基于Virtools的初中化学虚拟实验的研究与设计

论文摘要

随着计算机技术和虚拟现实技术的迅速发展,虚拟实验技术日渐成熟和完善。不断深化的教育教学改革,对实验教学在培养学生的科学研究能力和综合素质等方面提出了更高的要求。实验教学的教学内容、教学模式、教学方法迫切需要革新与完善。这些使得虚拟实验在教学中的应用从理论研究走向了实际应用。虚拟实验不仅能够极大程度地降低实验成本,还能够保证众多学生在不受时间和空间限制的情况下共享实验资源,是实验教学有益的辅助手段。本文首先阐述了初中化学虚拟实验的研究背景,对研究目的与意义进行了探讨,介绍和分析了虚拟实验的国内外研究状况,并对我国现阶段初中化学虚拟实验研究及应用现状进行了简要的分析;深入探讨了开发虚拟实验的理论基础、虚拟实验系统的含义及特点、虚拟实验系统的分类、技术背景和今后的发展方向等,对虚拟实验的实现技术进行了介绍与对比;分析了目前初中实验教学的特点和存在的问题;以初中化学实验《实验室制取氧气》为例,利用Virtools、Maya等软件工具设计开发了初中化学虚拟实验,较为详细地介绍了系统的功能模块的架构,分析阐述了相应的关键技术,并对虚拟实验的开发方法进行了探讨和总结。在本文最后,结合个人在系统开发设计中的体会和系统存在的不足,对以后工作中需要进一步深入研究的几个方面做了一个简单的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及问题的提出
• 1.2 虚拟现实与虚拟实验
• 1.3 虚拟实验在国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文的研究内容及意义
• 1.5 论文的结构
• 第二章 虚拟实验的研究
• 2.1 教育理论与虚拟实验
• 2.1.1 认知理论
• 2.1.2 建构主义理论
• 2.1.3 情境认知理论
• 2.2 虚拟实验系统的含义
• 2.3 虚拟实验系统的分类
• 2.4 虚拟实验的特点
• 2.5 虚拟实验的技术背景
• 2.6 虚拟实验的发展方向
• 第三章 化学虚拟实验的开发准备
• 3.1 虚拟实验开发设计原则
• 3.2 开发化学虚拟实验的需求分析
• 3.2.1 开发前提及面向对象分析
• 3.2.2 初中化学实验教学的现状分析
• 3.2.3 化学虚拟实验实例设计目标
• 3.3 化学虚拟实验的定位
• 3.4 虚拟实验的实现技术对比
• 第四章 主要开发工具VIRTOOLS
• 4.1 VIRTOOLS 概述
• 4.2 VIRTOOLS 的架构
• 4.3 VIRTOOLS 的执行流程
• 4.4 VIRTOOLS 4.0 包含的五个关键组件
• 第五章 三维虚拟实验场景的设计与实现
• 5.1 虚拟实验中模型的特点及作用
• 5.2 虚拟实验场景的创建
• 5.3 材质贴图的制作
• 5.3.1 UV 编辑
• 5.3.2 贴图的绘制
• 5.4 虚拟实验场景的优化
• 第六章 系统功能模块的设计及关键技术的实现
• 6.1 虚拟实验系统功能模块综述
• 6.2 交互功能的实现
• 6.2.1 交互设计原则
• 6.2.2 基本交互功能——选择、移动和旋转
• 6.2.3 虚拟仪器的装配
• 6.2.4 实验中的反馈信息
• 6.3 数据信息的存储
• 6.4 特效设计与实现
• 6.5 实验过程的控制
• 6.6 作品的发布
• 第七章 测试与评价
• 7.1 运行测试
• 7.2 功能与效果展示
• 7.3 试用与评价
• 第八章 总结与展望
• 8.1 系统功能的特点和优点
• 8.2 存在的问题和不足
• 8.3 下一步研究工作重点与方向
• 参考文献
• 致谢
• 研究生在校期间的科研成果