物理实验软件平台模式的探究

论文摘要

物理是一门实验性的学科,物理学所表达的定律,绝大多数是通过实验探索得到的,也就是通过大量实验进行观察、取得数据、加工整理、运用数学工具,最终将大量的数据上升为规律。重要的实验结果往往可以更新物理观念,直接影响科学技术的进步。由此可以看到物理实验在物理教学中的重要性,因此,在物理学习过程中,实验是学习物理、掌握物理规律、探索物理规律的重要环节。随着现代科学技术及计算机技术的飞速发展,计算机辅助物理实验教学,在模拟实验过程、演示实验原理、进行数据处理、实验控制和测量等方面都有广泛的应用,这也有力地促进了实验教学的改革步伐。在计算机辅助物理实验教学中,物理实验软件起着举足轻重的作用,这是教学改革的一个突破口。目前,物理实验软件急需发展,软件的设计模式多种多样,质量也是参差不齐,因此,对物理实验软件开发模式的探究也越来越重要。本文在对物理实验软件开发模式的研究过程中,首先研究了当前的设计模式,并总结出当前主要有以下几种物理实验软件:文本录入式、动画/录像式、几何作图式和工具式。在此基础上,本文提出了创建以实验本身作为实体单元的三维仿真智能平台和创建以实验元件为实体单元的三维仿真智能平台两种物理实验软件的开发模式。针对这两种开发模式,分别提出了实现方案。在技术上,我们采用面向对象设计模式方法技术,以Visual C++作为开发平台,并使用OpenGL实现三维仿真。在系统实现过程中,除了提供基本的物理实验、器材属性的设置等功能外,还提供了实验报告的生成、实验数据的显示和导出、实验现场的保存和恢复等功能,能较好地满足师生教与学的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Table of Content
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 已有的实验软件开发模式
• 1.3 研究目的
• 1.4 研究意义
• 1.5 研究内容
• 第二章 新模式的提出
• 2.1 新模式的提出
• 2.2 新的开发模式的应用
• 2.3 智能平台带来的好处
• 2.4 基于新模式下的平台的需求分析
• 2.4.1 物理实验的特点和模式应用
• 2.4.2 平台实现的需求分析
• 第三章 平台的选择
• 3.1 OpenGL简介
• 3.2 在VC中使用OpenGL的方法
• 第四章 第一类开发模式的实现方案及应用
• 4.1 需求分析
• 4.2 系统分析以及系统结构
• 4.2.1 系统分析
• 4.2.2 系统结构
• 4.3 设计实现关键技术
• 4.3.1 三维建模
• 4.3.2 纹理贴图技术
• 4.3.3 导入纹理
• 4.3.4 将纹理贴图到几何图形上
• 4.4 功能分析及其实现
• 4.4.1 实验场景及器材模型的创建
• 4.4.2 运动控制和轨迹的绘制
• 4.4.3 实验控制
• 4.4.4 实验器材的缩放和移动
• 4.4.5 实验数据的生成
• 4.4.6 实验器材属性的设置
• 4.5 平抛物体的运动实验的实现
• 4.5.1 实验原理和实验目的
• 4.5.2 小球运动控制的数学描述
• 4.5.3 主要实现代码
• 4.6 摩擦力实验的实现
• 4.6.1 运动控制数学描述
• 4.6.2 主要实现代码
• 4.6.3 运动过程及其轨迹绘制
• 第五章 第二类开发模式的实现方案
• 5.1 总体设计思路
• 5.2 元件类的设计
• 5.2.1 基类CLabObject
• 5.2.2 纹理类（CTexture）
• 5.2.3 纹理图片类（CTextureImage）
• 5.2.4 点类（CLabPoint）
• 5.2.5 电流表类（CLabAmper）
• 5.2.6 电压表类（CLabVoltage）
• 5.2.7 电源类（CLabBattery）
• 5.2.8 灯泡类（CLabBulb）
• 5.2.9 金属导体类（CLabConductor）
• 5.2.10 普通电阻类（CLabResistance）
• 5.2.11 滑动变阻器类（CLabRheostat）
• 5.2.12 开关类（CLabSwitch）
• 5.2.13 导线类（CLabBezier）
• 5.2.14 导线连接点类（ClabNode）
• 第六章 动力学部分实验举例
• 6.1 主界面
• 6.2 动力学实验操作过程
• 6.3 动力学实验中的功能使用
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文、教材