中学物理三维虚拟实验的研究与实现

论文摘要

实验是中学物理教育中的一个重要教学环节,传统的中学物理实验教学模式受时间、场地、设备条件的限制,学生缺乏自主创新、实验教学地位重视不足,实验教学中缺乏交互性的教学资源。从当前新课程标准的建立与教学改革趋势来看,基于计算机的虚拟实验教学是一个重要的发展方向。相比于传统实验教学模式,虚拟实验缓解了实验经费的不足,避免真实操作所带来的危险,彻底打破空间、时间和设备条件的限制,同时可以加强学生自主实验创新能力的培养。本文应用了计算机三维图形处理技术,结合当代教育理论,提出了一种新的中学物理实验教学模式与方法。应用了分布式认知理论、情境学习理论、建构主义理论三大理论,分别从虚拟实验建构的认知框架,情境的氛围,学习者主体原则等方面结合虚拟实验技术,对计算机三维实验内容进行了进行心理学上的重新建构,创建了中学物理虚拟实验的两级式整体结构,即一级教学实验的功能结构和演示学习模块,二级扩展实验的功能结构;并采用了EML教育建模语言将教学内容与功能结构抽象为具体实践中的教育模型。在比较研究国内外虚拟现实的几大主流技术基础之上,采用了3DMAX构建3D模型和实验场景,运用VIRTOOLS进行数据处理,交互控制,对所设计的教育模型进行了开发与实现,具体实例演示了中学物理虚拟实验的教学操作过程,充分体现了自主学习、智能交互、趣味吸引的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 现有实验教学模式的不足
• 1.1.2 改革现有实验教学模式的必要性
• 1.1.3 解决方法的提出
• 1.2 虚拟实验的概述及国内外现状分析
• 1.2.1 虚拟实验的概述
• 1.2.2 国内外现状分析
• 1.3 课题来源、研究目标及创新点
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 创新点
• 第二章 虚拟现实的实现技术
• 2.1 虚拟现实技术概述、特征及关键技术
• 2.1.1 虚拟现实概述
• 2.1.2 虚拟实现的特征
• 2.1.3 虚拟现实关键技术
• 2.2 相关虚拟现实技术
• 2.2.1 VRML 技术
• 2.2.2 OpenGVS 技术
• 2.2.3 VEGA 技术
• 2.2.4 BH GRAPH 技术
• 2.3 VIRTOOLS
• 2.3.1 VIRTOOLS 概念
• 2.3.2 VIRTOOLS 模组介绍
• 2.3.3 VIRTOOLS 的特点及应用
• 第三章 教育理论与虚拟实验
• 3.1 分布式认知理论与虚拟实验
• 3.1.1 分布式认知理论的基本概念
• 3.1.2 分布式认知理论的两种模型
• 3.1.3 分布式认知理论对创设虚拟实验环境的启示
• 3.2 情境学习理论与虚拟实验
• 3.2.1 情境学习理论的基本概念
• 3.2.2 情境学习理论的实施策略
• 3.2.3 情境学习理论对创设虚拟实验环境的启示
• 3.3 建构主义理论与虚拟实验
• 3.3.1 建构主义理论的基本概念
• 3.3.2 建构主义理论来分析虚拟实验在教育教学中的应用价值
• 3.3.3 建构主义理论对创设虚拟实验环境的启示
• 第四章 中学物理三维虚拟实验的设计
• 4.1 中学物理三维虚拟实验的设计思想
• 4.2 中学物理三维虚拟实验的教学建模
• 4.2.1 建模语言EML 概述
• 4.2.2 中学物理三维虚拟实验的教学模型
• 4.3 中学物理三维虚拟实验的功能结构
• 4.3.1 总体功能结构
• 4.3.2 一级实验功能结构
• 4.3.3 二级趣味实验功能结构
• 第五章 中学物理三维虚拟实验的实现
• 5.1 虚拟实验开发流程
• 5.1.1 实验环境、器材的构建
• 5.1.2 交互及数据的控制
• 5.1.3 虚拟实验的发布
• 5.2 一级实验模块实现
• 5.2.1 器件箱的实现
• 5.2.2 安培表伏特表表盘读数的实现
• 5.2.3 流程控制菜单的实现
• 5.2.4 功能按钮的实现
• 5.2.5 教学评估的实现
• 5.2.6 自动漫游的实现
• 5.2.7 帮助的实现
• 5.2.8 实验状态检测和实验现象的实现
• 5.3 二级趣味实验模块实现
• 5.3.1 点燃、熄灭酒精灯的实现
• 5.3.2 添加及删除单根火柴
• 5.3.3 添加及删除多根火柴
• 5.3.4 三维环视的实现
• 5.3.5 A、B 金属丝不同材料的选择实现
• 5.3.6 火柴物理属性的设置
• 5.3.7 火柴下落现象的判断和实现
• 第六章 中学物理三维虚拟实验教学实例
• 6.1 一级实验—伏安法测电阻实例
• 6.2 二级趣味实验—演示固体导热性实例展示
• 结语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目