虚拟实验技术在中学物理建模中的应用之计算机研究

来源: www.7225367.com 作者:vicky 发?#38469;?#38388;:2019-07-09 论文字数:26585字
论文编号: sb2019061309044626732 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇计算机论?#27169;?#26412;研究通过场景变化、动态连线、开关状态、变阻器、灯泡等实验证明了虚拟实验技术在中学物理建模中的效果。而实验结果也表明创建出针对中学物理每一个知识要点
本文是一篇计算机论?#27169;?#26412;研究以虚拟实验技术在中学物理建模中的应用研究为课题,在?#27835;?#20102;与之相关的国内外研究的基础上,对虚拟实验技术基础中的建模技术、显示技术、互交技术、功能库进行了探索,并根据研究结果,提出了中学物理虚拟实验技术建模方案。该方案中以建模目标与原则的确立为前提条件,将模型构造划?#27835;?#32467;构、环?#22330;?#24314;模,且通过框架、检测、场景、相机、渲染、光源、物体、检测、坐标、点击搭建中学物理建模场景。其中,建模部分涵盖以图像与几何模型为支撑的建模;显示部分则是于浏览器端安装的虚拟实验技术渲染引擎;而互交部分则是WebGL、Cult3D、Java3D 加之封装而组成的“Three.js”。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
虚拟实验技术是近?#25913;?#36805;速发展的现代应用技术。它是以绘图仪为基础,以感应器为载体,利用多?#25945;?#25216;术显示的虚构环境创造更好的用户体验,提高人们探究客观存在的积极性。随着新课程改革的广泛推广,现代应用技术特别是虚拟实验技术在教学工作中不断得以发展,已经被植入到当前课程教学中。
现阶段,中学物理建模教学?#28304;?#22312;诸多?#27605;蕁?#19968;是教学观念的落后,填?#38469;?#25945;育导致中学更侧重于书本知识与成绩检测,从而忽略了个性化教学的关键性,教师素?#23454;?#33391;莠不齐和课程安排的不合理直接关系到建模教学的?#20998;省?#20108;是中学资金的制约,配套设施不足和管理方法的过时导致教学质量始终处于中下游。三是建模教学体系不健全,以教师为导向、单一化的组织结构严重制约了学生的动手能力。这样既不利于培养学生的独立思考意识,也不能满足社会对学员创新素?#23454;?#22522;本需求。
基于 3D 的虚拟实验技术的?#35813;?#21457;展,促使其在不同行业特别是教育界得到合理应用,其中包括开放式教学、实战训练、数据可视化以及远程教学等。虚拟实验技术营造了较为真实的教学环境,比如虚拟漫游?#25945;ā?#23637;示厅等,颠覆了传统课堂?#35272;?#25945;材与教师的固定模式,学生还能在实操中获得深刻认识与见解。有利于调动学生的主观能动性,提升问题解决与独立思考的各项技能。随着虚拟现实技术、网络技术、计算机技术的发展与普及,虚拟实验逐渐发展成为了一项新兴的实验建模方法,而虚拟实验技术的应用,也能够拓宽中学物理建模教学的范围,促进学生高效理解教学难点。另外,虚拟实验技术也具备突破空间与时间限制、补损耗器材、安全性高、成本低等方面的优势。
.........................

1.2 国内外研究动态
从技术实现层面上看,虚拟实验是利用数码摄像机拍摄全景照片来建立一个虚构环境,或是利用 Java 语言、Flash 插件、LabVIEW 开发环境以及 3DS Max 等软件来实现,主要在生物、化学、高数、医学、物理等教学活动中得到广泛使用。现阶段,虚拟实验技术在中学物理建模中的研究主要体现在以下方面:
①中学虚拟实验?#25945;ǎ?#29992;于中学物理建模教学;
②中学和科研机构虚拟仿真?#25945;ǎ?#29992;于?#27835;?#19987;业性理科实践;
③远程物理实验?#25945;ǎ?#29992;于网络教学中数据共享。
当进入中国知网系统界面后,在搜索栏处填写“虚拟实验”就会出现大量文献资。从 2000 年到现在,物理建模中关于虚拟实验的文献已达到 113 篇,但是中学领域的参考文献只有 26 篇,大多数文献集中在高中和大学物理虚拟系?#25104;?#35745;及理论?#27835;?#19978;。
(1)国内研究动态
中国科技大学研究室主要由霍剑青、王晓蒲两位教授来负责,自 1993 年就开始从事教学?#25945;?#30340;研发与设计;随后创建了一组“物理仿真实验”技术软件,并由教育出版社发表,该软件是全球首套虚拟实验型的课堂软件,引起国内外专家的广泛重视。湖北武汉大学仿真实验中心于 2015 年正式挂牌,这是武汉大学携?#27835;?#26222;教育经过八年努力而建成的项目。主要?#26800;?#22312;校生的实验课程(如生物、化学、物理、临床医学等)和信息安全,以及面向社会的数据共享服务。物理建模教学包括综合实验、公共课/专业课实验、创新型实验等。
中南大学仿真实验室拥有一支?#30475;?#30340;建设?#28216;椋盖肓硕?#31181;高层次人才,比如院士、教授、优秀青年、教师等。经过院校的不懈追求,虚拟实验教学、在线教学?#25945;?#35774;计、在线教学资源积累已成为教学改革的又一闪光点。
........................

第 2 章 虚拟实验技术基础

2.1 建模技术
2.1.1 以几何模型为基础的建模技术
电脑里面的三维立体模型都是使用多边形进行标示,明确观察的方向与观察点之后,利用电脑里面的硬件提速功能就能够达到模型动画、光照以及?#38431;?#31561;效果,从而实现对自然环境进行模拟,完成该种模拟模型。这种建模技术的优势在于能够对观察方向与观察点进行任意更?#27169;?#23454;现程度较高的逼真性与?#20004;?#24863;。经常使用的建模软件分别是 CAD、Maya、3D  Studio  Max 等。以几何模型为基础的建模技术是最早最完善的一种构建模型的技术[13]。该技术已经广泛应用在计算机建模领域,较为典型的建模软件为 AutoDesk 公司 3DSTudio 软件,这种建模技术全部具备三维建模功能,这种方法在建模的过程中应用大规模的建模交互功能,把三维模型中的物理数据与几何图像全部导入到应用程序里面。因为应用程序按照其导入的图像进行拼接,按?#31456;?#20837;到其中的物理数据进行设置,使得模型在具备立体空间形状的同时,还能够具备相应的图像属性。该种方法的优点有精度较高、描述较完善以及支持功能繁杂的模型等,因此能够被广泛应用在加工机械、?#27835;?#21147;学以及科学计算等各个领域,如此获取的模型更为精准、真实,确保在加工模型或者计算的时候精准度更高。然而在这个过程里面要求手动对模型进行设定,并设定相关?#38382;?#20197;几何模型为基础建模技术相对复杂,所需工作量较大、过程较为复杂、效?#23454;?#19979;,在大型建模系统里面极少运用,只适合一些浏览器系统和将模型里面非几?#38382;?#25454;作为关键信息的管理系统里面,该建模技术中一些高级功能不被有效利用。以几何模型为基础的建模技术应用的过程中不够灵活,特别是在欠缺建模数据的时候,该建模技术只可以?#35272;?#27979;量技术前期的测量技术来获取相关数据方可实施。在使用以几何模型为基础建模技术的时候,模型的几何图形和渲染用到的数据全部要求单独获得,同样增添了构建模型的困难程度.
.........................

2.2 互交技术
2.2.1Java3D
在 1998 年的时候,Sun 公司第一次在浏览器器里面演示了运用了 VRML 的Java3D 程序,该程序为一个用作描绘三维立体图像的软件与 applet API。这个时候把 Java 语言的可跨?#25945;?#20248;势应用在三维立体图形的应用中,还因此能够兼容不同商?#26131;?#23450;义的与 VRML97 规范相适应的图像格式,进而促使 Java3D 这?#21046;教?#33021;够实现高性能与跨?#25945;?#36816;作;Java3D 程序灵感来自图形 API,该程序高层图像与底层图像的结构与其余高层 API 与底层 API 的优点加以综合,为研发人员提供构建与操作三维图像的办法与渲染图像的构造。Java3D 应用程序这一 API 性质为面向对象,该程序的程序编辑模型以场景里面的属性信息与数据完整描述为基础。系统在运作的时候,首先需要构造独立的图像元素,随后将该元素与场景图进行连接,灵活的渲染机制与图像描述里面隐含了 API 中繁杂的实现细节,致使程序编辑人员不用过多的思考构成图像的三角面等渲染程序代码,将更多的精力放在影像里面形体本身以及形体组成结构,使得程序编辑人员将更多的精力放在繁杂功能程序的实现方面。
2.2.2Cult3D
Cult3D 这一引擎科技的研发公司为 Cycord 公司,是一种 Web3d 科技,该引擎技术只需要软件加以控制,并不用任何硬件对其加速支持,个人电脑同样能够实现实时的精密渲?#22659;?#25928;,支持现阶段一些流行浏览器下载与安装,和其他的 3D产品有所不同,该技术能够支持 UNIX、LINUX 以及 Macintosh 用户包含在内的各类使用较为频繁的操作系统,支持跨?#25945;?#25805;作。
Cult3D 的组成有 Cult3D  Exporter  plugin、Cult3D  viewer  plugin 以及 Cult3D designer。当导入图像的时候,Cult3D 对于图像形体执行压缩网格纹理贴图与优化网格等相关操作;当输出图像的时候,对图像提供物体?#30805;?#20960;何体网络、各种质量压缩以及节点?#30805;?#31561;各种选项,实现用最少数据完成最高图像质量的成效;Cult3D  Designer 的页面操作简便直观、条例明了清晰,在最大程度上提升了研发效率。设计者能够运用 MAYA 或者 3D  SMAX 这类建模程序对 3D 模型进行设计并导出,随之应用 Cult3D  Exporter  plugin 对模型的格式进行转换,转换后的格式能够支持导入 Cult3D Designer 里面,并且为该模型添加交互等各?#20013;?#26524;,最终将其嵌入到 HTML 界面里面并在互联网中进行发布。
............................
第 3 章 中学物理虚拟实验技术建模方案 ............. 13
3.1 建模基础 .................................. 13
3.1.1 目标 ......................... 13
3.1.2 原则 .......................... 13
第 4 章 虚拟实验技术建模应用实验 ........................... 29
4.1 场景变化 .......................... 30
4.2 动态连线 ........................... 32
4.3 开关状态 ........................... 33
第 5 章 结论与展望 ........................... 40

第 4 章  虚拟实验技术建模应用实验

4.1 场景变化
在引用“request Animation Frame”函数后,场景就能够使动画渲染效果更加的流畅起来,一?#32844;?#27861;是,能够使用“Three. js”内置操作“Mesh”的方法,使对象状态发生改变,例如顶点、材质变化、面、平移、缩放、旋转等诸如此类的方法,运用“render”循环就能够对其修改完的属性进行最后的效果渲染,这个的本?#31034;?#26159;利用了操作对象,使其能够?#30805;?#36215;来,但是此类操作的缺点是其没有交换互动性。另外一?#32844;?#27861;就是可以利用鼠标来移动相机,从而使整体的场景全部?#30805;?#36215;来,以此来增加交换互动性,想要更多更好的控制整个场景中的相机,“Three. js”提供了很多的插件控件。每个控件的具体操作描述,如表“Three.  js”场景控件表所示:

...........................

第5章 结论与展望

5.1 结论
由于初中学物理建模教学中凸显的问题日益得到重视,而中学物理课堂与信息技术的整合又处于势在必行的发展趋势,因此,将虚拟实验技术与中学物理建模相结合,有助于很好的解决物理教学课程中存在的矛盾与问题,对虚拟实验技术在中学物理建模中的应用进行研究便具有了十分显著的实践意义与理论指导意义。本研究基于查阅的大量参考文献总结得出目前虚拟实验技术在应用中存在的不足,进而?#27835;?#20197; Three.js 为基础进行虚拟实验建模的必要性,并在遵循设计原则与教育理论的前提下,提出了一条行之有效的虚拟实验技术在中学物理建模中的应用方案。同时,本研究所得研究成果如下所述:
(1)本研究深入?#27835;?#20102;支撑设计与开发中学物理虚拟实验的教育论,并阐述了混合式学习理论、虚拟认识论、建构主义理论对中学物理虚拟实验学习的影响,从而为提出的虚拟实验技术系统能够切实推动中学物理建模学习与教学的完善与发展。
(2)与传统的中学物理建模方法相比较,以“Three.js”技术为基础的三维系统,可以挖掘实现系统的独特优势,保证 Internet  Explorer、Safari、Opera 等浏览器内核的同时运行,?#20063;?#38656;要安装其他插件,即可做到在收集终?#30805;?#35813;系统进行操纵。由此可见,基于虚拟实验技术的中学物理建模将具备更高的适用性与可移植性。同时,鉴于现阶段国内外关于将 Three.js 技术应用于中学物理虚拟实验的研究较少,所以,本研究主张将新型信息技术“Three.js”应用于中学物理学科为一次创新性的研究,也为提高虚拟实验技术的实用性做出了有益的尝试。
(3)本研究以中学物理建模实验为教学实践案例,其开发与设计以学生高效获取物理知识应用技能为学习目标,以全面提升中学物理教学效率与水平为教学目标。在试验中,学生需首先以接线柱的所在位置为依据,完成动态连线,并将接线柱所在位置设?#36152;?#21021;始颜色,通过点击鼠标选取颜色,进而提醒用户所选择的颜色进入了选中状态。之后点击闭合,显示灯泡亮度。该试验过程表明,变阻器滑块位置的变化会引发电流表指针、电压表指针的变化,而该试验的操作过程中也说明了将虚拟实验技术应用于中学物理建模教学中,不仅能够提升实验的视觉效果,还可以提高学生学习物理知识的效率与应用物理知识的实践能力。
参考文献(略)

原文地址:http://www.7225367.com/jsjlw/)查找


三国杀online网页版
罗马数字1 河南快赢481走势图百度乐彩 吉祥保定球注册 免费棋牌代理 女孩与枪APP 巨人财富 拉齐奥对乌迪内斯 秘密行动客服 幸运农场app 午夜幸运天怎么玩