基于VRML大学物理虚拟实验设计和实现的研究

论文摘要

在传统的教育过程中,理论知识的学习与实验技能的提高之间的矛盾越来越突出,传统的实验教学方式在现代教育体系中越来越难以生存。然而随着多媒体技术与网络技术的迅速发展,它们给教育带来了新的发展机遇,虚拟实验在这种环境下应运而生。虚拟实验是一种借助于图形图像、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的,可辅助或部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的软硬件操作环境。本文正是在对虚拟实验的国内外现状进行分析的基础上,对基于VRML的虚拟实验的设计与实现问题进行研究,并以大学物理演示实验为例进行实践。本论文首先通过文献调研、网络搜索等方式对虚拟技术国内外的研究现状进行梳理,并对现有的虚拟实验软件技术进行比较的基础上,结合大学物理的实验项目特点,确定采用VRML技术进行开发;其次分析了虚拟实验设计开发的理论基础,并分别阐述了混合式学习理论、探究式学习理论、情景式学习理论和相似学理论的内涵、特点以及对虚拟实验的支持;接着从功能、工作原理、浏览器和编辑器以及重要概念这几个方面对VRML语言进行详细介绍;然后对VRML技术的建模方法、交互技术和优化策略进行研究并做了详尽的阐述;最后通过对大学物理实验的前端分析,并与VRML技术的结合设计实现弹性碰撞、圆锥爬坡和电磁感应的虚拟实验。本研究成果对于改进虚拟实验教学提高实验效果,尤其对现实中学生多、器材少或者难以直接实现的实验项目,提供了一条有效的解决途径,促进实验教学的网络化、现代化具有现实意义和实践意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文的研究内容及研究方法
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 论文的研究方法
• 1.4 论文的组织框架
• 第2章 虚拟实验设计与实现的理论基础
• 2.1 混合式学习理论
• 2.1.1 混合式学习理论的内涵
• 2.1.2 混合式学习的特点
• 2.1.3 混合式学习对虚拟实验的支持
• 2.2 探究式学习理论
• 2.2.1 探究式学习理论的内涵
• 2.2.2 探究式学习的特征
• 2.2.3 探究式学习的教学模式
• 2.2.4 探究学习理论对虚拟实验的支持
• 2.3 情景认知理论
• 2.3.1 情景认知理论的含义
• 2.3.2 情景认知理论的关键特征
• 2.3.3 情景认知理论对虚拟实验的支持
• 2.4 相似学理论
• 2.4.1 相似学理论概述
• 2.4.2 相似学的基本概念
• 2.4.3 相似的类型
• 2.4.4 相似学理论对虚拟实验的支持
• 第3章 虚拟现实建模语言 VRML
• 3.1 认识 VRML 语言
• 3.1.1 VRML 的发展
• 3.1.2 VRML 的功能概述
• 3.2 VRML 的工作原理
• 3.3 VRML 浏览器及编辑器
• 3.4 VRML 文件中的重要概念
• 3.4.1 节点和域
• 3.4.2 事件体系
• 第4章 VRML 构建虚拟实验方法的研究
• 4.1 VRML 技术建模方法的研究
• 4.1.1 实验对象几何建模
• 4.1.2 实验对象的物理建模
• 4.1.3 实验对象的行为建模
• 4.2 VRML 语言交互技术的研究
• 4.2.1 VRML 交互原理
• 4.2.2 VRML 交互方式
• 4.3 VRML 的优化技术
• 4.3.1 有效地描述场景，减少文件大小
• 4.3.2 提高 VRML 文件的执行效率
• 第5章 大学物理虚拟实验的设计与实现
• 5.1 虚拟实验项目的前端分析
• 5.1.1 虚拟实验需求分析
• 5.1.2 学习者特征和教师角色分析
• 5.1.3 虚拟实验内容的再组织
• 5.2 实验项目的设计与实现
• 5.2.1 实验项目的几何建模
• 5.2.2 实验项目的动态交互
• 5.2.3 实验的优化策略
• 5.2.4 实验项目存在的不足
• 结论
• 1.总结
• 2.创新之处
• 3.研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的论文目录