波形理论和变化趋势是否一致；对数据进行校验和格式化,生成json数据文件；搭建前端波形显示UI界面框,通过HTML5加载json数据文件,对数据进行反演；编写脚本代码,配置功能参数；检测功能参数；封装形成虚拟仿真实验波形。本发明用于虚拟仿真实验波形构建,构建出的波形与实体实验波形相似度高且可灵活调整。(The invention discloses a method for constructing a waveform of a mechanomotive virtual simulation experiment, belongs to the technical field of data transmission and processing, solves the problem that the waveform of the current virtual simulation experiment influences the observation and analysis effects, and comprises the following steps: exporting data required by a virtual simulation experiment; processing the data into graphs and comparing the graphs with the entity experiment waveforms; processing the experimental waveform by using a function tool; inserting a scatter diagram or a line diagram into the processed data, and judging whether the processed data is consistent with the real experimental waveform theory and the change trend; the data is checked and formatted to generate a json data file; constructing a front-end waveform display UI interface frame, loading a json data file through HTML5, and inverting the data; compiling script codes and configuring functional parameters; detecting a functional parameter; and packaging to form a virtual simulation experiment waveform. The method is used for constructing the virtual simulation experiment waveform, and the constructed waveform has high similarity with the entity experiment waveform and can be flexibly adjusted.)
技术领域
本发明属于数字信息传输处理技术领域，具体涉及一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法。
背景技术
虚拟仿真实验是通过依托多媒体、仿真技术、虚拟现实、人机交互、数据库和网络通讯技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，让学生可以在虚拟环境中开展实验，最终实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，是学科专业与信息技术深度融合的产物。这种方式能够节约大量实体资源，并避免部分实体实验对环境的污染。而机能学虚拟仿真实验，即采用以上方法构建虚拟机能学实验室，在虚拟环境中完成生理学、药理学以及病理生理学相关实验手术操作和实验波形分析，其中实验波形包含了动物的血压波形、呼吸波形、肌张力波形、脑电波形等等。对虚拟实验波形进行的分析，避免了某些实体实验中，实验复杂度高导致实验失败无法观察实验波形的弊端，同时提高了学生学习机能学实验的兴趣和积极性。
目前机能学虚拟仿真实验波形的构建方法有两种：
第一种是采用Adobe Flash或者Adobe Photoshop软件根据实验波形需求或已有实验波形图进行临摹描绘。此方法只能绘制变化程度较为简单的实验波形，对波形趋势变化复杂且无规律的波形无法实现，且绘制时间长、工作量大，同时完成后的虚拟实验波形无法实现波形的增益以及扫描速度的调节，学生无法将波形进行展开，进行细节的观察，影响学生对知识点的分析。
第二种是采用算法，根据实际需要的波形走向，使用函数对其进行模拟生成。此方法对制作者的数学功底要求较高，制作的波形可以实现增益以及扫描速度的调节，但是由于函数模拟生成的波形较为理想化，如血压波形每个周期内血压曲线走势基本一样，无法复制出真实波形中每个周期内曲线的差异，从而影响实际教学效果。
发明内容
本发明的目的在于：
为解决现有技术中的虚拟仿真实验波形构建方法制作出的波形周期曲线走势固定化和理想化，导致与真实波形曲线的差异大，影响观察分析效果的问题，提供一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法，包括如下步骤：
步骤A：导出虚拟仿真实验所需数据；
步骤B：将导出数据在Excel表格中处理为图形后与实体实验波形进行对比；
步骤C：在Excel表格中采用函数工具对实验波形进行处理，得到处理后的数据；
步骤D：对处理后的数据，插入散点图或者折线图，判断其与真实实验波形理论和变化趋势是否一致，以此来判定处理后的数据是否符合波形需求，若不符合需求则重复步骤C；
步骤E：对数据进行校验和格式化；
步骤F：使用HTML5以及CSS搭建前端波形显示UI界面框，通过HTML5请求的方式，加载json数据文件，对格式化后的数据进行反演；
步骤G：通过JavaScript编写脚本代码，对功能参数进行配置，所述功能参数包括增益、扫描速度和时间轴等；
步骤H：将配置后的功能参数加入到HTML5绘制的波形反演程序中进行调试，并检测功能参数是否正常，若功能参数不正常则重复步骤G；
步骤I：对最终生成的波形采用SCROM标准对其进行封装，形成含仿真实验波形的SCROM标准课件。
进一步地，所述步骤A的方法为：根据虚拟仿真实验需求，使用生物信号采集系统打开实体实验中采集到的实体实验波形，选中虚拟仿真实验中需要的部分波形，导出为数据txt文档。
进一步地，所述步骤B的方法为：打开导出的原始数据文档，将导出的原始数据输入至Excel表格中，对导出的数据插入散点图或折线图，与生物信号采集系统中选中导出的部分波形进行对比是否完全一致，以此确定原始数据导出是否正确，若导出错误则重复步骤A。
进一步地，所述步骤C中采用Excel表格自带的函数工具进行处理的方法为：通过IF条件函数对阈值进行分割，对实验波形的整体基线、整体波形幅值进行调整，对不同区域的波形走向进行调整，得出处理后的数据。
进一步地，所述步骤E的方法为：将步骤D判定后的数据输入校验格式化工具中，自动执行校验程序，检查是否存在非数字格式的数据点；若存在，校验程序自动将其校正为数字格式；若不存在，则数据进入格式化程序，将处理后的原始数据转化为标准格式，并生成一个json数据文件。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过将实体实验中采集到的生物信号原始数据导出，通过Excel表格对原始数据进行处理，利用Html5技术对波形进行实时反演，从而可快速生成能够调节增益和扫描速度的波形，同时该波形是对实体实验波形的一种反演，完全复制了真实实验波形走向和周期间的差异，使虚拟实验真实度更高，增加学生学习兴趣和教学效果。
2、本发明的方法制作机能学虚拟仿真实验波形时，可依据生物信号采集系统中采集到的典型实验波形，短时间内快速地生成不同实验、不同类型生理指标的虚拟实验波形；使用者学习虚拟波形时可放大波形查看波形细节，可调节增益观察波形幅度，可调节时间轴对前后波形进行对比分析，应用更灵活。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明其中一种实施方式下的原始数据波形图；
图3为本发明采用Excel表格处理数据的流程示意图；
图4为本发明Html5图形绘制数据反演流程示意图；
图5本发明其中一种实施方式下生成的虚拟实验波形；
图6为SCROM封装脚本代码示例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在机能学实体实验中，动物的生理指标如呼吸、血压、肌张力、脑电等参数，会通过换能器进行转换，并通过信号采集系统进行采集和分析，能够对波形进行参数设置，如波形增益调节、扫描速度的调节、时间轴的调节等，以便学生对真实实验波形进行观察和分析。
建设虚拟仿真实验要遵循“能实不虚，虚实结合”的原则，其中对实验结果要求数据要来源于真实实验结果，符合真实实验规律。对于机能学虚拟仿真实验波形要求最大程度还原其真实实验波形的真实度，学生在学习虚拟实验过程中，能够满足像真实实验一样对波形进行增益、扫描速度以及时间轴的调节，以便达到更好的以虚补实、虚实结合的效果。
因此制作机能学虚拟仿真实验波形可将实体实验过程中生物信号采集系统所采集到的生理指标数据充分利用起来，实施方式如下：
实施例1
一种机能学虚拟仿真实验波形构建方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤A：导出虚拟仿真实验所需数据；
步骤B：将导出数据在Excel表格中处理为图形后与实体实验波形进行对比；
步骤C：在Excel表格中采用函数工具对实验波形进行处理，得到处理后的数据；
步骤D：对处理后的数据，插入散点图或者折线图，判断其与真实实验波形理论和变化趋势是否一致，以此来判定处理后的数据是否符合波形需求，若不符合需求则重复步骤C；
步骤E：对数据进行校验和格式化；
步骤F：使用HTML5以及CSS搭建前端波形显示UI界面框，通过HTML5请求的方式，加载json数据文件，对格式化后的数据进行反演，如图4所示；
步骤G：通过JavaScript编写脚本代码，对功能参数进行配置，所述功能参数包括增益、扫描速度和时间轴等；
部分功能参数配置表可如下表所示设置：
表1 部分功能参数配置表
步骤H：将配置后的功能参数加入到HTML5绘制的波形反演程序中进行调试，并检测功能参数是否正常，波形的功能性参数检测应该以实体生物信号采集系统功能作为标准，如可实现波形扫描速度、时间轴、幅值增益、直流偏移等功能调节，波形的理论知识检测应该根据动物正常的生理指标作为检测标准，如家兔正常动脉血压应该95～130mmHg之间，正常心率应该保持在258±2.8次/分，若功能参数不正常则重复步骤G；
步骤I：对最终生成的波形采用SCROM标准对其进行封装，形成虚拟仿真实验波形，如图5所示。符合SCROM标准包含两个方面内容：一是虚拟实验能正确导入平台，通过读取imsmanifest.xml获取课件基本信息，要向平台提交虚拟实验状态（未访问，未完成，完成）、分数、学习时间以及当前位置等；二是虚拟实验可以成功和平台通信，平台提供API，SCOFunctions.js调用API完成虚拟实验的初始化、完成课程本章节的学习以及注销本门课程等。部分SCROM封装脚本代码示例如图6所示。
通过将实体实验中采集到的生物信号原始数据导出，通过Excel表格对原始数据进行处理，利用Html5技术对波形进行实时反演，从而可快速生成能够调节增益和扫描速度的波形，同时该波形是对实体实验波形的一种反演，完全复制了真实实验波形走向和周期间的差异，使虚拟实验真实度更高。本发明可生成不同实验、不同类型生理指标的虚拟实验波形；使用者学习虚拟波形时可放大波形查看波形细节，可调节增益观察波形幅度，可调节时间轴对前后波形进行对比分析。
实施例2
在实施例1的基础上，所述步骤A的方法为：根据虚拟仿真实验需求，使用生物信号采集系统打开实体实验中采集到的实体实验波形，选中虚拟仿真实验中需要的部分波形，如图2所示，右键导出实验原始数据，并生成一个txt格式的文本文档。
实施例3
在实施例1的基础上，所述步骤B的方法为：打开导出的原始数据文档，将导出的原始数据输入至Excel表格中，对导出的数据插入散点图或折线图，如图3所示，与图2中生物信号采集系统中选中导出的部分波形进行对比是否完全一致，以此确定原始数据导出是否正确，若导出错误则重复步骤A。
实施例4
在实施例1的基础上，所述步骤C中采用Excel表格自带的函数工具进行处理的方法为：通过IF条件函数对阈值进行分割，优选地，采用Excel表格中自带的函数工具，对实验波形的整体基线、整体波形幅值进行调整，对不同区域的波形走向进行调整，得出处理后的数据。
实施例5
在实施例1的基础上，所述步骤E的方法为：将步骤D判定后的数据输入校验格式化工具中，自动执行校验程序，检查是否存在非数字格式的数据点，如汉字、字符等；若存在，校验程序自动将其校正为数字格式；若不存在，则数据进入格式化程序，将处理后的原始数据转化为标准格式，并生成一个json数据文件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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