面向中学物理的虚拟实验平台的设计与实现

论文摘要

物理是一门以实验为基础的科学,物理实验不仅是物理教学的重要内容和学习方式,也是物理教学的教学目标之一。伴随着虚拟实验技术的发展,网络虚拟实验室以其高度仿真性、强大交互能力、可扩展性、数据处理能力以及随时随地的网络功能弥补了传统物理实验教学对学习方式的限制、时空限制及条件限制等问题。调研发现,目前面向教学的虚拟实验室主要面向大学教育,并存在重技术轻理论、缺乏对学科特征和学习者特征分析、缺乏实验管理平台等问题。论文采用案例分析法、系统分析法、软件建模与实现方法,尝试在中学传统物理实验教学中引入虚拟实验技术,探索一种虚实结合的实验教学模式。通过充分发挥虚拟实验和传统实验各自的优越性,推进物理学习方式向自主学习、探究学习和合作学习方向发展,推进中学物理教学向素质教育目标方向发展,并依此设计并实现了一个面向中学物理的适合于教师实验教学和学生自主实验的网络虚拟实验室。论文的研究成果有：(1)分析了真实实验和虚拟实验各自对中学物理实验教学的优势和限制,从加涅的学习结果分类系统理论和混合式学习理论角度,提出虚实结合的中学物理实验教学模式的构建方式。(2)采用三层体系结构,完成了网络虚拟实验平台中系统管理系统、虚拟实验系统、辅助支持系统三个子系统的设计和开发。论文的创新之处在于：(1)针对中学物理学科特征和网络学习的特征,尝试提出并实现一种适用于中学物理教师和学习者的虚拟实验平台模型。(2)从混合式学习的角度和学习结果分类系统理论的角度对如何利用平台构建虚实结合的中学物理实验教学模式的方法给出建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及问题提出
• 1.2 研究目标与研究意义
• 1.3 研究内容与研究方法
• 第二章 面向中学物理的虚拟实验平台的研究基础
• 2.1 概念界定
• 2.1.1 虚拟实验
• 2.1.2 虚拟实验室
• 2.1.3 网络虚拟实验系统
• 2.2 相关研究综述
• 2.2.1 国内外虚拟实验系统的发展
• 2.2.2 面向教学的虚拟实验系统的研究
• 2.3 研究的理论基础
• 2.3.1 学习理论
• 2.3.2 系统科学理论
• 2.3.3 软件设计理论
• 第三章 虚实结合的中学物理实验教学模式的构建
• 3.1 中学物理真实实验与虚拟实验的宏观分析
• 3.1.1 中学物理真实实验教学面临的不足
• 3.1.2 中学物理虚拟实验教学的优势
• 3.1.3 中学物理虚拟实验教学的限制
• 3.2 中学物理实验教学目标分析
• 3.2.1 加涅的学习结果分类系统理论
• 3.2.2 新课标下中学物理实验教学目标
• 3.3 混合式学习与学习结果分类理论下的新思考
• 3.4 中学物理真实实验与虚拟实验的微观分析
• 3.4.1 真实实验与虚拟实验对提高言语信息的作用
• 3.4.2 真实实验与虚拟实验对提高智力技能的作用
• 3.4.3 真实实验与虚拟实验对提高动作技能的作用
• 3.4.4 真实实验与虚拟实验对提高态度的作用
• 3.4.5 真实实验与虚拟实验对学习者的必要性与有效性分析
• 3.5 虚实结合的中学物理实验教学模式的构建
• 第四章 面向中学物理的虚拟实验平台的结构功能设计
• 4.1 平台的设计原则与目标
• 4.1.1 平台的设计原则
• 4.1.2 平台的总体设计目标
• 4.2 平台的需求分析
• 4.2.1 中学物理学科分析
• 4.2.2 平台使用对象分析
• 4.3 平台的总体设计
• 4.3.1 平台的分层体系结构设计
• 4.3.2 平台模块的层次结构
• 4.4 平台模块的功能设计
• 4.4.1 系统管理系统功能设计
• 4.4.2 虚拟实验系统功能设计
• 4.4.3 辅助支持系统功能设计
• 4.5 相关技术和开发环境
• 4.5.1 开发环境
• 4.5.2 相关技术
• 4.6 物理学相关算法简介
• 4.6.1 力学引擎——Box2D Physics Engine
• 4.6.2 光学算法
• 4.6.3 波学算法
• 第五章 面向中学物理的虚拟实验平台子系统——电学实验模块详细设计及实现
• 5.1 电学实验模块的总体设计思路
• 5.2 电路分析和程序的科学计算方法
• 5.2.1 电路的抽象图的表示
• 5.2.2 电路方程的建立与求解
• 5.3 系统分析建模
• 5.3.1 系统静态模型
• 5.3.2 系统动态模型
• 5.4 系统核心算法设计与实现
• 5.4.1 节点合并方法的实现
• 5.4.2 不含内阻电压源与含内阻电压源两种节点电压求解方法的实现
• 5.4.3 实时动态现象的实现
• 第六章 面向中学物理的虚拟实验平台已实现功能展示
• 6.1 虚拟实验系统
• 6.1.1 电学实验模块
• 6.1.2 力学实验模块
• 6.1.3 光学实验模块
• 6.1.4 波学实验模块
• 6.2 辅助支持系统
• 6.2.1 在线答疑模块
• 第七章 结束语
• 7.1 研究总结
• 7.1.1 主要工作
• 7.1.2 创新点
• 7.2 未来工作
• 附录
• 附录1:矩阵计算
• 附录2:合并节点
• 附录3:删除节点支路中的冗余信息
• 注释
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢